剛性樁復合地基褥墊層工作性狀分析

1 引言

復合地基是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強，或被置換，或在天然地基中設置加筋材料，加固區是由基體(天然地基土體或被改良的天然地基土體)和增強體兩部分組成的人工地基。在荷載作用下，基體和增強體共同承擔荷載的作用。根據復合地基荷載傳遞機理將復合地基分成豎向增強體復合地基和水平向增強復合地基兩類，又把豎向增強體復合地基分成散體材料樁復合地基、柔性樁復合地基和剛性樁復合地基三種。

復合地基在荷載作用下，天然土體和樁體共同承擔上部結構傳來的荷載。對于散體材料或低粘結強度樁復合地基，在荷載作用下，樁體產生側向變形，樁體和樁間土體的變形可以保證它們能夠共同承擔上部結構傳來的荷載，因此可以形成復合地基。

對于剛性樁復合地基，如果基礎直接作用在復合地基上，由樁體模量遠遠大干樁周土模量，在上部荷載的作用下，樁周土的壓縮變形遠遠大于樁體壓縮變形，則荷載大部分由樁體承擔，樁周土的承載能力發揮受阻，樁土不能共同工作，無法形成復合地基。

試驗研究表明，在基礎和復合地基之間加設—定厚度的散體材料組成的褥墊層，則受力情況會發生很大的變化。

2 褥墊層作用及工作原理

剛性樁復合地基碎石褥墊層的概念來源于八十年代末，九十年代初，研究發現在未設置褥墊層的情況下，土體僅能發揮10～20％的作用，于是黃熙齡院士創造性地提出碎石褥墊層概念，土體承載作用顯著提高，如圖2.1、2.2。

有了褥墊層，墊層下土層頂部就能夠承受上部荷載傳下來的壓力。若沒有墊層，采用樁基形式，上部荷載首先壘部傳到樁上，樁間由樁土摩圖2.2。

褥墊層作用及工作原理主要體現在以TJL方面：

(1)使樁、土共同承擔豎向荷載

褥墊層設置后，能使樁體的頂部和樁端都有上下刺入變形條件，在給定荷載作用下，樁承擔較多的荷載，隨著時間增長，樁產生一定沉降，荷載逐漸向樁間土體轉移，即使樁端地基士很好，樁端變形小，但樁頂也有向褥墊層刺入條件，所以有了褥墊層能保證樁土較好的共同承擔外荷載，如圖2.2。

(2)減小基礎的應力集中

當褥墊層厚度趨干零時，近似鋼筋混凝土樁和承臺的作用，這時承臺基礎要驗算沖切承載力。加了褥墊層后起到擴散應力作用，同時樁頂和樁間士應力之比值顯著降低，隨著荷載增加應力比趨于一常數值。

(3)使基礎底面壓力分布更均勻

通過散體褥墊層的調整，隨著荷載增加或變化，能使基底壓力更均勻分布。如圖2，3。

圖2，3基底應力集中和褥墊層厚度關系

(4)抗水平力作用

類似地震作用的水平荷載，剛性樁復合地基主要是通過基礎與褥墊層之間的摩擦力和基礎側面土壓力承擔，褥墊層又是散體結構，所以傳遞到樁體的水平力較小或為零，這就是樁體可不配筋的緣由。

3 褥墊層最佳厚度分析

在進行褥墊層厚度對比過程中發現，隨著墊層厚度從零開始增加，樁間土承擔的荷載先增大后趨于穩定值，這個穩定值接近樁閥土的承載力，于是就出現了最佳墊層厚度的概念。

褥墊層厚度H=0，此時復合地基工作性狀類似于樁基礎，在給定的荷載作用下，樁體通過負摩阻力和樁端阻力承擔大部分荷載，隨著時間的增加，樁頂有—定的沉降，荷載逐漸轉向土體。

當樁端落在承載力較高的堅硬巖層上時，樁沉降較小，樁間土的作用很難發揮，當樁端落在承載力較小，沉降較大的土層上時，沉降隨著時間增加，此時樁間土能發揮一定的作用。

褥墊層厚度H>0，即當基礎和樁之間設置了_定厚度的褥墊層時，基礎承受外荷載后，不論樁端落在何種土層上，樁和樁間土都要發生沉降變形，由于樁身變形模量遠比樁周土的變形模量大，因而樁比土的變形小得多，此時，樁可以向上刺入褥墊層，伴隨這一過程，墊層材料不斷調整補充到樁間土上，以保證基礎始終將一部分荷載傳到樁間土上，即可保證在任一荷載下樁和樁間土始終參與工作。研究表明當褥墊層厚度大于300mm的時候，樁間土分擔的荷載增加有限，達到其極限承載力，因此，褥墊層一般厚度可取200～300mm。

4 褥墊層對樁土應力比的影響

下表為某褥墊層試驗對樁土應力比影響數據

由上表可知：

(1)當墊層厚度一定時，在同一級壓力下，在其它條件不變時，粒徑大亦即剛度大的材料的樁土應力比較大。

(2)隨著荷載的增加，樁土應力比有下述變化規律：在加荷初期，由于樁頂的褥墊層更容易被壓縮，因此，剛性樁發揮了更大的作用，樁土應力比較大；隨著荷載的增加，樁體發生了反向的刺入，此時樁間土逐漸開始發揮作用，樁土應力比開始減小；隨著壓力的增加，樁端向持力層刺入，此時樁又承擔了較大的荷載，樁土應力比增大。

(3)在墊層厚度相同的情況下，隨著褥墊層模量的增加，褥墊層的剛度增大，樁土應力比也隨之增大，這是由于較大的墊層剛度使得地表的變形受到約束，從而樁分擔的荷載較大，而樁間土分擔的荷載較小。

(4)墊層材料不同，即褥墊層的剛度不同，褥墊層的作用也不完全相同，墊層粒徑大小(即剛度大小)具有調整樁土應力比的作用。若要充分發揮樁的承載力，可鋪設碎石墊層，若要充分發揮樁間土的承載力，可鋪設中粗砂墊層。

5 結語

本文簡要的介紹了復合地基的特性，并對其性狀主要影響因素褥墊層進行了分析，介紹了褥墊層的工作機理及作用，對褥墊層的最優厚度進行了分析，通過一試驗數據分析了褥墊層厚度對樁土應力比的影響并得到T--些有益的結論。

參考文獻

龔曉南，復合地基，浙江大學出版社，1992閻明禮，楊軍，吳春林等CFG復合地基試驗研究北京：中國建筑科學研究地基基礎研究所，1992，79-83

閻明禮，楊軍，CFG樁復合地基的褥墊技術，地基處理，1996年3期，1-7

吳春林，閻明禮，CFG樁復合地基承載力簡易計算方法，巖士工程學報，1993-3Bengt H Fellenius，Results from long-termmeasurement in piles ofdrag load and downdrag，Dr.Tech，REng，Canadian Geotechnical Journal，April2006，Vol.43，No.4，PP.409—430