刚性桩复合地基设计探讨

万继春

（淮安市建设工程施工图审查处，江苏 淮安 223001）

1 引言

复合地基是指部分土体被增强或被置换，形成由地基土和竖向增强体共同承担荷载的人工地基。随着地基基础处理方式的不断改进，刚性桩复合地基的使用越来越多，目前刚性桩复合地基的主要形式是管桩复合地基。摩擦型桩属于有黏结强度的增强体，能够与土体共同工作，实现地基有效承载的目的。这其中有主动设计的，也有被动设计的，被动设计的主要原因是工程桩的承载力特征值的检测不合格。而端承型桩因为沉降极小，地基土没有变形空间，不能起到有效的承载作用，对于端承桩以及浅层地基土存在压缩性较大的土层的情况时建议慎用刚性桩复合地基。

2 基本理论

JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》对有黏结强度增强体复合地基提出了如下公式[1]：

式中，fspk为复合地基承载力特征值，kPa；Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；Ap为桩的截面积，m2；λ为单桩承载力发挥系数，可按地区经验取值；β为桩间土承载力发挥系数，可按地区经验取值；m为面积置换率d为桩身平均直径，m，de为1根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，m，等边三角形布桩de=1.05s，正方形布桩de=1.13s，矩形布桩分别为桩间距、纵向桩间距和横向桩间距）；fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa。

通过式（1）发现，地基的承载能力实际上就是桩的承载力和桩间土的承载力的折减整合。实际上面积置换率m中提到的等效圆是采用面积相等的原则，将正方形（或矩形、三角形）等效成圆，这可以通过m的计算公式推导出来。以正方形举例：将化简后，de≈1.13s。同样的结果适用于三角形布桩和矩形布桩。也就是说，这个公式可以简化为：

式中，Nk为复合地基承载力，kN；A0为桩间土净面积，m2；n为桩的数量。

例题1：管桩直径500mm，桩正方形分布，分布间距为2.5m×2.5m，Ra=1 800kN，fsk=120kPa，则：

根据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》第7.1.5条条文说明，可取λ=0.8，β=1.0；则：

对应于2.5m×2.5m的面积，所能承担的荷载为2 162kN。

根据式（2）计算，则：

2个公式的计算结果基本一致，通过式（2）可以很清楚地看出，上部结构的荷载是由桩和桩间土共同承担的，那么规范中为什么没有用这样清晰明了的公式呢？这是因为引入复合地基承载力特征值fspk这个指标，人们就可以对地基承载力进行深度修正，也可以进行复合地基的沉降验算，简化了地基基础的设计。

3 存在的问题

3.1 设计理念的问题

对于筏板基础下均匀、对称布桩，可以通过式（1）很方便地计算出地基承载力并以此地基基础设计。这是因为在大面积布桩的情况下，式（1）的误差很小，可以忽略。但当主体结构采用独立基础或条形基础的时候，以及建筑物下非均匀布桩时，式（1）的设计误差有时候就会很大，而且会导致设计时走入一个误区，部分设计人会认为在桩均布的情况下，整个地基土的承载力都会变成fspk，并以此进行地基基础设计。

图1是一个工程设计实例，因为上部荷载与桩的中心并不在一个位置，桩和土的共同作用就会被极大地削弱，并且由于桩的偏位影响带来更为不利的因素，直接导致基础范围内的有效承载力的不足和两侧的沉降不均匀。设计人员应调整桩位布置，在条形基础范围内，使桩位布置保持均匀对称。通过式（2），可以发现复合地基的概念并非是基底土的承载能力的提高，而是由桩和土共同承载作用下形成的综合承载能力。

图1 条形基础下的均匀布桩

3.2 计算误差的问题

为方便演算和说明，现以独立基础为例，此处仍以例题1的假定条件举例。

5m×5m的独立基础如图2所示。

图2 5m×5m的独立基础

我们根据桩间距计算标准的5m×5m的独立基础，在不考虑深度修正的影响下，通过例题1的计算结果，得到地基的最大承载能力为：

式中，A为基础底面积，m2。

如果按式（2），得到地基的最大承载能力为：

根据计算结果，在标准尺寸下2个公式的计算结果是基本一致的，但是，不难发现这样的计算是存在问题的。如果仅仅是在轴力作用下，该基础设计可以满足计算要求，但往往在实际设计中，总是存在着偏心力矩的作用，也就是基础边缘存在着最大压力，而边部土的承载能力是存在不足的。

继续以此举例，将图2的布置调整成如图3所示。

图3 3m×3m的独立基础

同样的桩位布置，对于3m×3m的独立基础，不考虑深度修正的影响，通过式（1）的计算方法，得到地基的最大承载能力为：

如果按式（2），得到地基的最大承载能力为：

通过对比以上2个计算结果，发现承载能力的误差竟高达2倍多。而实际上4根桩所能承担的荷载就已经达到5 760kN，此时如果还是按式（1）计算，就存在着极大的浪费。

通过对式（1）的演算，笔者以为规范的m值的计算可修改为：

通过式（3）得到m=0.087 3，发现这个值和式（1）中的m值相差极大。将此值代入到式（1）中，得出：

这样的结果就与式（2）的结果基本保持一致了。

反之，如果桩布置不变，在例题1的基础上扩大基础范围，计算结果则会偏于不安全。

4 结语

复合地基承载力的提高，并非原状土承载力的大幅度提高，而仅仅是在充分考虑了桩的承载能力的基础上提出的一个假定值，是桩土共同作用的结果，设计人应重视上部结构重心与有效抗力中心的一致性。对于大面积的筏板基础下均匀布桩，按规范的公式计算是满足结构安全需要的。在实际设计工作中，对于条形基础、独立基础等小范围的刚性桩复合地基建议可按本文的式（2）来进行设计。

对于刚性桩复合地基，应采用基础范围内均匀布桩的原则，基础范围以外的桩仅能对土体起到一定的约束和保护作用。同时，由于基础外围在偏心荷载作用下存在的边缘压力，原状土的承载能力并不一定能够承担，所以实际设计工作中应优先考虑第一排桩靠近基础边缘的内侧布置。

由于基底偏心压力的作用，笔者不赞同条形基础下单排桩和独立基础下的单桩复合地基设计，如果此类基础偏心荷载比较小，笔者建议，可以考虑在扣除桩承担的轴心力后，对偏心荷载引起的土反力进行验算。