预制桩复合地基技术及其应用研究

陈华裕

（茂名瑞派石化工程有限公司，广东 茂名 525000）

近年来，随着我国大型基础设施建设项目需求不断增加，复合地基技术获得了迅速发展。但从具体的发展情况来看，复合地基的理论研究要弱于实践研究，无法为同类型、同性质的项目提供更好的理论支撑[1]。在复合地基的建造过程中，碎石桩、石灰桩和预制桩等都有比较广泛的应用。其中，预制桩作为地基骨干除了承受建筑物载荷以外，还会和桩周土壤结构一起形成复杂的应力作用[2]。因此，预制桩的力学性质和其他地基常规桩有着很大的不同。对于很多大型工程项目的复合地基建造中，预制桩又是必须要使用的，而且必须要系统分析其承载载荷和桩土结构特性[3]。在此背景下，本文以具体的工程项目中的复合地基建造为研究案例，结合预制桩分析理论和实践应用展开研究，并通过有限元分析方法对本项目中的预制桩复合地基建造效果进行分析，以期对同类型项目的预制桩复合地基技术应用提供借鉴。

1 复合地基承载力分析计算

复合地基主要体现为增强体和土质结构的复合，其中各种形式的桩就是复合地基的增强体，例如刚性桩。复合地基是否可以给建筑物提供足够安全的支撑，主要要考虑复合地基所受的载荷是否超限。但是，因为复合地基中既有增强体又有土质结构，二者承载载荷的极限大小又存在很大差异，所以复合地基的安全性分析实际上要分别分析增强体和土质结构的安全界限。

1.1 复合地基承载力总体计算

复合地基的承载力总体上分为2部分，一部分是增强体提供，一部分是土质结构提供，因此其整体承载力的计算如公式（1）所示

式中：参数P代表了复合地基的总体承载力；参数P1代表了复合地基中增强体可以承载的极限应力；参数P2代表了复合地基中土质结构可以承载的极限应力；参数w1为参数P1的影响权重；参数m为分配因子；参数w2为参数P2的影响权重；参数K1代表了单桩增强体理论承载力数值和增强体实际承载力数值的差异，这个差异很大，因为单桩植入地基后，因为桩间土质结构提供了阻力，使得增强体实际承载力大大增加；参数K2代表了土质结构理论承载力数值和实际承载力数值的差异，这个参数的影响因素很多，尤其受到地基建造过程中土质密实程度的影响。

实验中对复合地基的承载力的总体测算，主要是通过破坏性实验，在整合了相应参数以后，公式（1）改写为如下的形式

1.2 地基中刚性桩承载力计算

如果复合地基中的增强体相对刚度比较大，那么这个增强体就称之为刚性桩。刚性桩的承载力计算如下

式中：参数PG代表刚性桩的承载力；参数A代表刚性桩的承载面积；参数S代表刚性桩的截面周长；参数L代表刚性桩的长度；参数R代表刚性桩端土质可以承载的力；参数f代表外力。

1.3 地基中桩间土承载力计算

复合地基中，在刚性桩之间的土质结构即桩间土，也承担着来自建筑结构的承载力，其计算需要考虑的因素又非常多。因此，一般采用自然地基近似计算的方法来计算复合地基中桩间土的承载力，如下

式中：参数C代表了排水之前土质结构的抗剪切强度；参数N代表了土质结构的承载系数；参数D代表了刚性桩的埋藏深度；参数B代表了土质结构的基础宽度；参数L代表了刚性桩的长度。

2 预制桩的承载力分析计算

在复合地基的建造中，预制桩是非常常用的一种。预制桩本身具有刚性桩的明显特征，是复合地基中可供选择的较好的增强体。预制桩通过和桩间土质结构的配合，可以更好地增加地基整体的安全性。这里分别对复合地基中的预制桩需要为建筑物提供的承载力以及复合地基中预制桩桩身强度进行计算。

2.1 预制桩承载力计算

根据建筑行业施工经验和相关技术规范，在复合地基中如果采用预制桩，预制桩在垂直方向上的承载力可以根据刚性桩以摩擦原理提供承载能力的近似方法完成计算，其计算方法如公式（5）所示

式中：参数R表示预制桩近似的刚性桩在垂直方向上承载力的特征值；参数u表示预制桩深入土壤后涉及的土层层数；参数qi表示土质结构中第i层土壤施加给预制桩的摩擦力；参数li表示预制桩关联的第i层土壤的厚度大小；参数a表示土质结构承载力的折算因子；参数qT表示预制桩端部承载力对应的特征值大小；参数A表示预制桩截面积。

当预制桩作为增强体参与复合地基的建造时，也可以通过破坏实验对其进行测定，方法如下面的公式所示

式中：参数PY表示破坏实验法测定的预制桩所能提供的承载力；参数α表示单个预制桩可以提供承载能力的影响因子，需要结合复合地基工程的实际情况进行取值设定；参数β表示预制桩桩间土质结构可以提供承载能力的影响因子，需要结合复合地基工程的实际情况进行取值设定；参数RY2表示桩间土质结构经过一定强化处理后能够提供的承载力的特征值。

2.2 桩身强度计算

复合地基中对预制桩桩体本身的强度计算也是整个复合地基是否安全的重要工作，只有预制桩桩身通过强度校核，才能在承载过程中不被破坏。对于复合地基中预制桩桩身强度的校核计算，可以采用下面的公式

式中：参数PC代表了预制桩校核样品所表现出来的抗压强度；参数α表示单个预制桩可以提供承载能力的影响因子，需要结合复合地基工程的实际情况进行取值设定；参数γm代表了预制桩之上土壤的重度均值；参数d代表了预制桩埋藏的基本深度；参数RZ代表了复合地基整体承载力所对应的特征值。

3 工程项目中预制桩复合地基设计及有限元分析

3.1 工程项目概况

茂名某工程项目属于城市规划新建项目，因其地质特征的特殊性在城市建设早期并未作为建筑用地。但随着城市的扩张、用地需求激增及建筑技术的不断进步，该项目的开发建设成为可能。工程项目所在区域曾作为城市河道排涝区，该区域内土壤结构分为明显的6层。

第一层是粉状特征明显的土质层，土质粉状颗粒小而轻，是排涝功能弃用后形成的表层土质，颜色呈现灰黄褐三色间杂，并有相当比例的腐殖质掺杂。

第二层也是粉状特征明显的土质层，但土质粉状颗粒大并有砂砾裹挟其中，土质颜色以灰褐色为主，伴随少量黄色。因土质构成原因，该层的软硬度并不均匀。

第三层呈现为淤泥、粉质夹杂的土质层，粉状物与第二层接近，可能是第二层沉积所致。但因该层有较丰富的含水量，导致部分粉状土质淤泥化，表现出类似黏土的性质。该层土质颜色呈现出灰色和灰黑色。

第四层呈现出明显的黏土特征的土层，可塑性好并具备一定的力学强度特征，该层土质颜色呈现出灰色和灰绿色。

第五层呈现出明显的黏土特征的土层，可塑性和力学强度均较上一层差，该层土质颜色呈现出灰色和黄灰色。

第六层呈现出明显的黏土特征的土层，可塑性中等、力学强度特征高，该层土质颜色呈现出灰色和黄灰色。

上述6层土质的相关参数见表1。

表1 土质条件参数表

3.2 预制桩地基的位移有限元分析

为了验证本文设计出的基于预制桩的复合地基是否合理，采用有限元分析的方法，对该项目中的预制桩复合地基进行承载情况下的位移有限元分析，结果分别如图1、图2所示。其中，图1是设计阶段的位移变化有限元分析；图2是校核阶段的位移变化有限元分析。

图1 设计阶段的位移变化有限元分析

图2 校核阶段的位移变化有限元分析

从图1和图2中的有限元分析结果可以看出，采用了预制桩设计出的复合地基，在满负载承载力的情况下，垂直方向上的沉降位移为50.69 mm。这一结果，相比于常规桩复合地基的设计结果，垂直方向上的沉降位移减少了26.21%，这充分表明了预制桩技术设计出的复合地基可以有效地减少建筑物垂直方向上的沉降。

另外，从图1和图2中给出的有限元分析结果也可以看出，因为预制桩的使用，桩间土质结构也表现出更好的特性，预制桩和桩间土质结构更好配合，不仅减少了垂直方向上的沉降，也使得整个受力面内的位移变化更加均衡。这样的结果，会大大增加地基结构的安全性，不会因垂直方向上的沉降距离的突然变化产生安全隐患。

3.3 预制桩地基的应力有限元分析

对该项目中的预制桩复合地基进行承载情况下的应力变化进行有限元分析，结果分别如图3、图4所示。其中，图3是设计阶段的应力变化有限元分析；图4是校核阶段的应力变化有限元分析。

图3 设计阶段的应力变化有限元分析

图4 校核阶段的应力变化有限元分析

从图3和图4中的有限元分析结果可以看出，采用了预制桩设计出的复合地基，能够承受的最大应力达到0.56 MPa，大大超过了采用常规桩进行的复合地基设计结果。同时，在建筑物实际承载的过程中，预制桩复合地基可以使得应力相对集中，在地基中间部位会出现最大应力的峰值。

4 结论

预制桩复合地基设计技术，相比于常规桩复合地基具有更高的承载能力和安全性，因此对于很多工程项目建设具有重要意义。本文中，首先从理论上分析了复合地基的整体承载能力，并分别考虑了刚性桩和桩间土质结构的承载能力。其次，给出了预制桩复合地基中预制桩的承载能力计算方法，并给出了预制桩桩身强度的校核方法。最后，以茂名某工程项目为研究对象进行了预制桩复合地基的设计并通过有限元方法进行承载性能分析，结果显示：预制桩复合地基比常规桩复合地基有着更高的承载性能，并可以减少承载后形成的垂直方向的沉降位移，适合于该工程项目的地基建造。