刚性桩复合地基沉降机理与影响因素研究

邱小燕

摘要：随着社会的发展，人们对建筑物的要求越来越高，现如今，高层建筑在生活中随处可见，在高层建筑施工中，对地基有十分高的要求，高层建筑若是地基达不到相关标准，其稳定性将会受到严重影响。刚性桩复合地基具有造价低等优点，为此，在建筑施工中得到广泛运用。但是，不可忽视的是刚性复合地基沉降问题，其将影响到建筑物的稳定性。本文对刚性桩复合地基沉降机理进行分析，并探讨刚性桩复合地基的影响因素。

关键词：刚性桩复合地基；沉降；影响因素

1.前言

所谓的刚性桩复合地基指的就是使用刚性桩的方式来提高天然地基土体，对基础、桩之间的褥垫层设置的方式来增强地基与土体的承载力的一种人工地基。刚性桩复合地基适用于处理黏性士、粉土、砂土、素填土和黄土等土层。对淤泥、淤泥质土地基应按地区经验或现场试验确定其适用性。近年来，我国在建筑施工中刚性桩复合地基的使用率越来越来普遍，但是，沉降问题一直困扰着人们，要解决这一问题，必须要掌握刚性桩复合地基的影响因素。

2.刚性桩复合地基沉降机理分析

桩体和桩间土体共同在上部荷载作用下产生沉降，在沉降过程中，桩、土、垫层、承台之间相互产生作用力与反作用力，随着上部荷载的增加沉降也增加，当土体中某处产生的塑性变形过大，不能承担更多的荷载时，其相互作用会出现力的重新分布。刚性桩复合地基沉降主要表现在以下两个方面。

首先是刚性桩复合地基沉降变形，受到上部荷载的作用，桩间土体的压缩量会显著增大，此时总压缩量为S上/m，而下卧层土体也会随之发生压缩，压缩总量为S下/m，桩身的压缩量此时设为S3/m，褥垫层在压缩之后厚度为HC2/m,此时，桩端会出现明显的沉降，沉降大小为δ下/m，桩顶部也会出现沉降，沉降为（δ下＋S3)/m。刚性桩复合地基中，桩、土、垫层三者会影响影响，相互作用，桩间土体上部褥垫层若是在荷载PS的影响下，会出现压缩，压缩量大小为SCS，对压缩量大小进行计算，计算公式如下：

SCS=HC1-HC2（1）

桩顶上部的褥垫层在荷载的作用下，同样会出压缩现象，压缩量为SCP，压缩量的计算公式为：

SCP=HC1-HC2＋S上＋S下-δ下-S3（2）

桩顶向褥垫层的刺入量大小为δ上，那么桩身和土体之间的相对位移大小则可通过以下公式进行计算，即：

δ上=S上＋S下-δ下-S3（3）

在以上关系式当中，（1）式和（3）式相减是对刚性桩复合地基当中的桩=土-垫层之间出现相互作用情况下出席那变形进行考虑[1]。

其次是刚性桩复合地基承载力，结合变形关系能够得到受力关系，将桩顶上部褥垫层的所受荷载大小设为PP，可以通过以下公式进行计算：

PP=EC/Hc1×Scp

桩间土上部褥垫层受到的荷载为PS，其计算公式为：

Ps=EC/Hc1×Scs

对褥垫层整体的静力平衡进行分析，将得出：

P=mPp＋（1-m）Ps

刚性桩复合地基与普通的地基相比较，其比较复杂，刚性桩复合地基当中有一个比较特殊的沉降面——等沉面，等沉面部位的处桩体发生沉降时，沉降量大小将与桩间土体沉降量的大小相同[2]。等沉面以上的桩间土体相对桩发生乡下位移现象，将会产生负摩擦力，等沉面亦喜爱的桩间突袭相对状体若是发生向上位移，则会产生正摩擦力，该类型的复合地基不管是受力还是变形，均存在明显的特殊性。

3.刚性桩复合地基沉降的影响因素

3.1桩间土体塑造成的影响

对桩间土体性质与刚性桩复合地基存在的密切的潜力，前者会造成后者发生沉降，承载力发生变化，分析这两者的关系，将桩间土模量量为自变量，刚性桩复合地基为应变量，当自变量发生变化时，分析应变量的情况，如图1所示，刚性桩复合地基荷载-沉降曲线图。

根据上图分析可知，刚性桩复合地基沉降的大小与桩间土体模量存在密切的联系，桩间土体模量发生变化，刚性桩复合地基必然会发生沉降，桩间土体模量增加时，刚性桩复合地基整体的沉降量会减少，此时，土体会变硬，压缩性也随之降低，而承载力会显著提高[3]。由此可见，复合地基具有理想的桩间土工程效果，在设计上更加经济实惠，能够降低工程成本。

3.2桩间距所造成的影响

桩间距确定之后，即可开展刚性桩复合地基研究工作，若是桩间距的大小分为别为Sa=3d、Sa=4d、Sa=5d，其中d表示的是桩的直径大小，当桩间距发生变化时，观察刚性桩复合地基的情况，图2为刚性桩复合地基的荷载-沉降曲线图。

对图2进行分析可知，刚性桩复合地基的沉降量和桩间距存在密切的联系，放桩间距变小时，沉降量也会随之变小，但是，桩间距若是处于距离比较小的情况下，刚性桩复合地基的沉降量变化不明显，即采用密集布桩的方式能够有效控制对刚性桩复合地基沉降的影响。主要原因在于布桩时桩间的距离处于比较小的状态，能够使桩侧摩阻力、桩间土体的承载力无法发挥，尤其是对于中间的土体而言，更是不受任何影响，最后将基地荷载传给桩体，土体的作用可以忽略不计。为此，从刚性桩复合地基的角度进行分析，在布桩时将桩间距进行适当的调整，将其增加到适合的距离，能够有效控制工程的质量，主要原因在于桩间的距离适当增加，能够有利于土体承载力的发挥，并且桩体自身才承载力也能够得到良好的发挥，但是，值得注意的是桩间距不能过大，若是桩间距过大将会造成桩顶应力集中，导致复合地基整体发生显著的沉降[4]。为此，在对刚性桩复合地基分布设计时，要充分考虑各个因素，进行合理的设计，从而提高经济效益。

3.3褥垫层模量所造成的影响

除了桩间距、桩间土体会对刚性桩复合地基造成影响之外，褥垫层同样会对其造成一定的影响，刚性桩复合地基技术中，褥垫层技术作为一项重要的技术，对其不可护士，褥垫层对复合地基的特性具有直接的影响作用。本课题研究采用ANSYS三维有限元软件对褥垫层模型与刚性桩复合地基之间的关系进行分析。在原分析模型店技术上，将褥垫层模量分别设置为EC=50、100、150、200MPa，垫层厚度Hc=300mm，褥垫层模量变化与复合地基荷载-沉降曲线图如图3所示。

从以上图中发现，刚性桩复合地基的沉降与褥垫层模量之间的关系并不明显，当褥垫层模量发生变化时，刚性桩复合地基沉降未有明显的变化。荷载处于比较低的水平，四条曲线呈现出基本重合的现象，说明沉降量此时相似。当荷载水平处于比较高的状态时，褥垫层模量变大，刚性桩复合地基沉降会一定程度的减少，造成这一现象的主要原因在于褥垫层模量越大，其对土体、桩体这两者的变性调节作用将越小，对褥垫层本身的流动补偿作用也越小，从而致使荷载逐渐向桩体转移，桩土应力比n值较大。随着上部荷载力的逐渐增大，桩顶应力也随之越来越集中，（比垫层模量较小时的桩顶应力值大），桩体不断产生的向下沉降量也比垫层模量较小时的沉降量稍大，也就是说刚性桩复合地基整体的沉降量也会增大[5]。

4.结束语

刚性桩复合地基沉降与桩间距、桩间土体等存在密切的联系，要使刚性桩复合地基在施工中更好的发挥其作用，在设计上必须对其影响因素给予高度重视，设计适合的桩间距、褥垫层等，从而确保工程施工质量的同时，获取更大的经济效益。

参考文献

[1]杨德健,王铁成.刚性桩复合地基沉降机理与影响因素研究[J].工程力学,2010,S1:150-153+163.

[2]王长丹,周顺华,王炳龙,邹春华.高速铁路桩承式结构路基地基沉降计算方法[J].同济大学学报(自然科学版),2013,08:1231-1236.

[3]赵慧爽.基于离心模型试验CFG桩筏—桩网复合地基承载与变形特性研究[D].西南交通大学,2016.

[4]赵明华,龙军,张玲,何腊平.双向增强体复合地基沉降分析[J].公路交通科技,2011,04:6-11.

[5]曹文贵,唐旖旎,王江营.基于孔隙介质模型的散体材料桩复合地基沉降分层总和分析方法[J].湖南大学学报(自然科学版),2014,11:87-95.