刚性桩复合地基承载性状研究及优化设计

刚性桩复合地基承载性状研究及优化设计

叶红林

叶红林

深圳市华阳国际工程设计股份有限公司528000

摘要：本文在研究中以刚性桩复合地基为核心，分析刚性复合地基承载性状，了解刚性桩复合地基设计中的问题，优化设计，保证刚性桩复合地基的承载性，满足工程建设要求，并为相关研究人员提供一定的借鉴和帮助。

关键词：刚性桩；复合地基；承载性；优化设计

复合地基作为一种有效的地基处理方式，主要通过天然地基自身承载力来设计和建设，降低工程造价成本，特别是针对刚性桩复合地基而言，设置在天然地基的基础上，加设刚性桩，利用刚性桩的自身应用优势，可以根据工程建设需求来控制沉降，保证施工质量和工程质量，被广泛的应用到工程建设领域中。但是在工程实践中，根据“缺多少补多少”的原则，将天然地基承载力充分利用起来，一旦天然地基承载力不足，可以设置桩基的方式来补充与承担，形成较为理想的地基优化设计方式，在满足结构要求的同时，还有效降低了工程造价成本，进而实现工程项目的效益最大化。在这样的环境背景下，探究刚性桩符合地基承载性状研究及优化设计具有非常重要的现实意义。

一、刚性桩复合地基设计问题

刚性桩复合地基的经济性与工作性能较强，最大化利用天然地基与桩体自身的承载力，施工质量可靠，节省一部分地基处理费用，特别是针对软土地基而言，是一种十分有效的地基处理方式。如图1所示，为刚性桩复合地基的常见形式，基础层和地基刚度是刚性桩复合地基承载力的主要因素，柔性基础与刚性基础所形成的刚性桩复合地基承载力会出现很大的差距，在刚性复合地基设计中，需要相关设计人员着重考虑。

图1为刚性桩复合地基常见形式

（一）发挥系数β确定问题

在刚性桩复合地基设计中，承载力计算中强调强度控制，大多数设计人员可以综合考虑桩和土变形协调关系，发挥系数β的取值完全依靠经验，理论依据不足，其公式为：（1），代表单桩复合基地承载力特征值，m代表复合地基置换率，Ra代表单桩竖向承载力特征值，Ap代表桩面积，β代表发挥系数，一般取值范围为0.6-0.9。通过这一设计方式，很对硬性土层、刚性桩直接进入复合地基，要正确选取β的值，但是端承桩应用中，这种桩刚度大，桩变形几率小，若β取值低于设计值，其桩的承载负荷会远远高于设计值，形成安全隐患。

（二）地基沉降问题

在刚性桩复合地基设计中，复合地基应力分布和应力解之间有很大的差距，其规范方式要从复合模量计算与应力假设等方面进行完善，但是在实际应用中，适用范围有所限制。一般而言，刚性桩复合地基沉降计算的过程中，沉降划分成加固区沉降S1、非加固区沉降S2等部分，计算总沉降为S=S1+S2。在此计算中存在以下问题：第一，通过复合模量进行沉降计算的过程中，可以反映出地基承载力和地基沉降之间的关系，但是桩与土刚度之间的差距较大，复合后无法反映出实际情况；第二，由于桩和土之间的刚度差距较大，通过复合模量无法准确反映出加固区变形特征；第三，利用规范方法进行沉降计算时，要在最终结果上乘以0.2的经验系数，但是这个系数主要参考地区沉降观测资料进行确定，存在实际误差。

二、刚性桩复合地基承载性优化设计

（一）设计方向

现阶段，刚性桩复合地基承载性优化设计主要有两大方向，一是以优化设计数学模型为主，构建非线性数学规划方程，并求得解，将刚性桩置换率和桩长视为设计变量，将桩体总费用视为目标函数，满足承载力沉降是主要约束条件，构建非线性数学规划方程，通过复合形法进行求解。这种方式符合承载力条件，但无法保证桩和土应力比，目标函数的解可能不是最优值。二是利用影响复合地基承载力参数来实现定性研究，明确桩长、置换率、垫层参数对刚性桩复合地基承载力的作用和影响曲线，根据承载力控制优化设计。这种方式有效性较大，但由于单桩为极限承载力时，其刚性桩沉降为非线性，桩端会发生非线性沉降，这一沉降计算无法获得准确的值，制约这一方法的应用和发展。对此，本文主要以原状土切线模量法为主，综合考虑桩和土的非线性沉降，计算桩土同步下的载荷分担，调整相对应的参数值，合理调节桩和土的分担载荷，控制基础沉降，进而达到优化设计的目的。

（二）设计方法

假设基础长度是a,，宽是b，其受力情况如图2，假设地基为均匀地基，土地切线模量参数是E0、c、φ，依托于沉降P-S曲线与桩基P-S曲线，通过沉降变形，明确桩与土的荷载，分别计算地基与桩基沉降。

图2刚性桩复合地基受力情况

在地基P-S计算中，核算处于天然地基下的非线性P-S曲线，结合沉降变形程度来核算桩与土的荷载与承载力，明确地基承载力所对应的地基沉降，设上部载荷是N，而基础面积是A，底部应力则是P=N/A。在刚性桩处理中，先期做好验证，明确刚性桩单桩载荷和沉降非线性曲线，压缩沉降则是，其中，σ代表桩顶应力，Δh代表垫层厚度，E代表垫层变形模量。

在桩基优化中，承载力安全系数要根据分担荷载和极限承载力进行计算并获得，单桩优化以Nap大小控制为主，若桩处于塑性桩状态，Nap大小可以等于单桩极限承载力；若单桩承载力存在安全系数，在承载力可允许范围内，让土多承担一些合理荷载，保证刚性桩复合地基的承载力，调整桩刚度，进而满足施工标准。

三、工程案例分析

（一）工程概述

列举水闸CRG桩符合地基案例，室内以CFG桩为主要基础，将CFG桩的端头直接插入砂层中，桩径设计为50cm，间距设计为2.0m·2.0m，刚性桩强度等级设计成C20。考虑到该工程的特殊性与重要性，前期做好实验，为刚性桩复合地基优化设计提供信息依据。在荷载实验中，坑地面和水闸底板底部标高相同，选择2.0m·2.0m的方形钢板，形心和桩心保持一致，承压地板下方铺设砂垫层，变形模量设置50MPa，在承载力实验中选择定型承压板，确定物理参数，根据线性曲线测定的沉降，实测现场沉降参数，绘制平面布置图，

（二）单桩承载力优化设计

水闸可允许沉降量为10cm，水闸基础沉降量要在10cm以内，针对软土地基而言，其沉降要求必须低于15cm，结合天然地基与单桩承载力核算后，需要进一步优化工程地基设计，将天然地基应力控制在150KPa左右，其中单桩荷载可达到1000KN，沉降控制在10cm内，即为最优设计。

（三）垫层优化设计

原设计中的刚性桩刚度过大，桩与土保持相对刚度时，会增加沉降量，而桩应力也会随之增加，会超出控制值范围。因此，为了保证刚性桩的承载力，要将垫层调整到50cm，而基础沉降为30mm、50mm、80mm，若垫层为30cm时，优化设计中的允许沉降为30mm，用桩量为382根，桩、土应力比为57.44，单桩荷载为1083.36KN；允许沉降为50mm，用桩量为172根，桩、土应力比为54.97，单桩荷载为1693.64KN；允许沉降为80mm，用桩量为48根，桩、土应力比为50.42，单桩荷载为2414.20KN。

结束语：

综上所述，在刚性桩复合优化设计中，要了解刚性桩复合地基的结构和常见形式，列举工程案例，提出原设计中存在的问题和漏洞，针对性提出解决方案，优化单桩承载力与垫层结构，保证刚性桩复合地基的承载力。