預制樁復合地基技術及其應用研究

陳華裕

（茂名瑞派石化工程有限公司，廣東 茂名 525000）

近年來，隨著我國大型基礎設施建設項目需求不斷增加，復合地基技術獲得了迅速發展。但從具體的發展情況來看，復合地基的理論研究要弱于實踐研究，無法為同類型、同性質的項目提供更好的理論支撐[1]。在復合地基的建造過程中，碎石樁、石灰樁和預制樁等都有比較廣泛的應用。其中，預制樁作為地基骨干除了承受建筑物載荷以外，還會和樁周土壤結構一起形成復雜的應力作用[2]。因此，預制樁的力學性質和其他地基常規樁有著很大的不同。對于很多大型工程項目的復合地基建造中，預制樁又是必須要使用的，而且必須要系統分析其承載載荷和樁土結構特性[3]。在此背景下，本文以具體的工程項目中的復合地基建造為研究案例，結合預制樁分析理論和實踐應用展開研究，并通過有限元分析方法對本項目中的預制樁復合地基建造效果進行分析，以期對同類型項目的預制樁復合地基技術應用提供借鑒。

1 復合地基承載力分析計算

復合地基主要體現為增強體和土質結構的復合，其中各種形式的樁就是復合地基的增強體，例如剛性樁。復合地基是否可以給建筑物提供足夠安全的支撐，主要要考慮復合地基所受的載荷是否超限。但是，因為復合地基中既有增強體又有土質結構，二者承載載荷的極限大小又存在很大差異，所以復合地基的安全性分析實際上要分別分析增強體和土質結構的安全界限。

1.1 復合地基承載力總體計算

復合地基的承載力總體上分為2部分，一部分是增強體提供，一部分是土質結構提供，因此其整體承載力的計算如公式（1）所示

式中：參數P代表了復合地基的總體承載力；參數P1代表了復合地基中增強體可以承載的極限應力；參數P2代表了復合地基中土質結構可以承載的極限應力；參數w1為參數P1的影響權重；參數m為分配因子；參數w2為參數P2的影響權重；參數K1代表了單樁增強體理論承載力數值和增強體實際承載力數值的差異，這個差異很大，因為單樁植入地基后，因為樁間土質結構提供了阻力，使得增強體實際承載力大大增加；參數K2代表了土質結構理論承載力數值和實際承載力數值的差異，這個參數的影響因素很多，尤其受到地基建造過程中土質密實程度的影響。

實驗中對復合地基的承載力的總體測算，主要是通過破壞性實驗，在整合了相應參數以后，公式（1）改寫為如下的形式

1.2 地基中剛性樁承載力計算

如果復合地基中的增強體相對剛度比較大，那么這個增強體就稱之為剛性樁。剛性樁的承載力計算如下

式中：參數PG代表剛性樁的承載力；參數A代表剛性樁的承載面積；參數S代表剛性樁的截面周長；參數L代表剛性樁的長度；參數R代表剛性樁端土質可以承載的力；參數f代表外力。

1.3 地基中樁間土承載力計算

復合地基中，在剛性樁之間的土質結構即樁間土，也承擔著來自建筑結構的承載力，其計算需要考慮的因素又非常多。因此，一般采用自然地基近似計算的方法來計算復合地基中樁間土的承載力，如下

式中：參數C代表了排水之前土質結構的抗剪切強度；參數N代表了土質結構的承載系數；參數D代表了剛性樁的埋藏深度；參數B代表了土質結構的基礎寬度；參數L代表了剛性樁的長度。

2 預制樁的承載力分析計算

在復合地基的建造中，預制樁是非常常用的一種。預制樁本身具有剛性樁的明顯特征，是復合地基中可供選擇的較好的增強體。預制樁通過和樁間土質結構的配合，可以更好地增加地基整體的安全性。這里分別對復合地基中的預制樁需要為建筑物提供的承載力以及復合地基中預制樁樁身強度進行計算。

2.1 預制樁承載力計算

根據建筑行業施工經驗和相關技術規范，在復合地基中如果采用預制樁，預制樁在垂直方向上的承載力可以根據剛性樁以摩擦原理提供承載能力的近似方法完成計算，其計算方法如公式（5）所示

式中：參數R表示預制樁近似的剛性樁在垂直方向上承載力的特征值；參數u表示預制樁深入土壤后涉及的土層層數；參數qi表示土質結構中第i層土壤施加給預制樁的摩擦力；參數li表示預制樁關聯的第i層土壤的厚度大??；參數a表示土質結構承載力的折算因子；參數qT表示預制樁端部承載力對應的特征值大??；參數A表示預制樁截面積。

當預制樁作為增強體參與復合地基的建造時，也可以通過破壞實驗對其進行測定，方法如下面的公式所示

式中：參數PY表示破壞實驗法測定的預制樁所能提供的承載力；參數α表示單個預制樁可以提供承載能力的影響因子，需要結合復合地基工程的實際情況進行取值設定；參數β表示預制樁樁間土質結構可以提供承載能力的影響因子，需要結合復合地基工程的實際情況進行取值設定；參數RY2表示樁間土質結構經過一定強化處理后能夠提供的承載力的特征值。

2.2 樁身強度計算

復合地基中對預制樁樁體本身的強度計算也是整個復合地基是否安全的重要工作，只有預制樁樁身通過強度校核，才能在承載過程中不被破壞。對于復合地基中預制樁樁身強度的校核計算，可以采用下面的公式

式中：參數PC代表了預制樁校核樣品所表現出來的抗壓強度；參數α表示單個預制樁可以提供承載能力的影響因子，需要結合復合地基工程的實際情況進行取值設定；參數γm代表了預制樁之上土壤的重度均值；參數d代表了預制樁埋藏的基本深度；參數RZ代表了復合地基整體承載力所對應的特征值。

3 工程項目中預制樁復合地基設計及有限元分析

3.1 工程項目概況

茂名某工程項目屬于城市規劃新建項目，因其地質特征的特殊性在城市建設早期并未作為建筑用地。但隨著城市的擴張、用地需求激增及建筑技術的不斷進步，該項目的開發建設成為可能。工程項目所在區域曾作為城市河道排澇區，該區域內土壤結構分為明顯的6層。

第一層是粉狀特征明顯的土質層，土質粉狀顆粒小而輕，是排澇功能棄用后形成的表層土質，顏色呈現灰黃褐三色間雜，并有相當比例的腐殖質摻雜。

第二層也是粉狀特征明顯的土質層，但土質粉狀顆粒大并有砂礫裹挾其中，土質顏色以灰褐色為主，伴隨少量黃色。因土質構成原因，該層的軟硬度并不均勻。

第三層呈現為淤泥、粉質夾雜的土質層，粉狀物與第二層接近，可能是第二層沉積所致。但因該層有較豐富的含水量，導致部分粉狀土質淤泥化，表現出類似黏土的性質。該層土質顏色呈現出灰色和灰黑色。

第四層呈現出明顯的黏土特征的土層，可塑性好并具備一定的力學強度特征，該層土質顏色呈現出灰色和灰綠色。

第五層呈現出明顯的黏土特征的土層，可塑性和力學強度均較上一層差，該層土質顏色呈現出灰色和黃灰色。

第六層呈現出明顯的黏土特征的土層，可塑性中等、力學強度特征高，該層土質顏色呈現出灰色和黃灰色。

上述6層土質的相關參數見表1。

表1 土質條件參數表

3.2 預制樁地基的位移有限元分析

為了驗證本文設計出的基于預制樁的復合地基是否合理，采用有限元分析的方法，對該項目中的預制樁復合地基進行承載情況下的位移有限元分析，結果分別如圖1、圖2所示。其中，圖1是設計階段的位移變化有限元分析；圖2是校核階段的位移變化有限元分析。

圖1 設計階段的位移變化有限元分析

圖2 校核階段的位移變化有限元分析

從圖1和圖2中的有限元分析結果可以看出，采用了預制樁設計出的復合地基，在滿負載承載力的情況下，垂直方向上的沉降位移為50.69 mm。這一結果，相比于常規樁復合地基的設計結果，垂直方向上的沉降位移減少了26.21%，這充分表明了預制樁技術設計出的復合地基可以有效地減少建筑物垂直方向上的沉降。

另外，從圖1和圖2中給出的有限元分析結果也可以看出，因為預制樁的使用，樁間土質結構也表現出更好的特性，預制樁和樁間土質結構更好配合，不僅減少了垂直方向上的沉降，也使得整個受力面內的位移變化更加均衡。這樣的結果，會大大增加地基結構的安全性，不會因垂直方向上的沉降距離的突然變化產生安全隱患。

3.3 預制樁地基的應力有限元分析

對該項目中的預制樁復合地基進行承載情況下的應力變化進行有限元分析，結果分別如圖3、圖4所示。其中，圖3是設計階段的應力變化有限元分析；圖4是校核階段的應力變化有限元分析。

圖3 設計階段的應力變化有限元分析

圖4 校核階段的應力變化有限元分析

從圖3和圖4中的有限元分析結果可以看出，采用了預制樁設計出的復合地基，能夠承受的最大應力達到0.56 MPa，大大超過了采用常規樁進行的復合地基設計結果。同時，在建筑物實際承載的過程中，預制樁復合地基可以使得應力相對集中，在地基中間部位會出現最大應力的峰值。

4 結論

預制樁復合地基設計技術，相比于常規樁復合地基具有更高的承載能力和安全性，因此對于很多工程項目建設具有重要意義。本文中，首先從理論上分析了復合地基的整體承載能力，并分別考慮了剛性樁和樁間土質結構的承載能力。其次，給出了預制樁復合地基中預制樁的承載能力計算方法，并給出了預制樁樁身強度的校核方法。最后，以茂名某工程項目為研究對象進行了預制樁復合地基的設計并通過有限元方法進行承載性能分析，結果顯示：預制樁復合地基比常規樁復合地基有著更高的承載性能，并可以減少承載后形成的垂直方向的沉降位移，適合于該工程項目的地基建造。