龔曉南，陳張鵬

(浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心，杭州 310058)

0 前言

改革開放促進(jìn)了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)土木工程建設(shè)發(fā)展迅速。在地基基礎(chǔ)工程領(lǐng)域，結(jié)合工程建設(shè)實(shí)踐，我國(guó)工程技術(shù)人員發(fā)展了許多新技術(shù)、新理論，使得地基基礎(chǔ)工程理論和技術(shù)水平不斷提高。在眾多新技術(shù)和新理論中，本文就復(fù)合地基形成條件、復(fù)合地基在基礎(chǔ)工程中的地位、復(fù)合樁基、復(fù)合樁基與復(fù)合地基的關(guān)系、樁的植入技術(shù)、巖土工程按變形控制設(shè)計(jì)理論等問(wèn)題談?wù)劰P者的觀點(diǎn)和思考，拋磚引玉，希望能展開討論，共同促進(jìn)地基基礎(chǔ)工程新技術(shù)、新理論不斷發(fā)展。

1 復(fù)合地基的形成條件

復(fù)合地基因其能較好地發(fā)揮增強(qiáng)體和天然地基土體的承載潛能而具有較好的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。復(fù)合地基已經(jīng)在我國(guó)各地工程中得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

樁體復(fù)合地基的本質(zhì)是樁和樁間土共同直接承擔(dān)荷載[1-2]。如果在荷載作用下，樁體與地基土體不能共同直接承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載，或者在荷載作用下，地基土體不能與樁體共同直接承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載，此時(shí)地基中設(shè)置的樁體與地基土體不能形成復(fù)合地基。

如何保證在荷載作用下，增強(qiáng)體與天然地基土體能夠共同直接承擔(dān)荷載的作用？在圖1中，Ep>Es1，Ep>Es2，其中Ep為樁體壓縮模量，Es1為樁間土壓縮模量，圖1(a)，(d)中Es3為加固區(qū)下臥層土體壓縮模量，圖1(b)中Es2為加固區(qū)墊層土體壓縮模量。散體材料樁在荷載作用下產(chǎn)生側(cè)向鼓脹變形，能夠保證增強(qiáng)體和地基土體共同直接承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載。因此當(dāng)增強(qiáng)體為散體材料樁時(shí)，圖1中各種情況均可滿足增強(qiáng)體和土體共同承擔(dān)上部荷載。然而，當(dāng)增強(qiáng)體為黏結(jié)材料樁時(shí)情況就不同了。在圖1(a)中，荷載作用下剛性基礎(chǔ)下的樁和樁間土沉降量相同，這可保證樁和樁間土共同直接承擔(dān)荷載。在圖1(b)中，樁落在不可壓縮層上，且在剛性基礎(chǔ)下設(shè)置一定厚度的柔性墊層。一般來(lái)說(shuō)在荷載作用下，通過(guò)剛性基礎(chǔ)下柔性墊層的協(xié)調(diào)，也可保證樁和樁間土兩者共同承擔(dān)荷載。但需要注意分析柔性墊層對(duì)樁和樁間土的差異變形的協(xié)調(diào)能力及樁與樁間土之間可能產(chǎn)生的最大差異變形兩者的關(guān)系。如果樁和樁間土之間可能產(chǎn)生的最大差異變形超過(guò)柔性墊層對(duì)樁和樁間土的差異變形的協(xié)調(diào)能力，則雖然在剛性基礎(chǔ)下設(shè)置了一定厚度的柔性墊層，在荷載作用下，也不能保證樁和樁間土始終能夠共同直接承擔(dān)荷載。在圖1(c)中，樁落在不可壓縮層上，而且未設(shè)置墊層。在剛性基礎(chǔ)傳遞的荷載作用下，開始時(shí)增強(qiáng)體和樁間土體中的豎向應(yīng)力大小大致上按兩者的模量比分配，但是隨著土體產(chǎn)生蠕變，土中應(yīng)力不斷減小，而增強(qiáng)體中應(yīng)力逐漸增大，荷載逐漸向增強(qiáng)體轉(zhuǎn)移。若Ep?Es1，則樁間土承擔(dān)的荷載比例極小。特別是若遇地下水位下降等因素，樁間土體進(jìn)一步壓縮，其可能不再承擔(dān)荷載。在這種情況下增強(qiáng)體與樁間土體兩者難以始終共同直接承擔(dān)荷載，也就是說(shuō)樁和樁間土不能形成復(fù)合地基以共同直接承擔(dān)上部荷載。在圖1(d)中，復(fù)合地基中增強(qiáng)體穿透最薄弱土層，落在相對(duì)好的土層上，Es3>Es1。在這種情況下，應(yīng)重視Ep，Es1和Es3三者之間的關(guān)系，保證在荷載作用下通過(guò)樁體和樁間土變形協(xié)調(diào)來(lái)保證樁和樁間土共同承擔(dān)荷載。因此采用黏結(jié)材料樁，特別是對(duì)采用剛性樁形成的復(fù)合地基，需要重視對(duì)復(fù)合地基的形成條件的分析。

圖1 復(fù)合地基形成條件示意圖

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50783—2012)[3]第3.0.4條規(guī)定：“在復(fù)合地基設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)各類復(fù)合地基的荷載傳遞特性，保證復(fù)合地基中樁體和樁間土在荷載作用下能夠共同承擔(dān)荷載”。復(fù)合地基中樁體采用剛性樁時(shí)應(yīng)選用摩擦型樁。當(dāng)?shù)鼗幚碇械臉扼w采用端承樁時(shí)，就很難保證在荷載作用下樁和樁間土共同直接承擔(dān)荷載。即使鋪設(shè)一定厚度的柔性墊層，也要分析柔性墊層對(duì)樁和樁間土的差異變形的協(xié)調(diào)能力以及樁和樁間土之間可能產(chǎn)生的最大差異變形兩者的關(guān)系。如果樁和樁間土之間可能產(chǎn)生的最大差異變形超過(guò)柔性墊層對(duì)樁和樁間土的差異變形的協(xié)調(diào)能力，即使設(shè)置了一定厚度的柔性墊層，在荷載作用下，也不能保證樁和樁間土始終能夠共同直接承擔(dān)荷載，即無(wú)法形成復(fù)合地基。對(duì)此不少工程師和專家不夠重視，甚至存在錯(cuò)誤概念。

在實(shí)際工程中設(shè)置的增強(qiáng)體和樁間土體不能滿足形成復(fù)合地基的條件，而以復(fù)合地基理念進(jìn)行設(shè)計(jì)是不安全的。將不能直接承擔(dān)荷載的樁間土承載力計(jì)算在內(nèi)，高估了承載能力，降低了安全度，可能造成工程事故，應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的充分重視。

2 復(fù)合地基在基礎(chǔ)工程中的地位

復(fù)合地基理論和工程應(yīng)用近年來(lái)發(fā)展很快，復(fù)合地基技術(shù)在我國(guó)建筑工程、交通工程和市政工程等土木工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，復(fù)合地基在我國(guó)已成為一類重要的地基基礎(chǔ)形式。在我國(guó)已形成復(fù)合地基理論和工程技術(shù)應(yīng)用體系?？陀^評(píng)價(jià)復(fù)合地基在基礎(chǔ)工程中的地位，對(duì)復(fù)合地基合理定位，既有利于進(jìn)一步擴(kuò)大復(fù)合地基技術(shù)的應(yīng)用，也有利于復(fù)合地基理論的進(jìn)一步發(fā)展。

淺基礎(chǔ)、復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)已經(jīng)成為工程中常用的三種地基基礎(chǔ)形式。下文分析淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和樁體復(fù)合地基的荷載傳遞機(jī)理和基本特征。

圖2～4分別為淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基的示意圖。在圖2所示的淺基礎(chǔ)中，上部結(jié)構(gòu)荷載是通過(guò)基礎(chǔ)板直接傳遞給地基土體的。圖3(a)，(b)分別表示端承樁基礎(chǔ)和摩擦樁基礎(chǔ)。按照經(jīng)典樁基理論，在圖3(a)所示的端承樁基礎(chǔ)中，上部結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)基礎(chǔ)板傳遞給樁體，再依靠樁的端承力直接傳遞給樁端持力層。不僅基礎(chǔ)板下地基土不傳遞荷載，而且樁側(cè)土也基本上不傳遞荷載。在圖3(b)所示的摩擦樁基礎(chǔ)中，上部結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)基礎(chǔ)板傳遞給樁體，再通過(guò)樁側(cè)摩阻力和樁端端承力傳遞給地基土體，而以樁側(cè)摩阻力為主。經(jīng)典樁基理論不考慮基礎(chǔ)板下地基土直接對(duì)荷載的傳遞作用。雖然客觀上大多數(shù)情況下摩擦樁樁間土是直接參與共同承擔(dān)荷載的，但在計(jì)算中是不予以考慮的。圖4(a)，(b)分別表示設(shè)墊層和不設(shè)墊層的兩類復(fù)合地基。在圖4(a)所示的復(fù)合地基中，上部結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)基礎(chǔ)板直接同時(shí)將荷載傳遞給樁體和基礎(chǔ)板下地基土體。對(duì)散體材料樁，由樁體承擔(dān)的荷載通過(guò)樁體鼓脹傳遞給樁側(cè)土體和通過(guò)樁體傳遞給深層土體。

圖2 淺基礎(chǔ)示意圖

圖3 樁基礎(chǔ)示意圖

圖4 樁體復(fù)合地基示意圖

對(duì)黏結(jié)材料樁由樁體承擔(dān)的荷載則通過(guò)樁側(cè)摩阻力和樁端端承力傳遞給地基土體。圖4(b)與圖4(a)不同的是由基礎(chǔ)板傳遞來(lái)的上部結(jié)構(gòu)荷載先通過(guò)墊層再直接同時(shí)將荷載傳遞給樁體和墊層下的樁間土體。墊層的效用不改變樁和樁間土同時(shí)直接承擔(dān)荷載這一基本特征。

由以上分析可以看出，淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基的分類主要是考慮了荷載傳遞路線。荷載傳遞路線也是上述三種地基基礎(chǔ)形式的基本特征。簡(jiǎn)言之，對(duì)淺基礎(chǔ)，荷載直接傳遞給地基土體；對(duì)樁基礎(chǔ)，荷載通過(guò)樁體傳遞給地基土體；對(duì)復(fù)合地基，荷載一部分通過(guò)樁體傳遞給地基土體，一部分直接傳遞給地基土體。

通過(guò)分析淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基在荷載作用下的荷載傳遞路線和傳遞規(guī)律可以進(jìn)一步較好地認(rèn)識(shí)復(fù)合地基的本質(zhì)，并獲得淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基三者之間的關(guān)系，可以認(rèn)為樁體復(fù)合地基介于淺基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)之間，如圖5所示。淺基礎(chǔ)、復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)三者之間并不存在嚴(yán)格的界限，是連續(xù)分布的。復(fù)合地基置換率等于0時(shí)就是淺基礎(chǔ)。復(fù)合地基中樁的荷載分擔(dān)比等于1時(shí)就是樁基礎(chǔ)。若復(fù)合地基中不考慮樁間土的承載力，復(fù)合地基承載力計(jì)算與樁基礎(chǔ)相同。摩擦樁基礎(chǔ)中若能考慮樁間土直接承擔(dān)荷載的作用，也可屬于復(fù)合地基[4-5]。或者考慮樁土共同作用，也可將其歸屬于復(fù)合地基。復(fù)合樁基是一種樁基礎(chǔ)，也可以認(rèn)為是一種復(fù)合地基。

圖5 淺基礎(chǔ)、復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)之間關(guān)系示意圖

3 復(fù)合樁基及其與復(fù)合地基的關(guān)系

在傳統(tǒng)的樁基理論中，出于以下原因一般不考慮摩擦樁基中樁間土直接參與承擔(dān)荷載：1)不知如何評(píng)估樁和樁間土直接共同承擔(dān)荷載的條件；2)在樁和樁間土能共同承擔(dān)荷載條件下，不知如何計(jì)算樁土分擔(dān)荷載的比例；3)考慮大部分條件下，樁間土所承擔(dān)荷載的比例較小。

隨著樁基礎(chǔ)理論的發(fā)展和實(shí)踐的開展，許多學(xué)者從不同角度出發(fā)不斷探討了如何讓樁間土也能直接承擔(dān)部分荷載。管自立提出了“疏樁基礎(chǔ)”的概念[6]；黃紹銘等提出了“減小沉降量樁基”的概念[7]；劉金礪等通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探討研究了樁土共同作用[8]。這些概念不斷碰撞、融合、發(fā)展，形成了復(fù)合樁基的概念，即：在荷載作用下，樁和樁間土同時(shí)直接承擔(dān)荷載的樁基礎(chǔ)稱為復(fù)合樁基。復(fù)合樁基不同于傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)，而是樁基礎(chǔ)理論和實(shí)踐的擴(kuò)展與發(fā)展，已經(jīng)超越了經(jīng)典樁基礎(chǔ)的概念。在《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[9]中復(fù)合樁基稱為軟土地基減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)。

在復(fù)合樁基的發(fā)展中，采用長(zhǎng)短不一的樁形成長(zhǎng)短樁復(fù)合樁基。當(dāng)長(zhǎng)短樁復(fù)合樁基中長(zhǎng)樁和短樁采用不同材料時(shí)，短樁常采用地基處理加固形成的水泥土樁、石灰樁和散體材料樁。然而這些樁并不屬于樁基礎(chǔ)。在這類長(zhǎng)短樁復(fù)合樁基中，可以理解為由水泥土樁、石灰樁和散體材料樁等增強(qiáng)體與天然地基形成復(fù)合地基，復(fù)合地基與樁形成復(fù)合樁基。這類長(zhǎng)短樁復(fù)合樁基也稱為剛?cè)嵝詷稄?fù)合樁基。復(fù)合地基中也有長(zhǎng)短樁復(fù)合地基，楊軍龍等通過(guò)數(shù)值模擬研究了長(zhǎng)短樁復(fù)合地基中的機(jī)理[10]，并提出了與之相應(yīng)的沉降計(jì)算模式和計(jì)算方法[11]?？梢园l(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)短樁復(fù)合樁基與長(zhǎng)短樁復(fù)合地基有許多類同之處，特別是剛?cè)嵝詷稄?fù)合地基。

復(fù)合樁基的本質(zhì)與復(fù)合地基的本質(zhì)是一樣的，都是考慮樁間土與樁體共同直接承擔(dān)荷載。同復(fù)合地基一樣，如果不能保證樁和樁間土能夠同時(shí)直接承擔(dān)荷載，復(fù)合樁基被視為是偏不安全的。所以在復(fù)合樁基理論和實(shí)踐的發(fā)展中，要十分重視形成復(fù)合樁基的條件。

目前學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)于復(fù)合樁基是屬于復(fù)合地基還是屬于樁基礎(chǔ)是有爭(zhēng)議的。正如前述，淺基礎(chǔ)、復(fù)合地基與樁基礎(chǔ)三者之間并不存在嚴(yán)格的界限，因此筆者認(rèn)為既可以將復(fù)合樁基視作樁基礎(chǔ)，也可將其視為復(fù)合地基的一種形式。目前最重要的是對(duì)復(fù)合樁基的本質(zhì)、形成條件、承載力、變形特性以及其與傳統(tǒng)樁基之異同進(jìn)行研究，為復(fù)合樁基之后在工程中的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

4 樁的植入技術(shù)

以往，預(yù)制樁一般采用錘擊法或靜壓法在地基中設(shè)置。采用錘擊法或靜壓法在地基中設(shè)置樁，因存在擠土效應(yīng)，對(duì)環(huán)境影響大，而且錘擊法噪聲大，不適宜在城市中采用。采用錘擊法或靜壓法設(shè)置樁還會(huì)遇到復(fù)雜地層難以穿透的問(wèn)題。采用鉆孔灌注法在地基中設(shè)置樁，泥漿排放對(duì)環(huán)境影響大，而且有時(shí)施工質(zhì)量難以保證。采用植入法在地基中設(shè)置樁可以解決采用錘擊法和靜壓法在地基中設(shè)置樁可能產(chǎn)生的環(huán)境影響問(wèn)題，也可以解決采用鉆孔灌注法在地基中設(shè)置樁可能產(chǎn)生的樁施工質(zhì)量難以保證的問(wèn)題。近年來(lái)，我國(guó)引進(jìn)、發(fā)展了多種樁的植入技術(shù)。下面簡(jiǎn)要介紹一種新型的預(yù)制樁植入法：靜鉆根植工法[12]。

靜鉆根植工法主要包括鉆孔、樁端擴(kuò)底、樁端水泥漿注入、樁周水泥漿注入與拔樁、植入預(yù)制樁五個(gè)施工步驟，如圖6所示。圖7為靜鉆根植樁的示意圖。

圖6 靜鉆根植工法主要施工流程

圖7 靜鉆根植樁示意圖

靜鉆根植工法具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。靜鉆根植樁中，樁周水泥土應(yīng)力較小，作為傳遞荷載的過(guò)渡層，能顯著改善樁土界面的摩擦性質(zhì)，使其樁側(cè)摩阻力能達(dá)到灌注樁的1.05～1.20倍。同時(shí)，樁端水泥土擴(kuò)大頭的存在，能夠較大幅度提高樁端承載性能。因此，相比于鉆孔灌注樁，靜鉆根植樁承載性能更好，在同等性能下，靜鉆根植樁的造價(jià)低于鉆孔灌注樁。因?yàn)椴恍枰蛘邇H需要少量泥漿護(hù)壁，靜鉆根植工法施工過(guò)程中泥漿排放量大幅減少。同時(shí)靜鉆根植樁能減少混凝土用量和施工用水量。靜鉆根植竹節(jié)樁的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于鉆孔灌注樁，值得推廣應(yīng)用。

5 變形控制設(shè)計(jì)理論

在建筑基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)中，按變形控制設(shè)計(jì)通常稱為按沉降控制設(shè)計(jì)。在基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，按變形控制設(shè)計(jì)要求在最不利工況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生超過(guò)變形控制量的變形?？傮w來(lái)說(shuō)，變形控制設(shè)計(jì)理論要求將變形控制作為首要設(shè)計(jì)目標(biāo)，先滿足變形的要求，再對(duì)穩(wěn)定(承載力)進(jìn)行驗(yàn)算。

發(fā)展巖土工程按變形控制的設(shè)計(jì)理論是工程建設(shè)發(fā)展的需要，越來(lái)越多的工程要求按變形控制設(shè)計(jì)。按變形控制設(shè)計(jì)有利于控制工后沉降，有助于控制巖土工程施工對(duì)周圍環(huán)境的影響。發(fā)展巖土工程按變形控制的設(shè)計(jì)理論對(duì)巖土工程變形計(jì)算理論和方法提出了更高的要求。按沉降控制設(shè)計(jì)要求提高沉降計(jì)算的精度，要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使工程設(shè)計(jì)更為合理[13]。

近年來(lái)，巖土工程按變形控制的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)計(jì)算方法發(fā)展較快，并取得了不少進(jìn)展，但尚未形成系統(tǒng)，缺乏較成熟的巖土工程按變形控制的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。后續(xù)巖土工程技術(shù)人員應(yīng)重視發(fā)展巖土工程按變形控制的設(shè)計(jì)理論，不斷提高巖土工程技術(shù)水平。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)在復(fù)合地基設(shè)計(jì)和施工中要重視復(fù)合地基的形成條件。如果在荷載作用下，樁體與地基土體不能共同直接承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載，此時(shí)地基中設(shè)置的樁體與地基土體不能形成復(fù)合地基。將不能直接承擔(dān)荷載的樁間土承載力計(jì)算在內(nèi)，高估了地基承載能力，降低了安全度，可能造成工程事故，應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的充分重視。

(2)復(fù)合地基理論和工程應(yīng)用體系的形成發(fā)展了基礎(chǔ)工程理論，淺基礎(chǔ)、復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)已經(jīng)成為工程中常用的三種地基基礎(chǔ)形式。

(3)復(fù)合樁基不同于傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)，是樁基礎(chǔ)理論和實(shí)踐的擴(kuò)展與發(fā)展。復(fù)合樁基與復(fù)合地基兩者的本質(zhì)是一樣的，都是考慮樁間土與樁體共同直接承擔(dān)荷載。同復(fù)合地基一樣，如果不能保證樁和樁間土能夠同時(shí)直接承擔(dān)荷載，而將其視為復(fù)合樁基進(jìn)行設(shè)計(jì)是偏不安全的。所以在復(fù)合樁基理論和實(shí)踐的發(fā)展中，也要十分重視形成復(fù)合樁基的條件。

(3)采用植入法在地基中設(shè)置樁可以解決采用錘擊法和靜壓法在地基中設(shè)置樁可能產(chǎn)生的環(huán)境影響問(wèn)題，也可以解決采用鉆孔灌注法在地基中設(shè)置樁可能產(chǎn)生的樁施工質(zhì)量難以保證的問(wèn)題。近年來(lái)，我國(guó)引進(jìn)、發(fā)展了多種樁的植入技術(shù)。

(4)工程建設(shè)對(duì)變形要求越來(lái)越高，應(yīng)重視發(fā)展巖土工程按變形控制的設(shè)計(jì)理論，不斷提高巖土工程技術(shù)水平。