摘要 在对复合桩基工作机理和沉降产生机理分析的基础上,对复合桩基安全系数确定和沉降计算方法进行了分析,对现有设计方法进行了讨论。
关键词 复合桩基 安全系数 承载力 沉降
一、前言
近年复合桩基得到广泛应用。一般地，在如下两种情况下，可考虑采用复合桩基：
（1）天然地基承载力满足要求，沉降过大，采用少量桩以减少沉降。
（2）天然地基承载力与沉降均不能满足要求，采用适量桩补充天然地基承载力不足，同时将沉降减少至沉降限定值以内。
对常规桩基，建筑物荷载被认为主要由桩承担，规范对承载力安全系数已有较为明确的规定。对沉降计算，规范规定，对于桩中心距小于或等于6倍桩径时，其最终沉降量可采用等效作用分层总和法计算。等效作用面位于桩端平面，等效作用面积为桩承台投影面积，取实体基础底面平均附加压力计算等效作用附加应力，等效作用面以下的应力分布采用各向同性均质直线变形体理论。
复合桩基由于桩往往被设计为承担高于单桩承载力标准值的荷载，有时甚至接近或达到单桩极限承载力，桩的荷载-沉降关系已进入明显的非线性阶段，而且，桩中心距往往大于6倍桩径，如筏基柱下布桩、条形基础或筏基墙下布桩，这时，将复合桩基视为实体基础是不恰当的。因此，不能采用现有规范桩基沉降计算方法。由于桩和土共同承担荷载，复合桩基的承载力安全系数涉及到桩和天然地基承载力和各自安全系数的确定，因此，复合桩基的承载力安全系数也不同于常规桩基的安全系数。
二、复合桩基设计分析
1.复合桩基承载力安全系数
通常将复合桩基承载力安全系数K定义为
式中QUP、QUS分别为天然地基总极限承载力和桩总极限承载力；Q为设计荷载；K一般取2。
天然地基极限承载力及安全系数按如下确定：
（1）由载荷试验得到的极限荷载PU除以安全系数2经深、宽修正而得到天然地基承载力设计值；
（2）由各种极限承载力计算公式如太沙基公式、魏锡克公式、汉森公式等计算地基极限承载力，除以安全系数得到地基承载力设计值。安全系数一般取2～3，但不得低于2。表1和表2分别是汉森和魏锡克公式安全系数取值。
桩承载力的安全系数一般取2。
现有的复合桩基安全系数方法一般不考虑桩、土分担比及桩、土各自安全系数取值的影响，常常笼统取2。例如，天然地基承载力采用汉森公式计算，安全系数取3，采用复合桩基，桩分担10%荷载，按式（1），承载力安全系数取2。然而，由于荷载主要被承台底土承担，因而系统安全系数应主要取决于天然地基承载力安全系数，此时复合桩基安全系数仅取2显然是不合理的。
复合桩基中桩往往在高于单桩承载力设计值基于达到或接近单桩极限承载力的条件下工作，因而如采用Mindlin均质土弹性解计算地基土中竖向附加应力以计算其沉降，不能反映复合桩基的工作特点，必须考虑桩在高应力水平下非线性沉降。
现有复合桩基沉降计算方法一般假设当外荷载小于桩极限承载力总和时，外荷载由桩基承担；当外荷载超过桩基极限承载力总和，则采用总荷载减去桩极限承载力总和后的值作为承台反力来计算沉降，桩顶反力达到桩承载力极限值，采用弹性理论来计算土中附加应力分布并计算沉降。然而，国内外几个著名的实测均证明，即使采用较大桩距的复合桩基，当桩不是太少时，桩顶反力并不能达到极限承载力。初步计算结果表明，只有当桩减至足够少时，桩顶反力才接近单桩极限承载力，而此时桩数已可能少于满足复合桩基承载力总体安全度要求的桩数。因此，简单假设外荷载超过单桩极限承载力之和以前桩基土不分担荷载、外荷载超过单桩极限载力总和以后桩在极限承载力下工作并以此计算沉降是不合理的（由于某些原因导致承台与土脱空者除外）。
某工程筏基长59m，宽15m，筏底土为粉质粘土。天然地基承载力设计值200kPa，基底设计荷载为259Pa，拟采用30根有效桩长30.8m的钻孔灌注桩。假设桩顶反力Q分别为单桩极限承载力QU的100%、90%、80%、70%、60%和50%时，采用弹性理论计算复合桩基沉降，见表3。为了进行对比，还计算了ES=5MPa和ES=8MPa的沉降值。
计算结果表明，桩顶反力相对于单桩极限承载力的发挥程度对沉降计算结果影响较大，例如E=6MPa时，假定桩达到极限承载力，建筑物沉降仅96.8mm,说明采用30根桩是可行的,而当桩发挥极限承载力的70%时,即桩分担比为38.2%时,建筑物沉降达到163.2mm,超过了一般高层建筑沉降控制范围,这时,采用30根桩则沉降量过大。ES=6MPa时不同桩顶反力-沉降关系见图1。采用本文程序计算上述算例，当ES=6MPa时，桩顶平均反力为2478.1kN,相当于单桩极限承载力的75.1%,桩分担比为40.9%,平均沉降148.9mm,采用弹性理论计算会得到偏小的沉降,从而使采用的桩数偏少当承台底土压缩性越大时,这样的假设偏差越大。因此,为准确确定沉降量,从而较为准确地确定复合桩基用桩数,建议应采用桩土内共同作用分析进行计算。笔者提出的桩土共同作用分析方法,在计算桩沉降时进一步考虑了复合桩基中桩在高应力水平下非线性工作的特点。
3.1承载力安全系数定义
根据前文分析，复合桩基系统安全系数取值必须考虑桩与土各自极限承载力确定方法和安全系数取值不同，以及桩、土相对作用的大小，建议按下式定义复合桩基承载力安全系数
式中，KSP为复合桩基的承载力安全系数；KS、KP分别为桩间土和桩基承载力安全系数；QS、QP分别为桩间土和桩承担的设计荷载；Q为作用在复合桩基上的设计荷载。式（2）将天然地基和桩基的不用安全系数定义方法和取值统一在一个安全系数中，能够反映天然地基极限承载力不同确定方法及相应安全系数的不同取值，使复合桩基安全系数数与天然地基承载力和桩基承载力安全系数匹配，概念明确。例如，当土分担比为70%，天然地基安全系数KS=2.5，桩安全系数KP=2.0时,复合桩基安全系数为
KSP=2.5×0.7+2.0×0.3=2.35
根据KSP=2.35进行设计,才能保证复合桩基具有与天然地基和桩基安全系数以及桩土分担荷载比例匹配的安全度。
3.2复合桩基非线性沉降计算
复合桩基沉降主要由以下几个部分构成：
（1）土承担承台底面荷载引起的地基沉降；（2）桩承担荷载引起的桩顶沉降；（3）桩-土相互作用引起的地基土压缩和桩沉降；（4）桩-桩相互作用引起相邻桩的桩顶沉降。
由于桩自身荷载在桩侧土中产生的塑性区仅局限在很小的范围内，因此，土承担承台底面荷载引起的地基沉降（1）、桩-土相互作用引起的地基土压缩和桩沉降（3）以及桩-桩相互作用引起的相邻桩沉降（4）可采用弹性理论，利用分层总和法计算，采用地区沉降经验系数进行修正，以反映土成层性、非理想弹性及其他因素的影响。
当不考虑土压缩模量随应水力水平而变化时，采用弹性理论计算的单桩的沉降曲线如图2a所示，其Q-S曲线为一条直线，而实际的单桩Q-S曲线一般为一条曲线，如图2B所示。复合桩基中桩往往被设计承受高于单桩承载力设计值的荷载，与常规桩基相比较，其沉降表现出明显的非线性，而且桩尖处产生较大的变形，目前还没有一个计算公式能全面描述它的大小，采用弹塑性有限元理论进行桩基沉降分析也存在本结构模型的选择与参数模拟的困难，特别是模拟大规模群桩-地基土系统更难做到。Geddes根据Mindlin解得均质土中由于桩端阻力PP和桩册阻力PS在土中产生的附加应力计算公式，不能反映成层土性及以上因素的影响。因此，综合以上分析，笔者建议，对单桩沉降按弹性计算应乘以如下桩基沉降修正系数
如此，解决了单桩非线性沉降计算，综合反映桩侧和桩端土的弹塑性变形和土成层性等因素对单桩沉降计算的影响。采用以上理论编制的有限元分析程序计算结果经与作者的工程实测结果相比较为接近。
四、结语
复合桩基的沉降是一个较为复杂的问题，其中桩在较大桩顶荷载水平下的非线性沉降、桩尖塑性贯入及土成层性的影响导致采用均质土弹性理论计算的沉降与实测沉降之间存在较大差别。本文就复合桩基承载力和沉降计算进行了讨论。必须指出，一些研究采用单桩现场载荷试验Q-S曲线取单桩极限承载力对应的沉降直接用于估算复合桩基沉降，由于现场试桩曲线为短时加载，不能反映长期荷载作用下复合桩基的沉降，因此导致沉降计算结果可能偏小。本文方法亦如此。如能根据建筑物长期沉降推求单桩长期荷载下的荷载-沉降曲线，无疑可提高沉降计算的准确性。
