带伴侣的桩极限承载力初探

薛江炜1，葛忻声1，韩晓娟2
(1. 太原理工大学 太原市建设管理委员会，山西 太原 030009；2. 太原城市职业技术学院，太原 030000)

摘要：桩伴侣是目前正在申报发明专利的桩头的箍与带箍的桩（200710160966.1）由发明人所建议的俗称，本发明提出在桩头侧面上下一设定高度范围设置一闭合环形箍，该箍的内径大于桩头的外径，箍与桩是分开的，桩与桩头的箍通过桩间土和垫层的传力来协同工作，组合成带箍的桩。研究表明，桩伴侣对于极限承载力的贡献主要取决于预留空间的大小，带伴侣的桩的沉降具有明显的收敛性，可采用“止沉”理论进行地基设计。
关键词：桩伴侣；预留空间；止沉
中图分类号：O 319.56 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)01–0001–03



1 发明内容及实施方式
本发明的附图说明如下：图1为地基的横断面示意图，仅标出了桩（1）和箍（2）。

图1 横断面示意图

图2 典型的刚性桩复合地基
图2和图3分别为典型的刚性桩复合地基和桩基础的剖面构造示意图。示例中箍（2）的截面形式为矩形。

图3 典型的桩基础
附图编号说明如下：1、桩 2、箍 3、上部结构 4、垫层 5、预留净空 6、桩承台（基础底板）
箍为闭合环形，其截面形式根据工程需要可以是矩形、三角形、“T”字形或“L”字形、圆形等。按照目前的技术，制作箍的材料首选混凝土，可以预制，也可以现浇，并根据受力和构造情况配置钢筋。预制箍可以消纳一些粉煤灰等活性物质或垃圾等废弃物，与制作预制混凝土桩、垃圾砖的技术类似，只需更换模板便可大批量生产，成本很低。箍的截面形状、外径、内径、高度、施工过程、嵌入桩间土的深度、周边设置垫层的状况等情况根据工程实际采取不同的处理方法，与桩的作用、类型、刚度、桩间距、桩间土性质相协调。为保证箍与桩之间能够协同工作，需要使桩与箍之间有一个相对的位移变形，带箍的桩的桩顶设置压缩量小的褥垫层或压缩量大的柔性垫层或预留沉降空间，使桩相对于箍产生向上的位移，箍通过压缩桩间土和垫层将荷载传递到桩身。如果极端不需要箍向桩顶传递水平荷载，还可在箍与桩头侧面一定高度范围放置压缩量大的缓冲材料预留箍和桩间土与桩头之间的相对水平位移空间，但此时也同时需要在桩顶设置足够高度的柔性垫层或预留空间减小桩顶直接承担的垂直荷载。对于带有承台的桩基础，箍伸入承台内部，承台的钢筋与箍的钢筋相互连接，水平荷载主要由箍来承担。
2 与桩伴侣有关的受力及作用分析
（1）桩是各种竖向增强体的统称，承担竖向荷载是桩的长项，而桩的短处是承担水平荷载的能力弱。水平荷载主要发生在桩的上部，而且桩头处在地基与上部结构的连接位置，其受力状态最复杂，有些类型的桩桩头受力最大，对桩头的施工质量要求也最高。桩伴侣的设置使桩头附近增加了一个受力体，分担一部分荷载，减小了桩头的应力集中，改善受力条件，弥补施工质量缺陷；
（2）箍与桩、桩间土共同分担水平荷载，特别是分担大部分原来需要由桩头承担的水平荷载，克服了竖向增强体承担水平荷载的能力弱的缺点。对于桩基础来说，箍的侧向刚度比桩大很多，可以承担大部分的水平荷载，桩处于带箍的桩的中性点处，混凝土桩可以减小配筋量，甚至可以采用不配钢筋的素混凝土桩；
（3）箍承担部分垂直荷载，并将垂直荷载通过对桩间土和垫层的约束作用以负摩阻力的形式逐渐传递到桩的侧面，同时在一定深度范围内增大对桩侧面的约束。这样，对桩头来说，减小了垂直方向的主应力，增大了另外两个方向的应力，相应提高了材料极限破坏的强度；对桩头以下一定区域的桩身来说，不仅增大了侧面的约束，而且由于箍的分担和传力作用，减小了正、负摩阻力中性点处桩身轴力最大值的峰值。
（4）随着上部荷载的增加，逐步形成桩顶部位的“扩大头”,相当于“支盘”的作用，可提高刚性桩的极限承载力，减小沉降量。此外，箍约束柔性桩在桩顶范围内发生的侧向膨胀，可以大幅度减小地基的沉降变形，提高柔性桩复合地基的承载能力；
（5）箍内土受到上部基础底板、周围箍和下部桩的刚性约束，处于三向受力状态，可以极大地提高箍内土的极限极限承载力；
（6）箍加大了桩顶面积，减少了桩顶对基础地板的冲切力，可以增大基础底板的刚度，减小基础地板的厚度，带箍的桩可以应用更大的桩间距和更薄的垫层，这些因素都可以降低工程造价。

3 桩伴侣的施工方式及对应的承载力-沉降量曲线
3.1 典型施工方式
3.1满铺褥垫层（预留空间小）
在缺乏工程实践的情况下，为了与现行规范和常规做法衔接，对于采用刚性桩的复合地基，可在平整桩头以后将桩伴侣摆放到桩头的周围，然后铺设褥垫层，由于桩伴侣可以减小桩向上刺入对基础底板造成的冲切，褥垫层的厚度可以薄一些，建议取100mm即可。
（2）局部褥垫层
采用大型机械开挖至距离桩顶0.5米，然后在桩头周围人工开挖一个环形坑，整平桩头至设计标高，放置高度为0.5米至1米的预制桩伴侣，以毛砂或碎石填充坑内空隙。也可填充柔性垫层预留桩顶沉降空间。
（3）不设褥垫层（预留空间大）
大型机械开挖，至距离桩顶1米，人工或者小型机械围绕桩、距离桩一定距离开挖沟槽1-1.5米（即为桩伴侣的高度），现浇或放置桩伴侣，打垫层、作防水，铺设底板。
以上三种施工方式，均可以使土先于土中的桩承受上部竖向荷载，桩顶距离基础底板的距离越大，则土分担的竖向荷载也越多，沉降值越大，基础底板下的土也越密实。由于桩伴侣在基础底板上形成了大量的凹凸（可以形象地看成把基础底板由平底鞋变成了带有凹凸的运动鞋），极大地增大了基底摩阻力，大大减少了地基发生整体剪切或局部剪切破坏的概率，在建筑物建造早期，沉降表现为冲剪破坏的特征，沉降值也很大，当沉降到达一定程度，土也充分得到上部静力荷载的密实，桩逐渐开始发挥作用，迅速“止沉”，这样，在整个项目周期，地基沉降在施工阶段完成一大部分，装修或设备调试阶段全部完成，后期使用阶段几乎无沉降，就可以既省钱又不影响正常使用。
3.2 带伴侣的桩理论承载力-沉降量曲线
图4 带伴侣的桩理论承载力-沉降量曲线
如图4所示，当采用预留空间大的施工工艺时，由于桩顶与基础底板距离较大，在加载初期荷载无法通过桩传递到下层土，且由于桩伴侣的作用，地基沉降倾向于表现为冲剪（刺入）破坏的模式，初始沉降很大，地基的变形模量逐渐减小，如果按照常规的规范，甚至可以判定为地基已经失效。
然而，带伴侣的桩的沉降是能够收敛的。随着冲剪（刺入）达到一定深度，地基的变形模量达到极小值，随后，桩开始发挥“止沉”的作用，地基的变形模量开始逐渐增大，甚至大于地基的初始模量，表明密实的地基土与桩开始共同作用。在图4所示的A点以前（上），可以看作是地基土的预压阶段，在预压阶段，上部荷载相当于预压的堆载，将地基土充分密实，承载力得到提高，桩与桩伴侣之间的地基土处于三向应力，抗压极限强度可以达到单向受压极限强度的十倍以上。在A点以后（下），带伴侣桩的承载力-沉降量曲线与单独的桩类似，荷载由桩传递到下部土层，下部土层提供了桩身的摩阻力和桩端的端层力，此时，带伴侣桩的极限承载力可取为图4中的B点。
而当采用预留空间小的施工工艺时，在静载荷试验非常精确的情况下，也会出现地基的变形模量收敛的现象，考虑到这一因素，复合地基承载力的取值可以比常规的规范有所提高，如可取为图4中的D点，此时，理论上的桩间土参与系数会大于1，可理解为桩伴侣对承载力的贡献。B点与D点之间BD段的承载力差值是由于土的变形沉降量不同带来的。由此可见，桩伴侣对于极限承载力的贡献取决于预留空间的大小。

图5 承载力-沉降量曲线对比图

如图5 所示，采用预留沉降小的施工工艺时，带伴侣桩的承载力-沉降量曲线与带褥垫层的刚性桩复合地基接近，同时由于桩伴侣的贡献，带伴侣桩的曲线处于带褥垫层的刚性桩复合地基的上方。桩伴侣对承载力的贡献，取决于桩伴侣的大小，当桩伴侣足够大时，桩伴侣就相当于薄壁筒桩，可以不再需要桩而独立承担上部荷载。
由于褥垫层的“流动补偿”作用，铺设褥垫层的复合地基的破坏模式与浅基础接近，发生整体剪切破坏的可行性较大，根据太沙基承载力理论的假设条件，基底与土之间摩擦力阻止了在基底处剪切位移的发生，因此，直接在基底下的土不发生破坏而处于弹性平衡状态——弹性核，此时，桩间土的承载力无法得到充分发挥，由此不难理解规范规定刚性桩复合地基桩间土的发挥系数最低只有0.65。
3.1反应建设项目全寿命期的时间-沉降量曲线
如图5所示，如果考虑土的作用，光杆桩在发生刺入破坏后也能有一定的“收敛”，主要依靠已经屈服破坏的桩端土的应力扩散与变形，而桩间土可以看作是与刚性桩并联的土弹簧，其变形模量与桩相比相差几个数量级，作用非常有限，从这个角度理解，减沉桩理论在概念上没有“止沉”理论的可靠度高。
在图6所示的反应建设项目全寿命期的时间-沉降量曲线中，横坐标时间同时包含了荷载的参数，近似于一条缓慢加载的P-S曲线，同时包含了地基土蠕变的影响因素。
图6 反应建设项目全寿命期的时间-沉降量曲线

典型的桩基础的T-S曲线如靠上的一条曲线所示，由于桩与土发挥承载能力所需要的变形量的差异，荷载绝大部分会通过刚性桩传递到深层土体，在图中，上部结构完工后，沉降量只完成了最终沉降量的大约15%，之后，由于桩底端、桩下部土层所受到附加应力的增大而逐渐发生变形，引起下层地基土的沉降变形增大，从而带动上层地基土与桩共同下沉。在下沉过程中，往往地基土的下沉速度要高于桩的下沉速度，上层的地基土相对于桩来说发生了向下的位移变形，从而对桩侧造成向下的负摩阻力。桩上段的负摩阻力仍然需要桩底端和桩下部的土层来平衡，进一步增大了底层土体的附加应力和变形。底层土体由于长期处于高应力状态，还会产生长期的蠕变变形，因此，在入住使用很长一段时间后沉降仍然没有停止。
人为创造的T-S曲线如靠下的一条曲线所示，通过对桩或土人为制造的缺陷或加强，在加载初期，仅利用其中之一甚至当中的一部分承担上部的绝大部分荷载，例如，通过桩顶预留沉降、桩头设置位移调节装置、桩底设置柔性桩体等措施，使桩在加载初期不受力，或者仅承受较小的荷载且能够与地基土共同沉降，促使上部的地基土承受较多的荷载而发生较大的沉降变形，甚至可以达到或超过地基土的极限承载能力。产生足够的沉降以后，桩才开始与基础底板或下部持力土层接触，接触以后，桩的承载特性得以体现，能够迅速控制沉降。在图6中，上部结构完工后，沉降量就已完成了最终沉降量的大约70%，装修过程中就达到了90%以上，而在入住使用以后就基本上没有沉降了。地基沉降的尽早节结束，有利于建筑物的正常使用，对于安装进出建筑物、与建筑物相联的各种管线以及建筑标高的确定，都有好处。
由此可以看出，在用桩量相同的情况下，人为创造曲线与典型桩基曲线的总沉降量比较接近，但人为创造曲线却不会正常使用产生不利影响。人为创造T-S曲线最理想的技术措施是“桩伴侣”，是桩伴侣与桩组合而成的“带伴侣的桩”（图7）。

图7 “带伴侣的桩”三维效果图
参考文献(References)：
[1] 知识产权局 http://www.sipo.gov.cn/sipo/
[2] 佚名 来自互联网的检索
[3] 郑刚,高喜峰,任彦华,吴永红. 承台（基础-桩不同构造形式下桩土相互作用分析[J].岩土工程学报.2004(5)
[4] 郑刚，顾晓鲁．对刚性桩复合地基承载力检验方法的辨析[J]．建筑结构学报 2001，22(1)：93—96．
[5] 郑刚．刚性桩复合地基承载力的确定问题 [J]．地基处理2002，13(4)：44—55．
[6] 郑刚,张慧东,刘双菊.承台(基础)一桩不同构造形式下桩土相互作用分析[J]．工业建筑.2006（6）

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