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作者：王鎖軍
北京藍圖工程設計有限公司
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地基基礎設計思考與實踐（八）
——複合地基的拙見
幾個月前，很多人巖土和結構師對複合地基的褥墊層的作用展開了激烈的爭論。我其實對這個問題很早就有困惑，這篇文章談談我個人的觀點。
一：承臺下的樁土受力
見下圖，兩種情況分別叫複合地基及複合樁基（單樁及周圍土的共同作用叫複合基樁），如果複合基樁不考慮樁間土的作用時，就是不考慮承臺作用的樁基礎。
以最近我審圖的一個項目做案例。本建築為33層100米高層住宅，地基反力標準組合為520 kpa，原設計為鋼筋混凝土灌注樁，樁徑600，樁距1.8米，樁長29米，單樁承力特徵值為1900KN。後調整改用CFG復地基，樁間距1.2米，方形布置，樁長18米，單樁承載力760 kpa。
分別按規範計算各種情況地基（樁基）的承載力，如下：
（1）鋼筋混凝土樁基折合每平米承載力：
1900/=586 kpa。
（2）複合樁基折合每平米承載力:
（1900+0.18X150X(1.8X1.8-0.283))/(1.8X1.8)=611 kpa
增加了約4%，可以忽略。
複合基樁承載力計算公式：
其中見下表：
本項目是筏基，樁是均勻布置的，並不符合上表中的注3的要求，實際上應該按0.06~0.08取值，土的作用幾乎沒有。
（3）複合地基承載力計算如下為fska=577kpa。
計算沉降值不超過25mm,遠小於規範的200 mm。
（4）按CFG不加褥墊的複合基樁承載力
折算每平米承載力為795/1.44=552 kpa。
與按複合地基的計算方法相差少了(577-552)/577=4%。
（5）樁基承載力
折合每平米為： kpa,比複合地基承載力少了（577-528）/577=8.5%。
二：關於複合地基與複合基樁的討論
從上述計算可以看出，幾種計算方法的差別並不是很大。也就是說按規範計算來說，都可以滿足承載力的要求。
但是，如果採用複合地基（加上褥墊層），樁就可以採用素混凝土樁了，而如果取消褥墊層，基礎就是樁基了，樁基是不允許採用素混凝土樁的，只能採用鋼筋混凝土樁。但採用鋼筋混凝土樁的造價比素混凝土樁要大的多了，施工難度也很大。
因此，如果採用灌注樁的話（地勘分別提供了CFG複合地基及鋼筋混凝土灌注樁方案），採用直徑400的直徑這麼小不合理，原設計採用的是600直徑20米長樁，間距1800是正常的，但造價比CFG複合地基高不少。
單純從樁的承載力計算公式上看，素樁與鋼筋混凝土樁都是樁側摩阻和樁端承載力，和鋼筋沒關係。但為什麼加了褥墊就可以不配鋼筋，而不加就必須配鋼筋呢？
三：複合地基的褥墊層
看起來複合地基的褥墊層是一個關鍵，我們概念分析下褥墊層的受力機理，見下圖：
1、相對於無褥墊的樁基（或複合樁基），複合地基中的樁刺入褥墊層，減少了樁的沉降，相應的減少了樁的應力的分擔，但增加了土的承擔的比重。總變形一定大於樁基（或複合基樁）的,這是以增大沉降為代價的，但是當這樣的有限的增大對建築的影響很小時，就可以忽略，而專門考慮土分擔荷載增加的好處了。
2、上述分別進行了加褥墊和複合基樁、樁基的計算。其實不管任何理論，除非不穩定土下沉脫離承臺（不在我們的討論範圍），樁土一定是共同作用的，只是我們如何考這種作用。
單樁荷載實驗時土並沒有受到表面壓力的作用，和實際受力有所不同。
3、土受壓時沉降，減少了樁側壁的側阻力，土的沉降應變是上大下小，上端會減小側阻，下部減小的相對就少。但土受壓時產生了土的橫向壓力又增加了樁的側阻力，同樣上部橫向側力較大下部較小。所以兩相利弊抵消一部分，最終是利是弊說不清，可能對樁的承載力的影響很小，可以忽略不計（個人理解，巖土專家是否有關的研究）。
考慮土的承載力後，毫無疑問從計算上就會提高複合基樁的承載力。規範公式 中的應該做了很大的折減。使土的承載力的佔比很小，不到5%，實際上完全可以忽略了。上述算例，造成樁間土佔比很小，真的這樣小嗎？
看下表：
當樁距大於6倍的樁徑時，該係數最大可達到0.80，接近於複合地基的係數。對於特別疏的樁，考慮樁間土作用複合基樁和複合地基計算值應該基本相同，這和是否設置褥墊沒有關係，也就是說不管設置褥墊與否，計算結果很接近。
對比下面的兩個公式：
複合地基：
複合樁基：
複合地基減少了樁基的承載力，也減少了地基土的承載力
複合樁基僅僅減少了地基土的承載力
實際本質上都是土的共同作用，只是各自組合的大小而已。很多算例中，對於承載力較大的非疏樁，兩者的計算結果相近，應該不會超過10%。
4、複合地基因為褥墊層的調節作用，土的荷載相對於複合基樁變大了， 其中的一般取0.9~1.0，這是土的作用的那部分，遠遠大於複合樁基表中的0.06~0.8。
褥墊的調節一定會增加土承擔的比例，但真的有這麼大作用導致一個係數是0.18，一個是0.95這樣大的差別嗎？我覺的不是，應該是兩種理論設計理念的問題，一個初衷就要利用土的承載力，所以不能採用過小的係數，而另一個是本來就是樁基不考慮土的作用的，但不考慮又說不通，所以就適當考慮些。
複合地基的樁的承載力也做了折減，一般來說按複合地基總的承載力大於複合樁基及樁基的承載力，上面的案例分別大於4%及8.5%，但差別不大。也就是說對於剛性樁來說，按複合地基與複合基樁或樁基的承載力計算差別不大。差別大的是複合地基的剛性樁可以採用素混凝土樁，而樁基是不允許的。這也許就是採用複合地基比較經濟的主要原因？
有人說有的設計人員為了節約，採用大直徑剛性樁的複合地基（沒見到過具體的算例資料），但從上述分析來看，按複合地基計算的地基承載力和樁基的地基承載力相差不大，但為什麼還要往複合地基上靠呢？我覺的可能為了採用素混凝土樁吧。
四：複合地基與複合樁基的水平抗力
1、因為地基較軟無論強度和變形都不能滿足設計要求時，所以採用樁基。一般建築採用樁基的目的是因為垂直荷載而不是水平荷載。但採用了鋼筋混凝土樁，樁筋錨入基礎底板或承臺，當建築承受水平荷載的時候，本來由地基與基礎摩擦力和四周圍土完全可以承受的水平力，讓樁承擔了一部分，並且因為混凝土樁側向剛度很大，很可能會分擔很大的一部分，以至於樁上部彎曲折斷，使樁失去了受壓承載力，所以應該採用混凝土樁（個人觀點，僅為推斷）。
2、採用複合地基的褥墊層，主要是隔開了樁與基礎的水平連接，避免素樁承擔上部荷載的水平力，使素樁的使用成為可能。
3、我推測有沒有褥墊的變形曲線如下：
在初始階段，複合地基的變形一定大於樁基，但後面的階段就說不清了。但正常使用階段應該是情況<三>，也就是說無墊層的應該小於有墊層的，不知道做巖土的有沒有做過這個實驗。
4、因為土的承載力是土體被壓縮產生的反力，而樁基是土的側阻和樁端承載力產生的。兩種承載力得到的途徑是不一樣。當過大的沉降變形時，有可能側阻失效等，造成樁的承載力變小，而帶褥墊的復和地基中的樁基將推遲這種可能，反而使符合地基的承載力大於樁基的承載力，造成是情況<一>中後期總荷載能力反而變大，但這是接近極限承載的狀態下才發生，在結構正常使用使用時的標準值壓力下的情況，應該就是曲線<三>。
有專家暗示說，同樣的曲線如果是按複合地基的平板實驗取得的承載力標準值就高，而按樁基載荷實驗取得的樁承載力特徵值推算的每平米的承載力標準值就底，就好像兩個人考試，同樣一份試卷，一個是60份的及格標準，一個是80分才算及格。我不是搞巖土的，很少進行這方面的研究，看不出這種規範附錄載荷實驗標準的背後的奧秘，不敢評論，但我覺的極有這種可能，因為土的承載力特徵值的確定的理論和樁基特徵值的理論是不一樣的，但複合地基是土和樁一體的，還會發生像沙太基那樣的滑切曲線那樣的破壞嗎？
標準的不同，是不是經濟上優先採用複合地基的原因之一呢？
我曾經和一個搞巖土的專家朋友聊天，他說，大量的工程實踐證明採用複合地基是安全的，但沒有經過大震的考驗。也就是說大震來臨時，基礎底板的水平錯動，在褥墊層中產生的摩擦力會部分傳到樁頂，素混凝土樁能不能承擔這個水平力呢？
如果從這個角度來說，褥墊層真正的作用是減小了地震下的基底水平剪力，使素樁不至於破壞。本來為了豎向調整樁土作用的褥墊層實際的意義並不大，反而在避免水平荷載上起了必須的作用，這算是歪打正著嗎？
過薄的隔離層，可能無法避免摩擦力大部分傳到樁頂，造成素樁的破壞。
如果說採用複合地基是安全的，那反過來說採用樁基相對就是保守的了，而且樁是鋼筋混凝土樁，那相對複合地基就是浪費了。
5、如果用褥墊層把樁和承臺隔開，避免上部結構水平荷載傳到樁上，是不是很多的中長樁以下長度的樁就可以不必配鋼筋了呢？當然還應該叫樁基而不是複合地基。應該把樁土的共同作用的樁基或複合地基（本質是一樣的）計算公式作用統一起來，而不是用是否很厚的褥墊層來區分樁基和複合地基，感覺很怪異。褥墊層調節樁土的作用，是這個大那個就小，背著扛著一樣沉，靠褥墊層的調節的那點增大的壓力實際有限，真正作用是避免樁承受水平剪力，可以不配鋼筋。不配鋼筋的樁的工藝大大簡化，可以做素長樁了，這也許就是褥墊層的真正作用。
6：上述的情況應該以摩擦樁為主，當樁是端承時，土的作用實際不明顯，可以不必考慮土的作用。長樁或端承樁應該按受壓屈曲或受壓承載力計算配筋，把需要配鋼筋的樁限定在端部為硬土端承樁和摩擦長樁。配筋的端承樁和和摩擦為主的長樁，不應該考慮與土的共同作用，計算出來的土比例會很小，不會超過5%。如果為了避免配筋而加上褥墊層硬性套用複合地基的計算公式，可能算出的承載力反而小於樁基，而且較大的樁的承載力對於不配筋的長樁和端承樁是不安全的。對於必須配筋的剛性端承樁和長樁，採用加褥墊層的複合地基是沒用意義的。
五：散體樁
可以按局部換土考慮，比如100KPA 的軟土局部換成直徑500的水泥土樁間距1400，水泥土承載力按300 KPA計算的話，可以直接按面積估算：
該計算僅助於概念理解，應以規範公式為準，但實質是一樣的。
散體樁對消除溼陷和加強多層建築的軟土比較經濟。
聲明：上述均為個人觀點，設計均應以規範為準，通過上述分析亦可看出，按規範設計是安全的，不同的方案僅安全度和經濟指標不同。希望該文有助於對複合地基及樁基的概念理解，更好的確定地基方案。
2020年12月31日
參考文獻：
1：土力學與基礎工程 同濟大學 高大釗
2：土力學 清華大學 李廣信等
3：基礎工程 清華大學 李廣信等
4：高等土力學 清華大學 李廣信
5：建築地基基礎設計規範
6：建築樁基技術規範
7：複合地基技術規範
8：建築地基處理技術規範
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