1、研究背景

我国目前正处于城镇化深入发展的关键时期，2014年出台的《国家新型城镇化规划（2014－2020年）》将城镇化看作保持经济持续健康发展的强大引擎。国家在今后一段时间内也将维持高速铁路、水利基础设施的高速发展，这些工程建设不可避免的遇到地基处理问题。与桩基础相比，复合地基由于能够发挥桩间土的承载力，可以获得较好的经济效益，各类复合地基广泛的应用于房建、水利与高速铁路等土木工程建设领域。

早期的散体桩复合地基由于可以实现桩土协调，并不一定需要设置垫层。随着复合地基的发展，各类柔性桩^[1][，半刚性桩^[2]，PTC桩^[3]、PHC管桩^[4]、以及近年来专门开发的PCC桩^[5]、现浇X型桩^[6]等刚性桩也都应用于复合地基中。在复合地基越来越多的采用高强度桩体，各组成部分材料性质差异日益增大的今天，应该更加重视各组成部分间的相互作用，有必要对复合地基垫层的工作机制进行更为深入的研究。

复合地基常见两种破坏模式：一种是桩体首先破坏，进而发生复合地基的整体破坏，另一种是桩间土首先破坏进而引发复合地基的整体破坏。第一种破坏模式由于发展较快，是最为危险的一种破坏模式。复合地基在工后服务期间，桩间土固结沉降还将继续发展，服务期间还可能面临地下水位降低、周边开挖施工等不利工况的干扰，桩间土承担荷载部分持续降低是全寿命工况下不可避免的情况，这一情况的发生将导致上部荷载进一步向桩体集中。半~刚性桩由于桩土相对刚度大，桩顶位置相对位移发生明显，桩体荷载集中程度高，加之全寿命期的增量荷载，有可能发生第一种破坏，目前的复合地基并不具备防范这一风险的能力。

2、研究现状

国内学术界将垫层视作复合地基协调工作的核心，影响了复合地基的破坏模式和承载力发挥^[7]。郑刚等人^[8]认为垫层协调工作存在两种极端情况：一是若垫层为绝对刚性，垫层就成为基础的一部分；二是若垫层为绝对柔性，则褥垫层又成为桩间土的一部分，则桩难以有效发挥承载力。并认为出现第 2 种极端情况相对更为不利。法国90年代也开始大量采用 “Rigid Inclusions”，即刚性增强体复合地基，2005年启动了Rigid Inclusion Ground Improvements（ASIRI）项目，把主要研究对象限定于0.5~1.0m的垫层厚度以及2~5%的低置换率地基^[9]。ASIRI项目^[10]将复合地基的协调工作归结为①基础与垫层之间相互作用和②垫层与桩及桩间土的相互作用两个方面。由此可见，垫层对复合地基各组件间相互作用的重要性是国内外的共识。

国内复合地基常采用“垫层刚度”来反映垫层的协调能力。合适的垫层刚度在满足垫层对复合地基变形协调的同时，可以合理的分配上部荷载。俞建霖等人^[11]曾尝试考虑柔性基础下刚性桩地基的基础自身刚度，以及复合地基的基本参数，通过归一化得到了反映基础相对刚度的统一参数。不少学者尝试通过建立垫层破坏的力学模型，来推导垫层参数设计公式，主要发展了两类方法。第一种将垫层看作倒置的浅基础，借鉴地基极限承载力的计算模型。如池跃君等^[12]采用了Mandel amp; Salancon破坏模式，王年云^[13]采用Terzaghi破坏模式，王凤池等^[14]建议针对垫层较薄的情况，采用Mandel amp; Salencon整体破坏模式，较厚时采用Terzaghi^[15]破坏模式。另一种是基于“Trapdoor”理论发展起来的“虚拟桩”法，即假设桩顶以上存在一个与桩等截面的土柱和一个等沉面，以内外土柱的压缩量之差作为刺入量，并可计算桩土应力比 ^{[16, 17]}。时至今日，刚性基础下复合地基的垫层设计仍然缺乏广泛认可的评价指标与理论，垫层设计主要仍采用建议值法。

垫层参数取值主要依据现场监测与试验的总结。韩云山等^[18]在CFG 桩复合地基承载力试验中采用了碎石 石屑、中粗砂以及碎石 中粗砂三种垫层，得出垫层宜取50~150mm厚；张伟丽等^[19]通过水泥土搅拌桩 4桩复合地基静荷载试验，得出复合地基承载力在垫层厚度为400mm时达到最大值。史三元等人^[20]采用在30mm厚砂垫层上敷设0~200mm厚碎石垫层，作为复合地基载荷试验的垫层，所得承载力最大值为30mm砂垫层 50mm碎石垫层的组合。可见，不同的地层条件、桩土尺寸条件与垫层材料下获得的垫层最优设计厚度存在差异。国内外复合地基相关规范对垫层设计的规定主要规定了垫层材料与垫层厚度，所推荐采用的垫层材料类型相似，但垫层厚度推荐值差别较大。国内针对不同的桩型推荐的垫层厚度在100~300mm之间^[21~23]，法国ASIRI指南^[10]则推荐采用400~800mm，主要考量为降低基础底板的应力集中。一些工程由于特殊的需要，厚度远超规范推荐值。如法国Bugey的Super-Phenix电站及1号反应堆的垃圾储存站工程中，采用了2~2.75m厚的冲积土作为垫层。希腊Corinth湾强震活跃区域的Rion-Antirion大桥（法国VINCI Construction公司设计建造），主桥桥墩采用了钢管桩复合地基，卵石垫层厚达2.8m。

垫层的工作机制研究方面，张东刚等人^[24]开展了将浅基础倒置的平板加载（模拟桩顶刺入）模型试验，分析了垫层颗粒的压密、挤出和压碎等作用。郑俊杰等人^[25]则基于郑刚等人^[8]的模型试验进行了FEM-DEM数值模拟，将颗粒垫层按位移场划分了3个区域，并分析了鼓胀、滑裂等现象。朱小军等人^[26]通过室内模型试验，利用数字测量技术，研究了单桩复合地基的碎石垫层工作机制与剪切破坏模式。但由于垫层变形直观观察与测试的困难，目前对垫层的协调工作机制还缺乏深入了解。因此，有必要采用可视化试验与数值模拟等手段对垫层的工作机制进行深入的探索，在此基础上建立起垫层设计方法，并开发系列结构与装置，实现桩土荷载在复合地基全寿命工况条件下的自主调节与重分配，使得复合地基设计建立在先进的理论与可靠的技术之上。

参考文献