广义桩土共同作用 前段时间借着朱总的宝地“老朱杂谈”公众号谈了一些个人对桩土共同作用问题的看法，引起了很多同行的兴趣，有朋友私下给我发消息请我再谈谈桩土共同作用的基本概念和发展现状以及上次提到的可控刚度桩筏基础的具体设计方法，限于篇幅本次先谈对第一个问题的认识，抛砖引玉，不当之处请同行们补充与指正。 从是否独立承担建筑物荷载这个角度来说，天然地基和纯桩基础是两个极端的承载形式，随着上部结构荷载的增加，从天然地基直接过渡到纯桩基础这一传统做法往往伴随着不必要的浪费，目前公认比较理想的做法是首先充分发挥地基土的承载潜力，剩余不足部分再由桩基础来承担，即实现桩土共同作用。然而由于桩土支承刚度差异巨大，桩土变形较难协调，桩土共同作用的实现并不像想象的那么简单，从上世纪80年代迄今，学术界和工程界针对桩土共同作用开展了持续不断的研究，研究成果达到相当的深度和广度，形成了基本能覆盖全部地质条件并已实践应用的桩土共同作用理论体系。 从地基土与桩基础一起直接参与分担上部结构荷载的角度来看，现有桩土共同作用理论体系已趋完善并逐渐成熟，在工程实践中取得巨大成功，创造了显著的经济效益和社会效益。但是从充分挖掘地基承载潜力的角度出发，现有桩土共同作用理论体系似乎又不完整，因为现有的桩土共同作用理论体系关注的仅是基础底面浅层土体的承载能力，深层地基土的承载潜力尚无法得到有效发挥与利用。鉴于此，在现有桩土共同作用理论的基础上融合可充分发挥深部土体的承载潜能并与桩基共同承担上部结构荷载的多元复合地基、劲性复合桩等新型基础形式，似乎可以形成更加完整的理论体系，可以称之为广义桩土共同作用。 1 桩土共同作用的类型 桩基础自身并不“生产”承载力，只是承载力的“搬运工”，桩基础承担的巨大荷载最后都传递给地基土，因此无论是采用天然地基还是桩基础，最终都是地基土承担上部结构荷载，不同的是前者发挥的是浅层地基承载力、后者发挥的是深层地基承载力。由于地基土自然存在，不花钱、不占工期，如何用最小的代价将地基土的承载潜力安全、充分地发挥出来，是土木工程师们追求的永恒目标。 地基土承载潜力充分发挥并与桩基础共同分担上部结构荷载的方式可以分为直接参与和间接参与两大类，从已有研究成果可以看出现有为大家熟知的桩土共同作用理论体系均是基于基底浅层土体，属于前者（如图1-a），而地基深层土体承载能力发挥并传递到基底，会产生不能满足设计要求的较大变形，无法直接参与分担上部结构荷载，如需利用只能通过间接的方式（如图1-b），如增加新的传力构件或利用传统桩基中有富余的桩身强度。 对于深厚软土地区来说，常用的摩擦型桩实际上起到了发挥地基深部土体承载潜能的作用，但仍然有两个问题值得关注：一是每根桩所能调动的土体范围相当有限，要充分发挥深层土体承载潜能，只能通过增加布桩密度来解决；二是不管布桩密度如何，摩擦型桩的桩身强度通常均显著大于地基土所能提供的承载能力，容易使桩身强度产生较大冗余（桩基密度越大，产生的桩身冗余越大）。上述两个问题在软土地基里将更加严重，与浅层土体桩土共同作用一样，上述问题归根结底仍是由于桩、土体刚度差异过大，桩土变形不协调（桩土接触面滑移）引起的，因此如何实现桩基与深层土体的共同作用，充分发挥深部土体的承载潜能，是一个具有重要工程意义的课题。 （a） （b） 图1 桩土共同作用的两种类型 2 地基土直接参与分担荷载的方法 地基土通过直接参与荷载分担的方式实现桩土共同作用的前提就是保证桩土的变形协调，现有理论体系中实现桩土共同作用的角度各不相同，但无一例外均是遵循上述思路，具体来说又可分为补偿位移法、刚度调整法以及预加位移法三类。这三类方法在上次的文章中已有提及，限于篇幅在此不再赘述，简单的说沉降控制复合桩基、刚性桩复合地基属于补偿位移法；可控刚度桩筏基础属于刚度调整法；而桩顶预留净空或预设泡沫等属于预加位移法，也可参考本人发表在建筑结构上的一篇论文《实现桩土共同作用的机理及若干方法》（2012, 42(03):140-143）。 3 地基土间接参与分担荷载的方法 在浅层地基土承载力不高，但深层地基承载力有较大利用余地的情况下，地基土将无法直接参与荷载分担，只能通过人为设置传力构件的方式来发挥深层土体的承载潜力，这又可以分为增设传力构件和传力构件与桩身二合一两类。 3.1 增设传力构件 深层土体与基础底不直接接触，且通常有较远的距离，深层土体要发挥承载潜力必须要有明确的传力构件，显然基底的浅层土体将因过大的变形而无法满足这个要求，即使浅层土体土质较好也不行，此时容易想到的就是通过额外增设传力构件来实现深层土体承载力的发挥，国内外学者对此进行了较多的探索和研究，其中较为成熟的方法如多元复合地基（如图2）。 图2 多元复合地基示意图 多元复合地基通过在刚性群桩之间设置柔性桩来作为深层土体承载力发挥的传力路径，柔性桩的桩身强度与深层地基土的承载潜力有关系。多元复合地基目前已经得到较多的研究与应用，其承载力的设计计算、施工工艺以及检测方法等均已较成熟。不过由于多元复合地基刚性群桩间分布有柔性桩，刚、柔性桩的并存，在上部结构荷载较大的情况下会出现不均匀沉降较难控制的问题，另外柔性桩所能提供的承载力也有限，导致多元复合地基广泛应用于高层建筑尚有一定的困难。 3.2 传力构件与桩身二合一 一个不可回避的事实是，绝大部分的摩擦桩桩身强度都显著大于桩基的承载力，即桩身强度都有一定的富余。对于上节所述需额外设置传力构件来发挥深层土体承载潜力的情况，能否将桩身这部分的富余强度利用起来？如果可行，一是可以减少额外的施工投入，二是可以不必担心不同支承刚度的桩基共存带来不均匀沉降过大的问题。 通过不断探索与实践，近年来工程界提出并发展了一种通过深层搅拌、高压旋喷、钻孔注浆或粉体喷射等工艺形成水泥土柔性桩并在其中插入（植入或挤入）刚性桩的新桩型。由于该桩型集合了柔性桩侧阻力大和刚性桩身刚度大的优点，习惯上称此为劲性复合桩。工程界已经对劲性复合桩开展了较多的原位试验，结果显示劲性复合桩是同参数混凝土灌注桩承载力的1.35-1.54倍。那么这个多出来的承载力来自哪里？如果从桩土共同作用的角度来看，劲性复合桩实际上是通过专门的施工工艺在刚性桩的桩土接触界面增设水泥土（或素混凝土）过渡层来协调桩土变形，更多地调动并发挥深层土体承载潜能。和常规摩擦型桩基相比，劲性复合桩通过柔性过渡层将更多来源于深层土体的承载潜能转移到桩体，并通过桩体传递给基础结构，使深层土体间接参与了分担上部结构的荷载（如图3）。可以认为，劲性复合桩概念的提出对现有桩基理论尤其是桩土共同作用理论的发展具有重大促进作用。 由于劲性复合桩可取得比较显著的经济效益，近年来得到较多的推广与应用，但应用的过程中有两个容易引起误解的问题应引起特别关注：一是很多工程技术人员认为劲性复合桩的经济效益来源于混凝土桩身与桩周土体之间增设的柔性过渡层，所以为了追求更高的使用效果，一味地强化这个过渡层，导致需要通过桩身传递的总承载力已经大于芯桩的桩身强度，总体经济效益反而可能下降；二是有单位提出劲性复合桩还可以配合褥垫层形成刚性桩复合地基，殊不知刚性桩复合地基中，基底土体（浅层土体）承担荷载必然向深层传递，在深层地基承载潜力已经被充分调用发挥的前提下，再考虑将劲性复合桩按复合地基来设计，重复计算并过高估计地基土的承载力，有较大的安全隐患。 （a） （b） 图3常规摩擦型桩与劲性复合桩受力机理示意图 4 广义桩土共同作用的概念 建筑物的发展使地基基础的设计经历了从天然地基直接到纯桩基的发展过程，从技术角度来看，这个过程并不完美，无数的科研工作者和工程师为探索桩土共同作用理论付出了辛勤的劳动。 从上世纪70年代至今，桩土共同作用理论的发展实际上也经历了四个阶段：第一阶段以上海、宁波等软土地区的沉降控制复合桩基为代表，这个阶段的复合桩基主要应用于上部结构荷载不大（要保证地基土的满足率大于0.5）的多层建筑及小高层建筑，桩基类型必须为摩擦型桩；第二阶段以刚性桩复合地基为代表，由于褥垫层的存在，刚性桩复合地基的应用桩型拓展到桩端支承刚度不是特别大的摩擦端承桩，适用的建筑物高度也较沉降控制复合桩基有一定的提高；第三阶段是可控刚度桩筏基础创新概念的提出与发展，可控刚度桩筏基础成功地实现了硬土地区的端承型桩尤其是嵌岩端承桩的桩土共同作用，适用对象从多层与小高层建筑拓展到高层与超高层建筑；第四阶段是多元复合地基和劲性复合桩的应用与推广，这两种新的桩土共同作用形式能充分调动并发挥深层土体的承载潜能，对于浅层土体承载力较低的软土地区摩擦型桩有较大优势。 可以看出，桩土共同作用理论发展的四个不同阶段既相互联系也各有特色，如前两个阶段中，刚性桩复合地基的发展比复合桩基稍晚，但应用范围明显增加，推广应用的工程项目也更多；可控刚度桩筏基础则在前两个阶段的基础上，成功地在地基承载潜力更高的硬土地区实现了端承型桩桩土共同作用，取得了前所未有的经济效益和社会效益；第四阶段与前三个阶段有本质的差异，和常规桩基相比，更多深层土体承载潜力得到了充分的发挥与利用。 目前工程界和学术界对于桩土共同作用的理解主要指前三个阶段，即桩与浅层土体共同承担上部结构荷载，这已经形成共识。笔者认为以劲性复合桩等为代表能充分发挥深层土体承载潜力的桩基础则是现有桩土共同作用理论的重要补充，在桩基础的发展中将扮演重要角色，与现有相关研究成果一起构成了完整的广义桩土共同作用理论体系，如图4所示。 图4 广义桩土共同作用理论的完整体系 5 结语与展望 （1）桩基础自身并不“生产”承载力，无论是采用天然地基还是桩基础，最终都是地基土承担上部结构荷载，不同的是前者发挥的是浅层地基承载力、后者发挥的是深层地基承载力。从是否发挥地基土浅层还是深层承载潜力角度出发，地基土与桩基础共同分担上部结构荷载的方式可以分为直接参与和间接参与两大类。 （2）地基土通过直接参与荷载分担的方式实现桩土共同作用的前提是保证桩土的变形协调，现有理论体系中实现桩土共同作用均是遵循这个思路，但具体方式不同，可分为补偿位移法、刚度调整法以及预加位移法三类。 （3）多元复合地基和劲性复合桩通过专门的工艺和方法将深层地基土体的承载力充分发挥，使其通过间接参与的方式与桩基础一起分担上部结构荷载，也属于桩土共同作用的范畴，是现有桩土共同作用理论体系的重要补充与发展，与现有研究成果一起共同构成广义桩土共同作用理论体系。 （4）桩土共同作用理论在我国岩土工程前辈和同行持续不断地研究和实践中，新的理念和方法不断呈现，并最终形成如今完整的广义桩土共同作用理论体系，笔者真诚地希望这个理论体系能得到更多地关注，继续完善，从而为我国地基基础领域理论研究的不断发展与变革做出贡献。
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