第32卷第6期岩土工程学报Vol.32No.6
2010年.6月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringJune2010
基础刚度对刚性桩复合地基桩土荷载分担比的影响
孙训海
1
，许力和
2
，李艳霞
2
，佟建兴
1
，雷晓雨
3
(1.中国建筑科学研究院地基所，北京100013；2.中国天辰工程有限公司，天津300400；3.天津大学建筑工程学院，天津300072)
摘要：结合甲醇储罐基础的现场试验，对不同基础刚度条件下的刚性桩复合地基桩、土承载力发挥系数和桩、土荷
载分担比进行了研究。试验表明：基础刚度对桩、土承载力的发挥和荷载分担比具有显著的影响，在给定褥垫厚度、
相同桩长、相同桩距条件下,基础刚度较大的桩承载力能充分发挥,柔性基础条件下桩间土承载力能充分发挥，桩承载
力发挥很少。基础刚度较大的刚性桩复合地基的桩荷载分担比比柔性基础桩荷载分担比大，而柔性基础土荷载分担比
比刚性基础土荷载分担比大。
关键词：刚性桩复合地基；基础刚度；柔性基础；发挥系数；褥垫；分担比
中图分类号：TU473文献标识码：A文章编号：1000–4548(2010)06–0850–06
作者简介：孙训海(1979–)，男，江苏滨海人，博士研究生，从事地基、基础工程设计与研究。E-mail:
haisun1979@yahoo.com.cn。
Effectoffoundationrigidityonpile-soilloadshareratioofrigidpilecomposite
foundation
SUNXun-hai
1
，XULi-he
2
，LIYan-xia
2
，TONGJian-xing
1
，LEIXiao-yu
3
(1.InstituteofFoundationEngineering,ChinaAcademyofBuildingResearch,Beijing100013,China;2.ChinaTianchenEngineering
Corporation,Tianjin300400,China;3.CollegeofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)
Abstract:Onthebasisoffieldtestsoncarbinolstoragetankfoundation,investigationsareconductedonthebearingcapacity
andpile-soilloadshareratioofrigidpilecompositefoundationwithdifferentrigidities.Studiesshowthatchangeofthe
foundationrigidityhassignificanteffectonthedevelopmentofpile-soilbearingcapacityandloadshareratio.Underthesame
cushionthickness,pilelengthandspace,thebearingcapacityofpileandsoilcanbothdevelopsufficientlyforthefoundation
withenoughrigidity.Whilefortheflexiblefoundation,thebearingcapacityofsoilbetweenthepilescandevelopsufficiently,
butthatofthepilesdevelopslittle.Thepileloadshareratioofrigidpilecompositefoundationislargerthanthatofflexible
foundation.Butthesoilloadshareratioofflexiblefoundationislargerthanthatofrigidfoundation
Keywords:rigidpilecompositefoundation;foundationrigidity;flexiblefoundation;developingfactor;cushion;loadshare
ratio
0引言
近年来，刚性桩复合地基在工业与民用建筑中应
用越来越广泛，刚性桩复合地基桩体多用CFG桩、静
压预制桩等。目前工民建领域主要是足够刚度基础下
的复合地基，足够刚度基础下的复合地基，基础具有
向桩上转移荷载的能力，在给定褥垫厚度条件下桩和
桩间土承载力都能充分发挥。
柔性基础下刚性桩复合地基的承载性状研究还较
少
[1-3]
，如公路、铁路路基和油罐基础下的地基处理，
基础刚度很小，基础向桩上转移荷载的能力很弱，能
否直接运用足够刚度基础下复合地基的设计方法做地
基处理设计，基础刚度对刚性桩复合地基的桩、土承
载力发挥有什么影响，是一个值得深入探讨的课题。
本文结合天津大港某化工储罐工程，通过现场不同基
础刚度的载荷试验，着重研究了基础刚度对刚性桩复
合地基桩、土承载力发挥系数及桩、土荷载分担比的
影响。
1工程实例
1.1工程概况
中国石化天津100万t/a乙烯及配套工程项目场地
位于天津大港区围堤路南侧，大港发电厂西侧。经勘
探该场地的土层物理力学指标
[4]
见表1。本次试验选
取其中的两个储料罐基础，分别为802和804罐，罐
───────
收稿日期：2009–03–03
第6期孙训海，等.基础刚度对刚性桩复合地基桩土荷载分担比的影响851
表1土层参数表
Table1Parametersofsoilstrata
压缩模量/MPa
土层
编号
岩土名称标高/m
干密度
d
ρ
/(g·cm
-3
)
天然含
水率
w/%
天然
孔隙
比e
液性
指数
I
L
塑性
指数
I
P
极限桩
侧阻力
标准值
q
sk
/kPa
极限桩
端阻力
标准值
q
pk
/kPa
E
s(1-2)
E
s(2-4)
E
s(4-6)
E
s(6-8)
f
ak
/kPa
②粉质黏土
1.28
以上
1.5027.70.7830.7613.4344.7069
③
1
粉土1.5624.30.6950.928.25211.99120
③
2
粉质黏土1.4329.60.8531.0412.1335.87100
③
3
淤泥质粉
质黏土
1.3338.21.0651.0915.1203.4590
③
4
粉质黏土
1.28~
-12.6
1.4926.50.7580.8612.3404.76105
④粉质黏土
-12.6~
-13.86
1.6221.90.6320.6810.84715005.85120
⑤
1
粉质黏土1.6721.10.6040.5910.7546.22140
⑤
2
粉土
-13.86~
-16.431.6721.80.6290.617.573280014.14170
⑥
1
粉土
-16.43~
-18.42
1.6322.80.6570.627.875300015.4120.5732.4244.25180
⑥
2
粉质黏土1.4527.70.8040.6612.35.736.849.5511.53160
⑥
3
黏土
-18.62~
-26.591.3635.50.9900.7118.54.817.3110.2812.38160
⑦黏土
-26.59~
-30.96
1.3335.50.9950.7220.04.416.399.0311.31160
⑧
1
粉质黏土
-30.96~
-39.86
1.5924.10.6920.5911.67.4311.6316.921.02170
⑧
2
粉砂
-39.86~
-45.36
1.6122.90.69417.4625.640.152.61220
⑨黏土
-45.36
以下
1.4727.30.7760.6718.47.4911.2315.0917.95180
表2地基处理设计参数
Table2Parametersoffoundationtreatment
设计方案桩长/m桩径/m桩间距/m桩帽(m×m)垫层结构基础形式
甲罐180.420.5×0.525cm砂石垫层+5cm素混凝土
40cm厚的混凝土板加油罐
传统基础形式
乙罐180.420.5×0.535cm砂石垫层夹土工格栅
15cm厚的素混凝土夹土工格栅加油罐
传统基础形式
体直径分别为15m和7.8m，为了叙述方便下文分别以
甲罐和乙罐区分。甲罐高17.82m，容积3149m
3
。设
备净重：94t，充满水总重F=3243t。乙罐高8.92m，
容积426m
3
，设备净重：21t，充满水后总重F=447t。
1.2设计方案
根据甲乙两罐荷载状况，设计要求处理后的地基
承载力特征值达到230kPa，变形要求不大于200mm。
两罐的基础埋深都为1.0m，基础落在②层粉质黏土
上，基底土承载力特征值f
ak
=69kPa，由于承载力不能
满足设计要求，采用刚性桩复合地基处理方案进行加
固，刚性桩选用预应力管桩，设计桩径400mm，桩
长18m，桩间距2m，桩端进入⑤
2
层粉土层内1m。
单桩承载力特征值R
a
=646kN，为提高桩承载力发挥
度，桩顶设计了500mm×500mm正方形桩帽。经计
算复合地基承载力特征值f
spk
=248.9kPa，变形为77.1
mm，满足设计要求
[7]
。地基处理设计参数如表2。
褥垫层采用中、粗砂或最大粒径不超过20mm的
砂石混合料。不得含有草根等有机杂质，含泥量不得
超过5%。夯填度不大于0.9。甲乙两罐地基基础形式
如图1、图2。由设计参数可知甲罐的基础刚度较大，
乙罐为柔性基础。
图1甲罐基础剖面图
Fig.1SectiondiagramoffoundationNo.1
图2乙罐基础剖面图
Fig.2SectiondiagramoffoundationNo.2
852岩土工程学报2010年
1.3试验方案
本工程共做了3根单桩静载试验，2台复合地基
静载试验，1台桩间土静载试验。所有试验均采用堆
载方式加荷，堆载总重量不小于所加最大荷载的1.2
倍。一次堆载后，荷载从小到大由千斤顶逐级施加，
用标准压力表控制荷载，用电子位移计量测位移。单
桩试验按照《建筑基桩检测技术规范》
[6]
（JGJ106—
2003）的规定进行。复合地基静载荷试验荷载板尺寸
为2000mm×2000mm。板下埋设振弦式压力盒量测
桩顶压力和桩间土压力。桩顶压力盒布置如图3。荷
载板下布桩和压力盒埋设平面位置如图4。另外在甲、
图3桩顶压力盒布置图
Fig.3Layoutofloadcellsonpiletop
图4复合地基静载试验布置图
Fig.4Staticloadtestsoncompositefoundation
图5乙罐基础试验布置平面图
Fig.5LayoutoftankfoundationNo.2
乙两罐的直径方向上的桩帽顶部和桩间土都布置土压
力盒，用于后期罐体完工后分级增加荷载测量两个不
同(刚度)基础下的桩、土承载力发挥情况。乙罐基础
下布桩及试验布置平面图如图5。甲罐的布桩及压力
盒布置图如图6。
图6甲罐基础压力盒布置平面图
Fig.6LayoutoftankfoundationNo.1
2试验结果
2.1单桩承载力特征值
3台静载试验的Q–s曲线如图7。试验结果汇总见
表3。由表可知单桩承载力特征值R
a
=646kN。
表3单桩静载试验结果汇总表
Table3Calculatedresultsofstaticloadtestsonasinglepile
试
桩
最终荷
载Q/kN
最终
变形
s/mm
单桩极限
承载力值
Q
u
/kN
对应沉降量
S
u
/mm
单桩极限承
载力标准值
Q
uk
/kN
S1143056.80130024.91
S2143049.8613009.27
S3144048.61128013.64
1293
图7单桩Q-s曲线
Fig.7Q-scurvesofasinglepile
第6期孙训海，等.基础刚度对刚性桩复合地基桩土荷载分担比的影响
853
2.2桩间土承载力特征值
本次试验在乙罐地基范围内选点，做了一台桩间
土静载荷试验，试验所得p-s曲线如图8所示。按照《建
筑地基基础设计规范》
[7]
（GB50007—2002）附录C的
规定，确定了加固后桩间土承载力特征值f
sk
=69kPa。
图8桩间土p–s曲线
Fig.8p–scurvesofsoil
2.3复合地基承载力特征值
[8-10]
从工程角度出发，按照规范检测要求，试验最大
加载量不低于460kPa，本次试验只加载到460kPa，p-s
曲线如图9所示。由图9可知复合地基承载力特征值不
小于230kPa。但是，从试验过程中承压板周边土变形
以及已取得的试验数据分析，试验所加最大荷载没能
反映出复合地基真实的极限承载力，实际复合地基承
载力特征值应该更大。
2.4甲乙两罐充水加载试验
（1）甲罐分4级充水：第一级充到1/3H，第二级
充到1/2H，第三级充到3/4H，第四级充满。基础直径
15.6m，桩帽顶部到罐底标高距离2.4m。基础平均重
度按
3
25kN/mγ=，经计算基础及褥垫总重G
=1146.75t，罐体充满水总重F=3243t，基础底面积
S=191.13m
2
，所以满水后基底压力可达230kPa。甲罐
的桩土应力比，承载力发挥系数及荷载分担比的试验
结果见表4。
图9复合地基p–s曲线
Fig.9p–scurvesofcompositesubgrade
（2）乙罐分3级充水：第一级充到1/2H，第二级
充到3/4H，第三级充满。基础直径8.2m，桩顶到罐底
标高距离2.2m。基础平均重度按
3
25kN/mγ=，所以
基础及褥垫总重G=290.5t，罐体充满水后总重F=447
t，基础底面积S=52.81m
2
，得乙罐满载时基底压力达
126kPa，远未达到复合地基承载力特征值230kPa。
乙罐的桩土应力比，承载力发挥及荷载分担比的试验
结果见表5。
3试验结果分析
3.1基础刚度对桩、土应力比的影响
桩土应力比n
[11]
定义为桩顶应力
p
σ与桩间土应力
s
σ之比，即
ps
nσσ=。
图10为甲乙两罐的桩、土应力比随荷载的变化，
由图可知同一荷载水平条件下，甲罐的桩土应力比均
大于乙罐的桩土应力比。乙罐的桩土应力比随着荷载
的增加几乎保持不变。
表4甲罐桩土应力及桩土荷载分担比试验结果汇总表
Table4ResultsofstressshareratiooftankfoundationNo.1
荷载σ/kPa
桩帽顶应力
p
σ/kPa
桩间土应力
s
σ/kPa
桩土应力比
n
桩荷载分担
比
p
δ
土荷载分担比
s
δ
桩承载力发挥
比例
桩间土承
载力发挥
比例
64.92476.4625.3918.770.6430.3570.1840.368
122.581010.3237.3127.080.7220.2780.3910.538
139.061170.1240.0229.240.7370.2630.4530.580
188.481687.2844.5237.900.7850.2150.6530.645
229.672134.2846.7345.680.8140.1860.8260.677
注：单桩承载力特征值R
a
=646kN，桩间土承载力特征值f
sk
=69kPa。
854岩土工程学报2010年
表5乙罐桩土应力及桩土荷载分担比试验结果汇总表
Table5ResultsofstressshareratiooftankfoundationNo.2
荷载
σ/kPa
桩帽顶
应力
p
σ/kPa
桩间土应力
s
σ
/kPa
桩土应力比n
桩荷载分担比
p
δ
土荷载分担比
s
δ
桩承载力发挥
比例
桩间土承载力
发挥比例
58.99245.87136.156.8020.4540.5460.1020.524
99.32403.48362.156.4920.4420.5580.1680.901
119.49507.18972.117.0340.4620.5380.2111.045
126.21574.71271.418.0480.4960.5040.2391.035
注：单桩承载力特征值R
a
=646kN，桩间土承载力特征值f
sk
=69kPa。
图10桩土应力比随荷载的变化
Fig.10Variationofpile-soilstressratiowithloads
3.2基础刚度对桩、土承载力发挥系数的影响
桩承载力发挥系数
[11]
γ定义为当荷载达到复合
地基承载力特征值时，桩顶应力
p
σ与单桩承载力特征
值
a
R之比，即
pa
Rγσ=；土承载力发挥系数β定义
为当荷载达到复合地基承载力特征值时，桩间土应力
s
σ与桩间土承载力特征值
sk
f之比，即
ssk
fβσ=。
这里的单桩承载力特征值
a
R是现场自由单桩竖
向静载荷试验结果，桩间土承载力特征值
sk
f是采用面
积为0.5m
2
（或0.25m
2
）的承压板按照《建筑地基基
础设计规范》（GB50007—2002）附录C“浅层平板
载荷试验”的方法测得的。甲乙两罐桩、土承载力发
挥与荷载的关系如图11，12。由图可知：甲乙两罐的
桩承载力的发挥均随着荷载的增加而增加，甲罐的桩、
土承载力的发挥系数分别0.83和0.68，甲罐桩发挥较
图11桩承载力发挥随荷载的变化
Fig.11Variationofmobilizingofpilebearingcapacitywithloads
图12土承载力发挥随荷载的变化
Fig.12Variationofmobilizingofthesoilbearingcapacitywith
loads
充分。由于乙罐上最大荷载较小，仅为126kPa，未达
到复合地基承载力特征值230kPa，故得不到桩土承载
力发挥系数。但从发展趋势来看，乙罐的桩承载力发
挥不充分，土的承载力发挥较充分。
3.3基础刚度对桩、土荷载分担比的影响
桩荷载分担比
[11]
p
δ定义为基础下桩承担的荷载
p
P与总荷载P的比值，即
pp
PPδ=；土荷载分担比
s
δ
定义为基础下桩间土承担的荷载
s
P与总荷载P的比
值，即
ss
PPδ=。由图13可以看出：甲罐的桩荷载分
担比比乙罐的桩荷载分担比大。另外，由图14可知：
乙罐的土荷载分担比比甲罐的土荷载分担比大。
图13桩荷载分担比随荷载的变化
Fig.13Variationofpilebearingcapacityshareratiowithloads
第6期孙训海，等.基础刚度对刚性桩复合地基桩土荷载分担比的影响855
图14土荷载分担比随荷载的变化
Fig.14Variationofsoilbearingcapacityshareratiowithloads
4结论
（1）相同荷载水平条件下，刚性桩复合地基的
桩、土应力比随着基础刚度的增大而增大。柔性基础
桩、土应力比随荷载增大几乎保持不变。
（2）相同荷载水平条件下，刚性桩复合地基桩的
承载力发挥与基础刚度密切相关，基础刚度越大，桩
发挥的越充分，基础刚度越小，土发挥的越充分，桩
发挥的越不充分。
（3）基础刚度较大的刚性桩复合地基的桩荷载
分担比比柔性基础桩荷载分担比大，而柔性基础土荷
载分担比刚性基础土荷载分担比大。
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