吴政洲，刘爱华，王苏宇，王 誉，杨方鑫
(华南农业大学水利与土木工程学院，广东 广州 510642)
0 引言
地基处理过程中长期存在不确定因素多、处理难度大的问题。据调查统计，土木工程建设中的工程事故绝大多数是由地基问题引发的[1]。由此可见，地基问题如果处理不好，后果将会十分严重。建筑工程是否安全可靠以及所建工程的工程投资等问题，都与地基处理息息相关。
根据现有的资料[2-3]，对国内外对地基处理的常用方法进行归纳整理。由于分类标准不同，可分的类别也不同，表1就加固方法的实质对地基处理方法进行分类，表2中列出了美国的部分地基处理方法。
表1 国内地基处理方法的分类及相应的方法
表2 美国高速公路岩土工程技术应用
复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体(天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。其中，荷载的作用由增强体和基体共同承担。与普通桩基相比，复合地基应用范围广，适用于多种土层，强度大，具有良好的抗震性，可以节省投资。
在众多的地基处理技术中，复合地基是目前社会经济效益较好的方法之一，因此不少地基处理技术是通过对地基进行处理形成复合地基来实现减少地基变形这一目的。基于此，本文对近年来复合地基的研究进展进行了总结，文章分别从复合地基的作用原理以及有限元分析在复合地基中的应用进行论述，其中重点介绍了有限元分析方法在复合地基研究中的重要性和实用性。最后针对在复合地基中有限元分析应用的优缺点探讨了其发展前景和未来的研究方向。
1 国内外复合地基研究现状
1.1 复合地基理论
复合地基最初是在国外出现，后来在国内发展并形成复合地基理论和工程应用体系。随着我国土木工程建设中复合地基技术的广泛应用，复合地基的概念和理论得到了很大的发展。
我国应用的复合地基种类繁多，其中长短桩复合地基通过减少长桩数量，能够使长桩控制变形的能力以及持力层的承载能力得到充分发挥，同时又能降低施工难度，它有多种布置形式(见图1)。此外常用的还有水泥土桩复合地基、低强度桩复合地基、钢筋混凝土桩和薄壁筒桩复合地基以及加筋土地基等多种形式。
1.2 复合地基技术的发展
一开始的复合地基是通过碎石桩对天然地基进行处理，即碎石桩复合地基，随着在工程中对深层搅拌桩加固技术的应用，水泥土桩复合地基的研究逐渐受到人们的重视。水泥土桩复合地基的推广应用对复合地基概念和理论的发展起到很大的促进作用，由散体材料桩复合地基的概念逐渐扩展到黏结材料桩复合地基的概念。随着工程中对各类低强度混凝土桩复合地基的应用，人们发现桩的荷载传递性状与黏结材料桩的刚度大小有较大的相关性，于是根据刚度将其划分为刚性桩和柔性桩，即后来的刚性桩复合地基和柔性桩复合地基。
有关复合地基在工程实例中的应用，指出了对复合地基特性产生影响的部分因素，并从中可以看出复合地基的种类及理论得到了很大发展。韩建文等[4]通过现场试验得出，由于螺杆桩存在挤土效应，高压旋喷桩成桩效果较差，二者均不适用于硅藻土地基加固，可选用Cement Fly-ash Gravel(CFG)桩、素混凝土桩及钢筋混凝土桩；桩筏复合地基结构由于具有较好的沉降控制效果可以满足硅藻土路基变形控制的要求。另外，有研究发现，现行规范中刚性桩复合地基的沉降计算方法不适用于软土地基，原因在于公式推导过程中将桩土应力比和桩土承载力比两个参数设为相等的值，结果会导致计算沉降明显偏大；针对这个现象，杨光华等[5]提出为了更加符合实际，复合地基加固区的沉降可以由单桩的沉降加上褥垫层的压缩沉降来计算。于春亮等[6]基于轴对称固结模型建立了透水与不透水桩组合型复合地基的固结微分方程并验证了其合理性；同时对该复合地基的固结特性进行研究，得出减小桩体施工扰动效应和透水桩的井阻效应、增大桩体转换率、提高桩体压缩模量可以加快地基固结，减小工后沉降。Shen等[7]通过离心模型试验，研究得到低模量端承桩会增加桩的总沉降和差异沉降，增加路堤地基土的沉降量，并指出采用改进的Vesic法计算的桩顶沉降与实测数据吻合较好。Wang等[8]对轮胎颗粒材料复合地基进行循环往复加载试验，结果表明增加交错缝的尺寸、增加轴向荷载以及在轮胎间添加碳纤维网可以提高复合地基的水平承载力。
由于实际岩土工程问题的复杂性，一般需要采用数值方法进行求解。近40多年来，岩土工程数值方法得到了迅速发展，出现了大量的数值模拟方法，如有限单元法(Finite Element Method,FEM)、有限差分法(Finite Difference Method,FDM)、物质点法(Material Point Method,MPM)、离散单元法(Discrete Element Method,DEM)等。在众多数值方法中，有限单元法经过半个多世纪的发展，其理论体系与应用已经较为成熟，是岩土工程中应用最为广泛的数值方法之一。
2 有限元分析在复合地基中的应用
2.1 有限元分析的原理
有限单元法的原理：将一个连续体离散成按照一定方式相互联结在一起的有限个单元组合，由此来模拟、逼近该连续体，由于连续的无限自由度问题求解过于复杂，通过这种方式将其简化为一个离散的有限自由度问题，接着进行整体分析，最后得到整个连续体的分析结果。一般来讲，有限元求解过程包括三个步骤：计算对象离散化，单元分析和整体分析。
2.2 有限元分析的应用
有限元分析在科学研究和实际应用中越来越普遍，随着理论与方法的成熟与改进，有限元分析已经不仅仅局限于处理结构力学和弹性力学中的各类问题，还可以用于求解热传导和流体力学等其他领域的问题，研究表明，有限元方法在科学研究和实际应用中发挥着巨大的作用。ANSYS,ABAQUS,ADINA这三个软件是目前最流行的有限元分析软件，其中，国内知名度高且应用广泛的软件为ANSYS，而目前业内认可度最高的有限元分析软件则为ABAQUS,ADINA，在于这两者具有较强的非线性分析能力。
2.2.1 ANSYS的应用
朱奎等[9]基于ANSYS对刚-柔性桩复合地基进行研究，在分析过程中对桩、承台采用线弹性模型，对土体和褥垫层采用Drucker-Prager本构关系模拟其弹塑性，采用三维8节点实体单元建立模型，并利用ANSYS中的接触单元与刚性单元模拟桩土界面间的接触，为简化求解过程与提高计算效率，利用对称性对实际计算域的1/4建立模型并展开有限元分析。研究结果表明，承台平均沉降随褥垫层厚度增加或模量增加而减小，柔性桩桩长增大同样可以减小平均沉降。
郭院成[10]、周爱军[11]同样基于ANSYS对复合地基进行研究，有限元计算模型中桩和土体所采用的本构关系以及模型采用的单元、接触与朱奎等相似。郭院成等对长短桩复合地基的研究结果表明，复合地基中桩长增加可使沉降变形减小，而桩数增加和桩长增大均会使桩土应力增大。周爱军等对CFG桩复合地基的研究结果表明桩长一定的条件下，桩土应力比随垫层厚度的增加而减小，随刚度的增加而增加(见图2)。
2.2.2 ABAQUS的应用
吕亚茹[12]、于慧等[13]基于ABAQUS对X形桩复合地基进行有限元分析，利用X形的异性对称截面的特性，选取三维实体模型的1/4进行有限元分析，约束外边界的水平位移，对称中心面采用对称边界，对桩身采用线弹性模型，土体和褥垫层采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，通过ABAQUS的接触模块模拟桩-土之间的黏结、滑移、脱离，用改进的Newton-Raphson法进行求解可以有效减少迭代过程中的计算量。分别对比圆形桩和X形桩复合地基的现场试验与有限元分析结果(见图3)，可以看到两种不同的研究方法结果存在差异，但图3中两对曲线的分布趋势吻合较好，证明了有限元分析所建立模型的合理性[14]。
2.2.3 ADINA的应用
杨志华等[15]基于ADINA对水泥土搅拌桩复合地基进行有限元动力时程分析，通过ADINA提供的Viscoelastic模块，采用线性黏弹性动力本构模型来模拟土体，通过Elastic 模块将上部结构简化为完全弹性体。采用平面4节点单元建立二维平面简化模型，通常情况下，通过选取足够大的区域并施加恰当的边界条件来近似考虑远场的影响。研究结果表明，在地震荷载下，提高土体模量，可使加固区内吸收的地震能量有所加大，从而降低加固区内位移峰值和速度峰值。
2.3 综合性能对比
本节论述了有限元在复合地基中的应用并对部分软件进行对比(见表3)。综合来讲，在复合地基模拟过程中，ANSYS的命令流操作非常方便，在结构循环优化方面有较大优势，不足之处是非线性方面功能比较差，主要功能局限于线性方面；ABAQUS虽然在隐式非线性方面比不上ADINA，但在显式非线性方面具有一定的特色；ADINA作为非线性功能最强大的有限元软件之一，在处理结构非线性及多物理场耦合方面的问题上非常出色，同时拥有很强大的流固耦合分析功能。
表3 有限元软件对比分析
3 有限元在复合地基应用中的优缺点及应用前景
3.1 有限元在复合地基应用中的优缺点
有限元分析拥有强大的功能，因此其应用越来越广泛。利用有限元的理论和分析方法，可以建立适当的模型来模拟实际工程中的各种工况，通过对比不同模型下的分析结果来选出最优的施工方案。
假定桩身为线弹性体，桩周及桩底土为弹塑性材料，通过有限单元法确定单桩承载力，除此之外，采用2D和3D有限单元法能够对单桩和群桩的负摩擦阻力进行分析计算，进而讨论土体的固结、不同桩体特性以及不同土层对桩的负摩擦阻力的影响。
有限元分析在工程中具有重大的意义，对于某些工程而言，进行物理试验所需要耗费的人力物力较大，所需设备相当昂贵，或者由于工程的复杂性，解析方法难以求解，此时数值方法便可以起到巨大的作用，数值分析结果是工程师对问题进行判断的重要依据之一。
有限元分析仍然存在部分不足，如：在分析计算复杂问题时需耗费十分惊人的计算资源；在实际应用时对使用者的经验要求较高；精确度取决于建模的水平和参数的真实性。
3.2 有限元分析的应用前景
回顾有限元分析的发展，可以看出有限元分析有广阔的应用前景，随着材料本构关系及单元形式不断发展，有限元分析将能够更精确地模拟并求解实际工程问题；随着新的数值分析方案的发展，复杂荷载工况和环境作用下，结构从初始到破坏的全过程的数值模拟也可以得以解决；随着有限元分析的发展，更多耦合作用的数值模拟也可以得到实现。
4 结论与展望
通过对近年来复合地基理论与技术发展的回顾，重点介绍了有限元分析在复合地基中的应用，可以得到如下几点结论和建议：
1)复合地基技术可以最大程度发挥出增强体和基体两者共同承担荷载的能力，其主要特点有以下几个方面：针对不同工况，可以由不同材料或不同工艺形成具有不同功能的加固体；为了更有效提高地基承载力和减小沉降，可以采用多元复合地基(由不同加固体形成的复合地基)；还可以将复合地基加固技术与非复合地基加固技术相互结合。因此，复合地基技术具有较高社会经济效益。
2)复合地基设计中，可以通过改变桩体的刚度、长度和复合地基置换率等设计参数来满足地基承载力以及控制沉降量的要求。但设计分析过程中，岩土体复杂的荷载、边界条件以及应力应变关系，往往需要采用数值方法进行求解。有限元分析在工程中的应用，为工程的设计带来了极大的便利，是计算机技术和工程技术结合运用的典型范例，随着有限元分析理论的发展，数值分析在复合地基的研究与应用中会发挥着越来越大的作用。
3)发展复合地基理论中，沉降计算是一个重点问题，应当重视其理论的发展，尤其是桩体复合地基沉降计算精度的提高。另外，复合地基质量检测较困难，可考虑结合随钻测量(Measurement While Drilling, MWD)以及钻孔感知(Drilling Process Monitoring, DPM)等新技术，提高测量、检测方面的数据精确性。
