复合地基简述

一、概述二、作用机理和破坏模式三、复合地基应力特征四、桩体复合地基承载力计算五、复合地基沉降计算六、基础刚度和垫层对桩体复合地基性状的影响一、概述1、概念复合地基一般指由两种刚度（或模量）不同材料（桩体和桩间土）所组成，在相对刚性基础下两者共同分担上部荷载并协调变形（包括剪切变形）的地基。其研究方法是在众多根桩所加固地基中，选择一根桩及其影响的桩周土所组成的单元体作为研究对象。复合地基与天然地基同属地基范畴，两者之间有内在联系，但又有本质的区别；复合地基与桩基都是采用以桩的形式处理地基，故两者具有相似之处，但复合地基属地基的范畴，而桩基属于基础范畴，两者又有其本质的区别。复合地基计算简图复合地基主要受力层在加固体内，而桩基的主要受力层是在桩尖以下一定范围内。由于复合地基理论的最基本的假设为桩与桩间土的协调变形。为此，从理论而言，复合地基中不存在类似桩尖中的群桩效应。复合桩基与桩基受力比较示意2、分类水平向增强体复合地基刚性桩复合地基柔性桩复合地基粘结材料桩复合地基散体材料桩复合地基竖向增强体复合地基复合地基按材料：散体土类桩―如碎石桩、砂桩等；水泥土类桩―水泥土搅拌桩、旋喷桩、水泥土夯实桩等；混凝土类桩―CFG桩、素砼桩、树根桩等。按强度：柔性桩―散体材料类桩，其与桩身材料的密实度有关；半刚性桩―水泥土类桩，其与水泥的掺入比有关；刚性桩―混凝土类桩，其与砼的强度等级有关。柔性复合地基、半刚性复合地基、刚性复合地基3、从荷载传递路线看：复合地基的本质是桩和桩间土共同直接承担荷载。浅基础桩基础桩体复合地基二、作用机理和破坏模式1、作用机理1）桩体作用由于桩体的强度较桩间土为大，在刚性基础等量变形时，地基中的应力将按材料的模量进行分布，在桩体上产生应力集中现象，大部分荷载由桩体承担，桩间土上应力减少。2）垫层作用桩与桩间土组成的复合层，由于其性能优于原天然地基，它可起到类似垫层的换土、均匀地基应力、增大应力扩散角的作用。在桩体未有贯穿整个软弱土层时的复合地基中，垫层的作用尤其明显。3）加速固结作用除碎石桩和砂桩具有良好的透水性，可加速地基的固结外，水泥土类、混凝土类桩也可加速地基的固结。Cv=k(1+e。)/γw·at=2.47H2/Cv式中：Cv－固结系数；k－渗透系数；e。－天然孔隙比；γw－水的重度；a－压缩系数；H－土层固结的厚度；T－最终沉降完成所需时间。水泥土类桩使k降低，同时使a减小，而且后者的减小幅度要前者为大。4）挤密作用砂桩、土桩、夯实桩、砂石桩等由于施工过程中对桩周土具有挤密作用；生石灰桩由于其材料吸水、发热和膨胀等作用，对桩周土也具有挤密作用；据有关资料，其它类桩也对桩周土具有挤密作用，但其效果尚需进一步研究。5）加筋作用各种桩土复合地基不仅可提高地基土的承载力外，还可提高土体的抗剪强度，增加土坡的抗滑能力。强度增加/原强度2、破坏模式刺入破坏鼓胀破坏整体剪切破坏滑动破坏刺入破坏：桩体向下刺入，导致其承担荷载急剧下降，桩间土发生破坏，极易发生在刚性桩复合地基中；鼓胀破坏：桩周土不能提供足够侧向压力，导致桩体变形过大，易发生在散体材料桩中；整体剪切破坏：在上部荷载作用下，桩体发生剪切破坏，从而引起复合地基的全面破坏，易发生在低强度的柔性桩复合地基中；滑动破坏：复合地基沿滑动面发生剪切破坏，柔性地基较刚性地基易发生。复合地基破坏的模式比较复杂，一般认为其取决于桩体与桩间土的破坏特性，其中桩体的破坏特性是主要的。水泥土桩体与桩间土应力应变关系复合地基的二次屈服现象三、复合地基应力特征1、基底反力2、附加应力实测载荷板下复合地基反力分布图复合地基竖向附加应力等值线图m－置换率Ep/Es－桩土模量比3、桩土应力比桩土应力比是复合地基的一个重要设计参数，它关系到复合地基承载力和变形计算，它与荷载水平桩土模量比、桩土面积置换率、软地基土的强度、桩长固结时间和垫层情况等因素有关。复合地基的p--n关系曲线（桩与土的模量影响）n与桩土模量比的关系碎石桩复合地基n与m的关系应力一定时，Ep/Esn随着m的增大而越大，n越大减小，但幅度不大桩的长径比L/d与n的关系曲线n随着L增加而增大，但当桩长达到某一值时，n值基本上不再增加。为此，存在一有效桩长Lo的概念。L/d建筑物施工过程中碎石桩复合地基实测n与t的变化情况碎石桩复合地基n与t的关系曲线四、桩体复合地基承载力计算1、复合地基极限承载力pcf：pcf=k1λ1mppf+k2λ2(1-m)psf(2-2-1)式中ppf－单桩极限承载力，kPa；psf－天然地基极限承载力，kPa；k1－反映复合地基中桩体实际极限承载力与单桩极限承载力不同的修正系数，与地基土质k2－反映复合地基中桩间土实际极限承载力与天然地基极限承载力不同的修正系数λ1－复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例λ2－复合地基破坏时，桩间土发挥其极限强度的比例m－复合地基置换率，m=Ap/A，其中，Ap为桩体面积，A为对应的加固面积2、确定桩体极限承载力ppfa.桩体极限承载力ppf可通过现场试验确定（首选）。b.无试验资料时，对刚性桩复合地基和柔性桩复合地基，桩体极限承载力可采用类似摩擦桩极限承载力计算式计算，其表达式为：按上式计算桩体极限承载力外，尚需计算桩身材料强度允许的单桩极限承载力，即：取二者中较小值为桩的极限承载力。PpiapfARALfSp/)(qppfc.无试验资料时，对散体材料桩复合地基，桩体极限承载力可通过计算桩间土侧向极限应力确定，其表达式为：式中，σru－桩侧土体所能提供的最大侧限力，kPa；(P22)Kp－桩体材料的被动土压力系数，kPa；pruPfKP3、确定天然地基极限承载力psfa.天然地基极限承载力psf可通过载荷试验确定（首选）。b.土工试验资料，查阅有关规范。c.Skempton极限承载力公式。五、复合地基沉降计算复合地基的总沉降量s的表达式：s1为加固区的压缩量，s2为加固区下卧土体的压缩量。sss121、加固区土层压缩量s1计算：1）复合模量法：将复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合土体，采用复合压缩模量ECS来评价复合土体的压缩性。采用分层总和法计算S1：式中△pi－第i层复合土上附加应力增量Ecsi－第i层复合土层的复合压缩模量Hi－第i层复合土层的厚度niicsiiHEps11复合压缩模量Ecsi：式中EP－桩体压缩模量Es－土体压缩模量spcsEmmEE12）应力修正法：在该法中，根据桩间土承担的荷载ps，按照桩间土的压缩模量Es，采用分层总和法计算加固区土层的压缩量S1：式中μs——应力修正系数；n——桩土应力比；m——复合地基置换率；△psi——复合地基在荷载作用下第i层桩间土的附加应力增量，相当于未加固地基在荷载ps作用下第i层土上的附加应力增量；s1s——未加固地基在荷载作用下相应厚度内的压缩量。ninilsssissisisHEpHEps11111111nms3）桩身压缩量法：在荷载作用下，桩身压缩量sp为：式中μp——应力修正系数；l——桩身长度，即等于加固区厚度hn——桩土应力比；m——复合地基置换率；pbo——桩底端端承力密度；Ep——桩身材料变形模量。加固区压缩量s1:△——桩底端刺入下卧层土体的刺入量。11nmnplEppspbopp2pss12、复合地基加固区下卧层土层压缩量s2计算：通常采用分层总和法计算。作用在下卧层土体上的荷载或土体中附加压力是难以精确计算的。目前在工程应用上，常采用下述三种方法计算：1）压力扩散法：加固区下卧层上附加压力示意图（右下）。作用在下卧层上的pb为：式中p－复合地基上荷载密度B－作用宽度；D－作用长度β－压力扩散角；h－加固区厚度条形基础：2）等效实体法：加固区下卧层上附加压力示意图（右下）。作用在下卧层上的pb为：式中p－复合地基上荷载密度B－作用宽度；D－作用长度f－等效实体侧平均阻力密度；h－加固区厚度条形基础：3）改进Geddes法：复合地基总荷载为p，桩体承担pp，桩间土承担ps=p-pp。桩间土承担的荷载ps在地基所产生的竖向应力σz,Q，其计算方法和天然地基中应力计算方法相同。桩体承担的荷载pp在地基中所产生的竖向应力采用Geddes法计算。然后叠加两部分应力得到地基中总的竖向应力。Geddes将长度为L的单桩在荷载Q作用下对地基土产生的作用力，近似为如上图所示的桩端集中力Qp，桩侧均匀分布的摩阻力Qr和桩侧随深度线性增长的分布摩阻力Qt等三种形式荷载的组合。Geddes根据弹性理论半无限体中作用一集中力的Mindlin应力解积分，导出了单桩的上述三种形式荷载在地基中产生的应力计算公式。单桩荷载分解为三种形式荷载的组合垫层对桩体复合地基性状影响：a.为提高柔性基础下复合地基的桩土荷载分担比，减小复合地基沉降，可在复合地基和柔性基础之间设置刚度较大的垫层（如土工格珊碎石垫层、灰土垫层）。不设置刚度较大的垫层的柔性基础下复合地基应慎用。b.为改善刚性基础下复合地基性状，常在复合地基和柔性基础之间设置柔性垫层（如砂石垫层）。可减小柔性基础下复合地基的桩土荷载分担比，同时可改善复合地基中桩体上端部分的受力状态。c.刚性基础下复合地基的桩土荷载分担比与设置的砂石垫层的厚度有关：垫层愈厚，荷载愈小。但是，垫层厚度达到一定数字后，继续增加垫层厚度，桩土荷载分担比并不会继续减小。