地基处理—2复合地基.

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1、地基处理 (Ground Treatment/Improvement) 地基处理2复合地基理论 （Composite subgrade/ground theory） 2.1 概述(Summary) 2.2 复合地基的作用机理(Mechanism of action of composite subgrade) 2.3 复合地基的承载力(Bearing capacity of composite subgrade) 2.4 复合地基沉降 (Settlement of composite subgrade) 2.5 算例(Numerical example) 2.1 概述 1、复合地基与地基处理的

2、关系 地基处理 通过夯实、排水固结等方法使天然土体整体物理性质 得到改良的地基。（图2.1） 在天然地基中添加了与天然土体不一样的材料，通过 加入材料和天然土体协同作用的地基复合地基 2、复合地基的定义与分类 复合地基天然地基在地基处理过程中，添加了其他非天然地基的材料， 从而形成了增强体，这种人工地基即为复合地基。 处理结果上 图2.1 复合地基 增强体方向 的不同 水平向增强体复合地基 竖向增强体复合地基(又称桩式复合地基) 适用于路堤和油罐等地 基的加固 图2.3 桩式复合地基 图2.2 水平向增强体复合地基 加筋层复合地基 换填垫层复合地基 竖 向 增 强 体 复 合 地 基 散体材料

3、桩复合地基（例如碎石桩、砂桩复合地基） 非散体材料桩复合地基 竖向增强体材料的 黏结性质 竖向增强体材料的 刚度 柔性桩复合地基（例如深层搅拌桩、旋喷桩复合地基） 半刚性桩复合地基（例如水泥粉煤灰碎石桩复合地基， CFG桩） 刚性桩复合地基（例如钢筋混凝土桩复合地基） 散体材料桩复合地基的特点桩体无粘聚力，单独不能成桩，只有依靠周围土 体的 围箍作用才能形成桩体。 柔性桩复合地基的特点桩体有较强的粘聚力，但模量和刚度远比混凝土小，在大 荷载作用下会变形过量甚至断桩。 3、复合地基与天然地基的区别 2.2 复合地基作用机理 2.2.1 复合地基与桩基础及浅基础的区别 浅基础: 上部荷载 地基土体

4、 桩基础: 上部荷载地基土体桩体 侧摩阻力+ 桩端端承力 复合地基： 上部荷载 地基土体 桩体 地基土体 对于散体材料桩：桩体鼓胀传递给桩侧土+竖向传递给深层土体 对于黏结材料桩：侧摩阻力+桩端端承力 2.2.2 复合地基中的主要参数(Major parameters in composite subgrade) 1、置换率(replacement ratio) 单桩桩体横截面积；(cross-sectional area of single pile) 总桩数；total number of piles 基础总面积；(total area of foundation) 从总体角度来定义，复合

5、地基置换率m在整个基础范围内的定义为： 设每根桩分担的处理地基面积为Ae，则可以定义复合地基的置换率m为 ： 此概念仅适用于桩式复合地基的计算。 （2-1） （2-2） 2、复合地基的压缩模量（compressive modulus of composite subgrade） 适用于桩式复合地基和水平向增强体复合地基的计算。 由于复合地基加固区是由增强体和天然土体组成，所以利用材料力学的 方法，由桩土变形协调条件可得： 复合地基的压缩模量 桩体的压缩模量(compressive modulus of pile) 土体的压缩模量(compressive modulus of soil) （2-

6、3） 式（2-3）的推导过程：假设桩土系统应变相等，作用在整个面积上的力等于 作用在桩和土体上力的和。 两边同除以 3、桩土应力比(pile-soil stress ratio) 桩土应力比在复合地基加固区的上表面，桩体的竖向应力和桩间 土的竖向应力之比。其值的大小可以用来定性地反映复合地基的工作 状况。 （2-4） 桩体部分所受的竖向应力 桩间土部分所受的竖向应力 桩土应力比的影响因素荷载水平、荷载作用时间、桩间土性质、 桩体刚度、复合地基置换率。 2.2.3 桩式复合地基的作用机理 1、加固机理 桩式复合地基承载能力提高的来源挤密效应、置换效应、加速排水效应 。 对于散体桩复合地基而言：

7、砂土地基挤密效应比较显著 软黏土地基置换效应、加速排水效应比较显著 土体受到扰动 柔性桩复合地基主要通过置换作用提高地基承载力， 承载力大于散体桩复合地基。 半刚性桩复合地基主要通过置换作用提高地基承载力， 承载力大于柔性桩复合地基。 2、破坏形式 破坏形式刺入破坏、鼓胀破坏、桩体剪切破坏、整体滑动破坏。 其中，刺入破坏是桩体刚度较大、地基土强度较低时最容易发生的一种破坏 形式，是桩尖向下卧层的刺入使变形加大导致的破坏。 其中，鼓胀破坏是由于荷载较大时，桩间土不能提供足够的围压来阻止桩体发 生过大的侧向变形，从而产生桩体向四周鼓胀，进而引起复合地基全面破坏。 刺入破坏鼓胀破坏桩体剪切破坏整体滑

8、动破坏 散体桩复合地基主要破坏形式为鼓胀破坏；也可能发生桩体剪 切破坏和整体滑动破坏。 柔性桩复合地基主要破坏形式为刺入破坏、桩体剪切破坏和整 体滑动破坏。 半刚性桩复合地基主要破坏形式为刺入破坏。 常见复合地基的破坏形式： 3、荷载传递特点 散体桩复合地基荷载传递特点： 在垂直力作用下，桩体在受压力的同时，发生侧向挤胀。在桩 身侧壁即存在侧摩阻力、又受到土对桩的挤压反力的作用。桩身应力 向下衰减得很快，桩端阻力很小。 散体桩复合地基的桩侧摩阻力f与桩身压力Q随深度变化 柔性桩复合地基荷载传递特点： 在垂直力作用下，桩身不致因侧向约束不足而破坏，但桩身的 刚度仍然不是太大，在外荷载作用下，桩身

9、仍可能发生较大的压缩变 形，其应力分布与散体材料桩类似。 纵上，可见柔性桩存在一个有效桩长，桩身应力主要集中在有效桩长范围内。超过 有效桩长的部分，由于桩土同步压缩，桩体基本上不再承担荷载的作用。 柔性桩复合地基的桩侧摩阻力与桩身压力随深度变化 2.3 复合地基的承载力 1、承载力计算通用公式 复合地基的承载力依据一定的原则，将桩体和桩间土的承载力进行叠加 得到的承载力。（主要由于桩和土体不是同时达到极限状态） （2-5） 桩式复合地基的承载力特征值 kPa 单桩承载力特征值 kN 处理后桩间土承载力的特征值，可取天然地基的承载力特 征值 kPa 对于不同类型的复合地基，通过改变式（2-5）中

10、各个参数的取值，即可 求得该类型复合地基的承载力特征值。 2、复合地基加固区下卧层承载力验算（常用于换填垫层复合地基计算） 下卧层承载力验算的条件当复合地基加固区下有软弱下卧层时 荷载效应标准组合时，下卧层顶面处的附加压应力值，kPa； 下卧层顶面处的自重应力值，kPa； 下卧层顶面处经修正的地基承载力特征值，kPa； （2-6） 条形基础或矩形基础荷载的扩散 在式（2-6）中，对条形基础而言 ： （2-7） 对矩形基础而言： （2-8） 式中： 下表采用 。 地基 地基压力扩散角 由此即可确定加固区和下卧层顶面处经修正的地基承载力特征值，kPa； 2.4 复合地基的沉降 2.4.1 复合地基

11、沉降计算方法 s复合地基总的沉降量，mm s=s1+s2 s1加固区的沉降量，mm s2桩端以下土体的沉降量，mm （2-9） 通过桩土应力比来表示，式（2-10）可写为： （2-11） 其中，对桩土应力比的取值规定如下： 对强夯置换桩、柱锤冲扩桩和振冲桩，基础底板下为黏性土时，可取24，对 粉土和砂土可取1.53，原土强度低取大值，原土强度高取小值。 1、加固区沉降量的计算 前面介绍过复合地基的压缩模量，其表达式为： （2-10） 则加固区土层的压缩量为（计算时i易取1，主要原因是加固区基本上为一 个整体）： （2-12） 式中 ： 第i层土的平均附加应力，kPa (可以通过查规范提供的表格

12、得到) 第i层土的复合压缩模量，MPa 第i层土的厚度，m 该计算方法的优点 ： 计算方便 对柔性桩和散体材料桩加固区沉降计算比较实用 在工程上应用面积加权之和计算复合地基加固区沉降是安全的 该计算方法的缺点 ： 由于假设桩土变形相等，因此该方法不适用于刚性桩复合地基的计算 。 同时加固区土层的压缩量还可以按下式计算（计算时i易取1 ）： （2-13） 确定，无经验时可按规范 查表获得。 可按规范查表获得。 2、桩端以下压缩区土体沉降量的计算 桩端下压缩区沉降量计算方法： (1) 单向压缩分层总和法（混凝土桩沉降的计算方法） (2) 规范推荐的分层总和法（天然地基沉降的计算方法） 计算过程中，

13、地基内的应力分布宜采用各向同性均质线性变形理论，对于 桩中心距不大于6倍桩距的桩基，可按实体深基础法计算。 同时也可按明德林应力公式法进行计算。（此法过于复杂，不再介绍） 此方法将桩式复合地基看为承载力更高的均质土体，即可分层计算加固区 和压缩区土体的沉降。（此方法计算较为简便，即不考虑应力的扩散，直 接从基础底面分层计算即可） 此方法将桩式复合地基看为打入土体中的桩基，桩基将应力按一定角度扩 散。随后，按照新的扩展面进行压缩区沉降的计算。 下面将详细介绍实体深基础法 实体深基础法 （2-14） （2-15） 压力扩散法 等效实体法 压力扩散法 ： 式中 ： 基础底面的附加应力 承台底面桩外围

14、所围矩形的长、宽 承台底面桩外围长、宽方向桩到承台外边沿的距离 桩长 桩长范围内土体平均内摩擦角 （2-16） 等效实体法 ： 式中 ： 基础底面的附加应力 承台底面桩外围长、宽方向桩到承台外边沿的距离 桩长 桩身的侧摩阻力 （2-17） 实体深基础法的缺点： 由于复合地基中的桩体的刚度不是很大，因此把桩长范围内土体和桩体当成刚性 体是不符合实际的。 2.4.2 复合地基沉降计算方法选择 1、散体材料桩复合地基沉降计算方法 加固区的压缩量常采用复合模量法计算；能估计桩土应力比时，也可采用修正应力法 。 下卧层压缩量可采用实体深基础法计算； 地基中附加应力计算常采用压力扩散法。 2、柔性桩复合地

15、基沉降计算方法 加固区的压缩量常采用复合模量法计算；能估计桩土应力比时，也可采用修正应力法 。 （同散体） 下卧层压缩量可采用实体深基础法计算；（同散体） 地基中附加应力计算可采用压力扩散法或等效实体法。 由于柔性桩复合地基的受力特性与散体材料桩类似，因此沉降计算方法也相似。 3、刚性桩复合地基沉降计算方法 由于刚性桩复合地基置换率较小，桩土模量比比较大，桩土应力比比较高，在 荷载作用下桩的承载力难以充分发挥。因此按照桩体达到极限工作状态时的沉降来 估算加固区沉降（即桩的压缩量）。 例如：钢筋混凝土桩复合地基，桩距大于6倍桩径时，置换率才2%左右，桩土应力 比在20100之间。 若桩端存在软弱下卧层，下卧层沉降采用实体基础法，地基中附加应力常采用 等效实体法计算。 2.4 算例 该楼 当于 设计 直径 直径 ，直径为 -18。 求荷 压缩模量 Ep1=70.0MPa，钻孔灌注桩压缩模量Ep2=3000MPa，求其复合压缩模量Esp。 2-17 基础平面图与剖面图 2-18 桩位平面图 解：（1）求置换率m 基础总面积为: A=30.0815.34=472.47 m2 直径为500mm桩的总面积为: 总桩数 Np1=45 根 单桩面积 总面积 直径为600mm桩的总面积为: 总桩数 Np2=15+44根 单桩面积 总面积