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1、第四章 复合地基的基本概念,1,第四章 复合地基的基本概念,4.1 复合地基的定义 4.2 复合地基的分类 4.3 形成复合地基的条件 4.4 复合地基中的几个名词 4.5 复合地基的效应,第四章 复合地基的基本概念,2,4.1 复合地基的定义,composite subgrade; composite foundation 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。加固区整体看是非均匀的。,第四章 复合地基的基本概念,3,composite subgrade; composite f
2、oundation 复合地基由两个基本特点：一、加固区是基体和增强体两部分组成，是非均质和各向异性的；二、荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。前一种特征使它区别于均质地基（包括天然的和人工的均质地基），后一特征使它区别于桩基础。基体和增强体形成复合地基有一定的条件，在荷载作用下，通过两者变形协调，共同分担荷载。从荷载传递机理看，竖向增强体复合地基界于均质地基和桩基础之间。在某种意义上讲，均质地基和桩基础是竖向增强体复合地基的两种特殊情况。以后可以看到，当复合地基置换率等于零的时候，复合地基退化为均质地基，当复合地基桩间土强度发挥度等于零时，复合地基退化为桩基。,第四章 复合地基的基本概
3、念,4,复合地基技术在我国得到了广泛的应用和发展。据不完全统计，在地基处理中应用的桩型不下十几种，其中应用比较广泛的有：振冲碎石桩复合地基干振碎石桩复合地基砂土桩复合地基灰土桩复合地基石灰桩复合地基深层搅拌水泥土桩复合地基粉喷水泥土桩复合地基夯实水泥土复合地基水泥粉煤灰碎石桩复合地基。等等 显然，上述复合地基主要是由增强体材料性质和成桩工艺而定名的。例如，增强体材料为水泥土，则称为水泥土桩复合地基。而按施工工艺不同又分为深层搅拌桩（由水泥浆与原土强制搅拌而成）复合地基、粉喷桩（由水泥粉和原土强制搅拌而成）复合地基、旋喷桩（由高压喷射注浆旋喷法形成的水泥土桩）复合地基和夯实水泥土桩（由在孔外将水
4、泥粉和过筛的土均匀拌和、分层回填夯实而成）复合地基。 又比如，桩体材料为碎石的碎石桩复合地基，根据施工工艺的不同又可分为振冲碎石桩复合地基、干振碎石桩复合地基、振动沉管挤密碎石桩复合地基和强夯置换碎石桩复合地基。,4.2 复合地基的分类,第四章 复合地基的基本概念,5,许多学者基于试验研究和工程应用方面的考虑，按桩体材料的性状、施工工艺和桩在复合地基的承载特性，对复合地基进行分类， 按成桩材料分类如下： （1）散体土类桩。如砂（砂石）桩、碎石桩等。 （2）水泥土类桩。如水泥土搅拌桩、旋喷桩等。 （3）混凝土类桩。如CFG桩、树根桩等。 按桩体刚度的分类如下： （1）柔性桩。散体土类桩属于此类桩
5、 （2）半刚性桩。如水泥土类桩。 （3）刚性桩。比如混凝土类桩。 按桩体材料的性状，特别是桩体置换作用的大小，将复合地基分类如下： （1）散体桩复合地基。如砂桩、碎石桩为增强体的复合地基。 （2）一般粘结强度桩复合地基。如石灰桩、水泥土桩为增强体的复合地基。 对一般粘结强度桩可以再细分为： 低粘结强度桩复合地基。如石灰桩复合地基。 中等粘结强度桩复合地基。如旋喷桩、夯实水泥土桩为增强体的复合地基。,第四章 复合地基的基本概念,6,（3）高粘结强度桩复合地基。比如CFG桩复合地基。 桩体粘结强度的变化，对复合地基的工作性状影响很大。按桩体材料粘结强度分类，有助于对复合地基个性的认识和系列化的研究
6、。 复合地基中的桩体为同一种材料的称为单一桩型复合地基。这类复合地基可以是桩径相同，而桩距和桩长不同。比如如图所示、土层为相对硬土层，考虑到复合地基中桩距既不宜过大、也不宜过小的原则，当全部采用短桩方案时，承载力和变形不能满足设计要求，当全部采用长桩设计方案时，设计又过于保守。此是可以采用长、短桩相结合的复合地基方案。,第四章 复合地基的基本概念,7,由两种或两种以上类型的桩组成的复合地基，称为多桩型复合地基。比如对于下图所示的可液化地基，设计当中，既要求消除土体的液化，又要求有很高的复合地基承载力。当用单一的振冲碎石桩或振动沉管挤密碎石桩加固地基，虽然可以消除液化，但是承载力达不到要求。此时
7、，可采用碎石桩加振动沉管CFG桩多桩型复合地基方案，以达到既消除液化又大幅度提高承载力的目的。 当基础底面以下的地基土有相对软的土层或者平面上局部有较软土层时，也可以采用水泥土桩（软土层不厚且无地下水时可用夯实水泥土桩）加固，然后再打设模量更高的桩，比如CFG桩等，形成多桩型的复合地基，应用效果也很好。,第四章 复合地基的基本概念,8,4.3 形成复合地基的条件,现在需要回答的问题是：在天然地基中设置了增强体是否就形成了复合地基？怎样才能形成复合地基？,第四章 复合地基的基本概念,9,4.3.1 中高粘结强度桩（比如夯实水泥土桩和CFG桩）,1. 基础与桩之间不设置褥垫层 如右图所示，土层I为
8、较软弱土层，土层II为坚硬土层，土层II的压缩模量远远大于土层I的压缩模量。图1中基础直接作用于桩和桩间土上，桩穿透土层I，桩端落在土层II上。由于桩段落在坚硬土层上，复合地基沉降主要由桩的压缩变形控制。通常桩的压缩模量远大于桩间土，其压缩变形很小。相应桩间土的变形很小，桩间土的承载能力很小，桩间土的承载能力很难发挥，荷载基本由桩承担。,第四章 复合地基的基本概念,10,为了发挥桩间土的承载能力，也可认为缩短桩长，使桩段落在土层I中，形成悬浮桩，如图2所示。此时，桩的沉降加大，桩间土的变形有所增加，其承载能力有所发挥，但即使如此，桩间土的承载能力也不能充分发挥，其受力特性和桩基础相类似。 参照
9、JGJ94-94建筑桩基技术规范，摩擦桩的桩间土承载能力发挥系数为0.110.48，显然，桩间土强度的发挥程度很低。因此，基础直接作用在桩和桩间土上，无论桩端是否落在好土层上，桩间土的承载能力都不能充分发挥。更重要的事，在后一种情况下，桩端落于土层I，端组效应大大削弱，导致复合地基的承载力显著降低，这又为不合理。,第四章 复合地基的基本概念,11,2. 基础与桩和桩间土之间设置一定厚度的褥垫层,如右图所示，基础与桩和桩间土之间设置一定厚度的散粒状材料组成的褥垫层，则受力情况与前面所讲得就有很大的不同。 在荷载的作用下，由于桩的模量远大于土的模量，桩间土表面变形大于桩顶变形，桩向褥垫层刺入，伴随
10、着这一变化过程，粒状散体材料不断调整补充到桩间土表面上，基础通过褥垫层始终与桩间土保持接触，桩间土始终参与工作，桩间土承载能力可得以发挥。,第四章 复合地基的基本概念,12,可见，基础下是否设置褥垫层，对复合地基受力影响很大。基础下不设置褥垫层，复合地基承载特性与桩基础相似，在给定的荷载作用下，桩承受较多荷载，随时间增加，桩发生一定的沉降，一部分荷载逐渐向土体转移，桩承担的荷载随时间的增加而有所减少，土承担的荷载随时间的增加而有所增加。桩间土承载力发挥依赖于桩的沉降，如果桩端落在坚硬土层上，桩的沉降很小，桩上荷载向土上转移数量很小，桩间土承载能力难以发挥，不能成为复合地基。 基础下设置褥垫层，
11、桩间土承载能力的发挥就不单纯依赖于桩的沉降，即使桩端落在好土层上，也能保证荷载通过褥垫作用到桩间土上，使桩土共同承担荷载。,第四章 复合地基的基本概念,13,4.3.2 散体桩和低粘结强度桩（比如碎石桩和石灰桩）,碎石桩等散体材料桩复合地基以及石灰桩等桩体粘结强度很低的复合地基，不设置褥垫层，也可以充分发挥桩间土的承载能力。这是因为这些桩体本身为散体材料组成，具有褥垫作用，或者在荷载作用下，桩体顶部破坏，形成了褥垫层。,第四章 复合地基的基本概念,14,深层搅拌桩和旋喷桩复合地基桩体具有一定的粘结强度，从前面可以知道，基础下不设置一定厚度的褥垫层，复合地基工作性状与桩基础相似，桩间土强度难以发
12、挥。因此，JGJ79-2002建筑地基处理规范中规定这两种桩型的复合地基桩间土承载立发挥系数 为： 深层搅拌桩复合地基： 当桩端土为软土时， 可取0.50.9。 当桩端土为硬土时， 可取0.10.4。 旋喷桩复合地基： =0.20.6。 由于不设置褥垫层，复合地基桩间土承载力很难发挥，许多学者认为，这样的人工地基不能划归复合地基，同时建议在基础和桩之间设置一定厚度的褥垫层并相应提高桩间土承载力发挥系数。 尤为重要的是，对水泥土桩复合地基，基础下设置一定厚度的褥垫层，还可以改善复合地基桩土相互作用性状。由于褥垫层的变形调整作用，桩间土表面沉降大于桩顶沉降，在桩的上部形成负摩擦区，负摩擦力对于桩基
13、础是不利的，但对复合地基，桩有阻止桩间土下沉的作用，减小桩间土的沉降变形。,第四章 复合地基的基本概念,15,对与水泥土桩复合地基，基础下设置一定厚度的褥垫层，还可以提高桩的承载能力。基础下设置褥垫层后，桩间土分担的荷载大大增加，使桩间土垂直附加应 力 增加，桩间土水平附加应力 （ 为土泊松比）， 随之增加。 的增加对桩有两个作用： （1）增加了桩间土对桩侧的正压力，提高了桩的侧摩阻力，从而提高了桩的承载能力。 （2）桩体材料的室内三轴试验表明，水泥土抗压强度随围压 的增加而有所增加，可提高桩体抗压强度，尤其可增强桩顶部位抵抗受压破坏的能力。,第四章 复合地基的基本概念,16,通过以上的讨论可
14、以得到如下认识： （1）由增强体（桩）、桩间土构成的复合土体与基础之间应设置一定厚度的褥垫层（褥垫层材料一般为散体材料，如砂、碎石等），以保证桩土共同承担荷载。特别是对于中、高粘结强度桩、褥垫层是复合地基中不可缺少的一个组成部分。 （2）在散体桩（如碎石桩）和低粘结强度桩（如石灰桩），有时没有设置褥垫层，也能保证桩土共同承担荷载。,第四章 复合地基的基本概念,17,4.4 复合地基中几个重要的名词,复合地基中，一根桩和它所承担的桩间土体为一复合土体单元。在这一复合土体单元中，桩的断面面积 和复合土体单元面积 （复合土体桩间土面积与桩的断面面积之和）之比，称为面积置换率，并用 表示： 实际工程中
15、，由于地基土岩性的变化、上部结构荷载的不均匀性，以及基础平面尺寸等因素的影响，不可能整个基础下都是等间距布桩。对只在基础下布桩的复合地基，桩的断面面积之和与基础总面积相等的复合土体面积之比，称为平均面积置换率。,一、置换率,第四章 复合地基的基本概念,18,对一复合土体单元，在荷载作用下，桩和桩间土受力如图所示。 桩顶应力； 为桩间土表面应力。则桩土应力比 为：,二、桩土应力比,第四章 复合地基的基本概念,19,实际工程中，即使是单一桩型的复合地基，由于桩处在基础下的部位不同或桩距不同，桩土应力比也不同。定义基础下桩的平均桩顶应力与桩间土平均应力之比为平均桩土应力比。 基础下的平均桩土应力比是
16、反映桩土荷载分担的一个参数，其他参数相同时，桩土应力比越大，桩承担的荷载占总荷载的百分比越大，此外，桩土应力比对某些桩型（例如碎石桩）也是复合地基的设计参数。 一般情况下，桩土应力比与桩体材料、桩长、面积置换率等有关。 其他情况相同时，桩体材料刚度越大，桩土应力比越大；桩越长，桩土应力比越大；置换率越小，桩土应力比越大。,第四章 复合地基的基本概念,20,复合地基中，桩土的荷载分担可以用桩土应力比表示，也可用桩土荷载分担比 、 表示： 式中： 桩承担的荷载； 桩间土承担的荷载； 总荷载。 当平均面积置换率已知后，桩土荷载分担比和桩土应力比可以相互表示。,二、桩土荷载分担比,第四章 复合地基的基本概念,21,当测得了桩土荷载分担比 、 后，可求得桩顶平均应力： 桩间土平均应力为： 桩土应力比为：,第四章 复合地基的基本概念,22,同样，当测定了桩土应力比以后，可求
