Henan Polytechnic University 地基处理技术 复合地基理论 Theories of Composite Foundation Technical of Soil Improvement Henan Polytechnic University n第一节 复合地基概述 n第二节 复合地基作用机理与破坏模式 n第三节 复合地基的设计参数 n第四节 复合地基的承载力 n第五节 复合地基沉降与沉降 Henan Polytechnic University 一、复合地基的概念 复合地基（composite subgrade ）：部分土体被 增强或被置换形成增强体，由增强体和周围地基土共同 承担荷载的地基增强体和周围地基土协调变形，共同 承担上部结构传下来的荷载 二、复合地基分类 复合地基根据地基中增强体的设 置方向可分为水平向增强体复合地基 和竖向增强体复合地基两大类 第一节 复合地基概述 Henan Polytechnic University （2）复合地基分类 1）根据地基中增强体的方向分类 l水平向增强体复合地基:土工聚合物、金属材料格栅等 形成的复合地基 。
l竖向增强体复合地基:桩体复合地基 人工地基分类人工地基分类 均质人工地基双层地基 水平向增强体 复合地基 竖直向增强体 复合地基 Henan Polytechnic University 碎石桩复合地基 强夯置换复合地基 Henan Polytechnic University 码头 机场 Henan Polytechnic University （2）根据复合地基工作机理可作下述分类； 复合地基常用的形式 水平向增强 复合地基 竖直向增强 复合地基 斜向增强复 合地基 长短桩复合 地基 Henan Polytechnic University 3. 复合地基特点 n 复合地基与天然地基比较： 复合地基加固区是由增强体和基体两部分组成，是非均 质和各向异性的，该特点使复合地基区别于均质地基 天然地基复合地基 地基 - 复合地基区别 垫 层 Henan Polytechnic University 复合地基与桩基比较 ① 桩身材料与强度复合地基中桩有散体材料桩、柔性桩、半刚性桩和刚性桩； 桩基中的桩均为刚性桩； ② 桩与上部结构的连接方式复合地基中桩体与基础不是直接相连的，它们之间 通过垫层（碎石或砂石垫层）来过渡；而桩基中桩体与基础直接相连，两者形成一 个整体。
③ 受力特性不同复合地基的主要受力层在加固体内，由基体和增强体两部分共 同承担上部荷载、协同工作；而桩基的主要受力层是在桩尖以下一定范围内，主要 由桩体承担荷载作用 ④ 群桩效应问题由于复合地基的理论的最基本假定为桩与桩周土的协调变形 为此，从理论而言，复合地基中也不存在类似桩基中的群桩效应 a.桩基础 b.复合地基 由桩体由桩体 承担荷承担荷 载载 基体和增基体和增 强体共同承强体共同承 担荷载担荷载 垫层 承台 Henan Polytechnic University 地基,复合地基,桩基的区别 天然地基复合地基 桩基础 荷载传递路线的不同是浅基础、复合地基和桩基础等三种地 基基础形式的基本特征 浅基础：荷载直接传递给地基土体 对桩基础：荷载通过桩体传递给地基土体 复合地基：荷载一部分通过桩传递给地基土体，一部分直接 传递给地基土体 Henan Polytechnic University 第二节 复合地基作用机理和破坏模式 加速固结作用 （1）复合地基作用机理 1）桩体作用 复合地基承载力和整体刚度高于原地基，沉降量有所减少 2) 垫层作用 可起到类似垫层的换土、均匀地基应力和增大应力扩散角等作用。
3)加速固结作用 除碎石桩、砂桩具有良好的透水特性，可加速地基的固结外，水泥土类 和混凝土类桩在某种程度上也可加速地基固结 4)挤密作用 在施工过程中由于振动、挤压、排土等原因，可使桩间土起到一定的密实作 用 5)加筋作用 各种复合地基除了可提高地基的承载力和整体刚度外，还可提高土体的 抗剪强度，增加土坡的抗滑能力目前在国内的深层搅拌桩、粉体喷搅桩 和砂桩等以被广泛地用于高速公路等路基或路堤的加固，这都利用了复合 地基中桩体的加筋作用 Henan Polytechnic University 2 破坏模式 复合地基的破坏形式可分为以下四种： 刺入破坏、鼓胀破坏、桩体剪切破坏和整体滑动破坏 复合地基中桩体可能破坏模式 (a) 刺入破坏；(b) 鼓胀破坏；(c) 整体剪切破坏；(d) 滑动破坏 Henan Polytechnic University a.刺入破坏: 桩体刚度较大，地基土强度较低的情况下较易发生桩 体刺入破坏桩体发生刺入破坏后，不能承担荷载，进而引起桩间 土发生破坏，导致复合地基全面破坏刚性桩复合地基较易发生此 类破坏 刺入破坏刺入破坏 Fk Henan Polytechnic University （b）鼓胀破坏：在荷载作用下，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，从而产生桩体鼓胀 破坏，并引起复合地基全面破坏。
散体材料桩复合地基往 往发生鼓胀破坏，在一定的条件下，柔性桩复合地基也可 能产生此类型式的破坏 鼓胀破坏鼓胀破坏 Fk Henan Polytechnic University Henan Polytechnic University 非均质粘性土中碎石桩破坏机理 Henan Polytechnic University （c）整体剪切破坏：在荷载作用下，复合地基将出现下图 所示的塑性区，在滑动面上桩和土体均发生剪切破坏散体 材料桩复合地基较易发生整体剪切破坏，柔性桩复合地基在 一定条件下也可能发生此类破坏 整体剪切破坏整体剪切破坏 塑性区塑性区 Henan Polytechnic University （（d d）滑动破坏：）滑动破坏：如图所示，在荷载作用下复合地基沿某一滑动如图所示，在荷载作用下复合地基沿某一滑动 面产生滑动破坏在滑动面上，桩体和桩间土均发生剪切破坏面产生滑动破坏在滑动面上，桩体和桩间土均发生剪切破坏 各种复合地基都可能发生这类型式的破坏各种复合地基都可能发生这类型式的破坏 滑动破坏滑动破坏 滑动面滑动面 Henan Polytechnic University 第三节 复合地基设计参数 n面积置换率 m n桩土应力比 n n复合模量 Esp Henan Polytechnic University 复合地基的设计参数主要有处理范围、处理深度、 桩体直径、间距、布置方式、增强体材料、面积置换率、 配合比和桩土应力比等，其中面积置换率和桩土应力比是 复合地基承载力确定和沉降计算的两个基本参数。
1、处理范围 地基处理范围应根据建筑物的重要性、平面布置、地 基土质条件和增强体的类型确定一般应大于基础底面积 ，满足应力扩散的要求对于刚性桩和部分半刚性桩，由 于基础荷载主要由桩体承担，并通过桩体传到地基深处， 桩可只布置在基础底面 2、处理深度 地基处理深度可根据地基处理目的、要求和地基土的性 质确定 Henan Polytechnic University 地基处理目的包括提高地基承载力、稳定性、降低地 基压缩性、减小渗透性、特殊目的（全部或部分消除液化、 湿陷性等） 柔性桩和半刚性桩易发生鼓胀破坏就承载力而言存在 着一个有效桩长，桩长大于有效桩长后，承载力不再随桩长 的增加或增加的幅度很小，从这一角度桩长不宜过长但增 加桩长对减少基础沉降是有利的 原则上，当土层厚度不大时，一般应达松软土层底面； 当松软土层厚度较大时，对按稳定性控制的工程，应达最危 险滑动面以下2m以上；对按变形控制的工程，应满足处理后 的地基变形量不超过建筑物的地基变形允许值并满足软弱下 卧层承载力的要求；在可液化地基中，应按要求的抗震处理 深度确定 Henan Polytechnic University 散体桩复合地基桩侧摩阻力f与桩身压力Q随深度变化图 破坏形式荷载传递机理 散体桩复合地基： Henan Polytechnic University 柔性桩复合地基侧摩阻力与桩身压力随深度的变化 柔性桩复合地基： Henan Polytechnic University 3、桩体直径 桩体直径可根据地基土的性质，处理深度，桩的类别、作用， 当地经验和选用的施工机械确定。
桩径选择过小，施工质量不易控制；过大，需增大褥垫层厚度 ，以保证桩土共同承担荷载当地基处理深度大时，桩直径应大些 ；挤密桩直径应大些；以承载为主的桩直径应大些；兼有排水固结 的桩直径宜小些 4、桩间距 桩距应根据设计要求的复合地基承载力、建筑物控制沉降量、 土的性质、施工工艺等确定 一般取桩径的3-5倍从施工考虑，尽量选择较大的桩距，以免 新打桩对已打桩产生不良影响按挤密性，土分为易挤密土，如松 散的粉细砂、粉土、人工填土；可挤密土，如不太密实的非饱和粉 质粘土；不可挤密土，如饱和软粘土或密实性很高的粘性土、砂土 对于不可挤密土和挤土成桩工艺宜采用较大的桩间距 Henan Polytechnic University 1. 面积置换率m 研究复合地基时，是在众多根桩所加固的地基中，选取一 根桩及其影响的桩周土所组成的单元体作用为研究对象若桩 体的横截面积为Ap，桩身平均直径为d,该桩体对应的加固面积 为A，该桩体所对应的加固面积的等效圆直径为de，则面积置 换率m： Henan Polytechnic University 桩位布置：正方形和三角形布置 设每根桩分担的处理基础面积为A,单桩桩身截面积为 Ap,则复合地基的置换率为： Henan Polytechnic University 等效直径算法 Henan Polytechnic University 2. 桩土应力比 n 在荷载作用下，设复合地基中桩体的竖向平均应力为σp ，桩间土的竖向平均应力为σs，则桩土应力比n： n＝σp/σs 荷载水平、桩土模量比、置换率、地基强度、桩长 目前复合地基桩土应力比n 的计算公式很多，例如模 量比公式，其假定在刚性基础下，桩体和桩间土的竖向应 变相等，即εp=εs。
于是，桩体上竖向应力σp=Epεp， 桩间土竖向应力σs=Esεs，桩土应力比n的表达式为： n=σp/σs=Ep/Es （2-3） 式中：Ep、Es---分别为桩和桩间土的压缩模量 Henan Polytechnic University Henan Polytechnic University 复合地基加固区由桩体和桩间土两部分组成，呈非均质 在复合地基计算中，为了简化计算，将加固区视作一均质 的复合土体，则复合地基的复合模量Esp： Esp=m Ep+(1-m) Es 或 Esp=〔1+m(n-1)Es 式中:Esp—复合地基压缩模量,MPa ； m—复合地基面积置换率； n—桩土应力比； Ep—桩体压缩模量,MPa； Es—土体压缩模量, MPa 3.复合模量 Henan Polytechnic University 第四节 复合地基的承载力 复合地基的承载力应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计 时可用理论公式估算 竖向增强体复合地基承载力计算方法通常有二种：一种是面积置 换率法，另一种是桩土应力比法。
1、面积置换率法 基础荷载由复合地基的桩体和桩间土共同承担，若复合地基所受 的总荷载为P，由桩体分担荷载为PP，。