复合地基.ppt

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第二章复合地基理论与设计,复合地基,主要内容,2.1复合地基概念与分类2.2复合地基的作用机理与破坏模式2.3复合地基设计参数2.4复合地基承载力计算2.5复合地基沉降计算2.6复合地基应用实例,2.1复合地基概念与分类,1.发展概况,复合地基,复合地基的概念已成为很多地基处理方法的理论分析及公式建立的基础和根据。

它已广泛地运用于如碎石桩、砂桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩和石灰桩等加固地基的理论分析中。

初期,后来,复合地基一词最早出现在1962年，用来形容采用碎石桩加固的地基,深层搅拌法和高压喷射注浆法的应用，人们开始重视水泥土桩复合地基的研究,2.复合地基概念与分类,

（1）概念：

复合地基（compositefoundation）是指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上部荷载并协调变形的人工地基。

复合地基与天然地基同属地基范畴。

复合地基,粉喷桩复合地基,复合地基示意图,

（2）复合地基分类1）根据地基中增强体的方向分类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。

竖向增强体复合地基:

桩体复合地基。

复合地基,图2-2人工地基分类,2）复合地基中桩的分类,复合地基,在竖向增强体复合地基中，桩的作用是主要的，而地基处理中桩的类型较多，性能变化较大。

为此，可根据增强体（桩体）所采用的材料以及成桩后桩体的强度（或刚度）来进行分类。

2）复合地基中桩的分类,复合地基,由柔性桩和桩间土所组成的复合地基可称为柔性桩复合地基，依次有：

散体材料桩复合地基如碎石桩、砂桩、矿渣桩等；柔性桩复合地基如石灰桩、土（或灰土）桩；半刚性桩如水泥土搅拌桩、旋喷桩等；刚性桩复合地基混凝土类桩（如CFG桩等）。

桩中水泥掺入量的大小将直接影响桩体的强度。

当掺入量较小时，桩体的特性类似柔性桩；而当掺入量较大时，又类似于刚性桩。

3）复合地基常用的形式,复合地基,图2-3复合地基常用的形式,3.复合地基特点,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。

复合地基,图2-4地基复合地基区别,垫层,复合地基,复合地基与桩基比较桩身材料与强度。

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；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。

如图2-5所示。

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。

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。

图2-5复合地基桩基的区别,a.桩基础,b.复合地基,由桩体承担荷载,基体和增强体共同承担荷载,垫层,承台,4.复合地基应用领域,道路工民建筑机场堤坝,复合地基,工业厂房地基,复合地基,碎石桩复合地基,强夯置换复合地基,复合地基应用,道路,工民建筑,复合地基,码头,机场,复合地基应用,复合地基施工,复合地基,复合地基,复合地基,复合地基,水下的碎石桩复合地基,复合地基静载荷试验,复合地基,2.2复合地基的作用机理与破坏模式,

（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。

复合地基,。

（2）复合地基桩体破坏模式复合地基中，桩体破坏模式可分为以下4种：

刺入破坏、鼓胀破坏、整体剪切破坏和滑动破坏,复合地基,图2-6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,a.刺入破坏（图2-6a）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。

复合地基,破坏模式,刺入破坏（图2-6a）,Fk,复合地基,（b）鼓胀破坏（图2-6b）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。

破坏模式,鼓胀破坏（图2-6b）,Fk,非均质粘性土中碎石桩破坏机理,复合地基,鼓胀破坏,鼓胀破坏,复合地基,（c）整体剪切破坏（图2-6c）在荷载作用下，复合地基将出现图2-6c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。

破坏模式,整体剪切破坏（图2-6c）,塑性区,复合地基,（d）滑动破坏（图2-6d）如图2-6d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。

各种复合地基都可能发生这类型式的破坏。

破坏模式,滑动破坏（图2-6d）,滑动面,复合地基,复合地基发生何种破坏模式，与复合地基的桩型，桩身强度，土层条件，荷载形式及复合地基上基础结构的形式有关。

复合地基破坏模式小结,

（1）对于不同的桩型，有不同的破坏模式。

（2）对于同一桩型，当其桩身强度不同时，也会有不同的破坏模式。

（3）对于同一桩型，当土层条件不同时，也将发生不同的破坏模式。

复合地基,复合地基破坏模式小结,综上所述，由于复合地基的破坏模式比较复杂，一般可以认为取决与桩体和桩间土的破坏，其中桩体的破坏特性是主要的。

散体土类桩复合地基,由于桩和桩间土的模量和破坏时的应变值等一般相差不大，往往同时进入破坏状态；水泥土类桩复合地基，水泥土的模量较大，破坏应变较小，在同等应变条件下，水泥土率先进入破坏状态。

2.3复合地基应力特性,

（1）基地反力;

（2）附加应力分布;（3）桩土应力比，n;（4）复合地基动力特性；,复合地基应力特性,

（1）基底反力桩顶范围内应力集中明显；桩间土反力仍保持类似天然地基时的马鞍形分布,复合地基应力特性,

（2）附加应力分布国内外目前尚无复合地基附件应力计算公式；,复合地基中应力分布不均匀；但总体上讲，仍然呈现出随深度增加而明显衰减的特性。

因此，复合地基中的附加应力的分布特点与天然地基中的很接近，而与桩基础中的相差较大。

（3）桩土应力比，n桩土应力比，n,是复合地基的一个重要计算参数，它关系到复合地基承载力和变形的计算，影响因素有：

1）荷载水平2）桩土模量比3）桩土面积置换率，m4）原地基土强度5）桩长6）时间7）垫层,复合地基应力特性,（4）复合地基动力特性碎石桩或砂桩处理液化地基的效果在于1）提高了地基土（桩间土）的密实度；2）改善了地基的排水条件；3）地基土受到一定时间的预振动；4）由于桩对桩间土的约束作用，使得地基的刚度增大其他复合地基同样具有上述特征,复合地基应力特性,2.3复合地基设计参数,面积置换率m桩土应力比n复合模量Esp,复合地基,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：

m=Ap/A或m=d2/de2（2-1）式中：

正方形布桩等效圆直径:

de1.13L矩形布桩等效圆直径:

L、L1、L2分别为桩间距、纵向间距和横向间距。

复合地基,图27a正方形布桩,L,de,复合地基,等边三角形布桩等效圆直径:

de1.05LL为桩间距。

面积置换率m,图27b正方形布桩,L,de,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p，桩间土的竖向平均应力为s，则桩土应力比n：

np/s（2-2）,复合地基,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p=s。

于是，桩体上竖向应力p=Epp，桩间土竖向应力s=Ess，桩土应力比n的表达式为：

n=p/s=Ep/Es（2-3）式中：

Ep、Es分别为桩和桩间土的压缩模量。

复合地基,桩土应力比,s,图28复合地基计算简图,p,3.复合模量,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=mEp+（1-m）Es（2-4a）或Esp=1+m（n-1）Es（2-4b）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。

复合地基,2.4复合地基承载力计算,1.复合地基极限承载力pcf计算式,复合地基,ppf桩体极限承载力（kPa）；,psf天然地基极限承载力（kPa）；,K2反映复合地基中桩间土实际极限承载力的修正系数，可能大于1.0，也可能小于1；,1反映桩的极限承载力发挥程度的系数，若桩体先达到极限强度引起复合地基破坏，则11.0，否则，桩间土先达极限强度则11.0；,2反映桩间土的极限承载力发挥程度的系数，在0.41.0之间;,m复合地基置换率.,K1反映复合地基中桩体实际极限承载力的修正系数，一般大于1；,式中：

桩、土承载力进行叠加：

桩体极限承载力ppf计算,复合地基,根据桩身材料强度计算,桩体极限抗压强度,根据桩侧摩阻力和桩端阻力计算,二者中取小值为单桩极限承载力,式中qski一桩周土极限侧阻力标准值；up一桩身周边长度；Ap一桩身截面面积；qpk一极限端阻力标准值；Li一按土层划分的各段桩长。

对柔性桩，桩长大于临界桩长时，计算桩长应取临界桩长值。

（27）,（26）,

（1）对刚性桩和柔性桩极限承载力计算,Quk,

（2）散体材料桩极限承载力ppf计算对散体材料桩复合地基，桩体极限承载力主要取决于桩侧土体所能提供的最大侧限力。

复合地基,（2-8）即侧向极限应力法,桩体极限承载力计算,式中:

Kp-桩体材料的被动土压力系数，Kp=tan2（450+p/2）,p-桩体材料内摩擦角；碎石、粗砂内摩擦角一般取380。

-桩间土能提供的侧向极限应力,KCu,Cu为地基土不排水抗剪强度。

桩间土极限承载力psf计算,

（1）桩间土极限承载力影响因素,复合地基,成桩时的挤密作用振动、扰动引起桩间土极限承载力计算的孔压升高，土体强度下降，而后的触变恢复。

桩体材料对桩间土的影响（吸水、放热、离子交换等）桩体透水时的排水固结作用。

以上因素大多是使桩间土极限承载力高于天然地基承载力。

（2）桩间土极限承载力psf计算方法,通常桩间土极限承载力psf取相应的天然地基极限承载力值。

除载荷试验或查规范外，常用斯开普顿（Skempton）极限承载力psf公式计算：

复合地基,Cu不排水抗剪强度；Nc承载力系数，当=0时，取5.14；D基础埋深；B-基础宽度；L基础长度；基底面以上土的重度。

（2-9）,D,B,2.复合地基承载力特征值fspk计算,

（1）复合地基特征值fspk概念,复合地基,复合地基属于地基范畴，复合地基承载力与天然地基承载力的概念相同，代表地基单位面积上能够承受荷载的能力。

不同级别和不同行业的规范中采用的地基承载力的概念和计算方法也不完全相同建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）