第6章--复合地基基本理论

地基处理GroundTreatment重庆交通大学河海学院吴文雪第6章复合地基基本理论Chapter6DesignPrincipleofCompositeFoundation一、复合地基的定义当天然地基不能满足建筑物对地基的要求时，需要进行地基处理，形成人工地基，以保证建筑的安全与正常使用。经过处理形成的人工地基通常有三种类型：均质地基、复合地基和桩基。1.均质地基：（1）天然地基在地基处理过程中加固区土体性质得到全面改良；6.1复合地基的定义与分类6.1DefinitionandClassificationofCompositeFoundation（2）加固区土体的物理力学性质基本上是相同的。。如均质的天然地基采用排水固结法形成的人工地基在排水固结过程中，加固区范围内地基土体中孔隙比减少，抗剪强度提高，压缩性减少，加固区内土体性质比较均匀，则这种人工地基可视为均质地基。均质人工地基承载力和变形计算方法基本上与均质地基的计算方法相同。双层地基：天然地基经过地基处理形成的均质加固区的厚度与荷载作用面积或者与其相应持力层和压缩层厚度相比较小时，在荷载影响区内，地基由两层性质相差较大的土体组成。采用换填法或表层压实法处理形成的人工地基，当处理范围比荷载作用面积较大时，可归属于双层地基。均质人工地基双层地基复合地基：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(天然地基土体或被改良的天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。上部结构的荷载由基体和增强体共同承担。复合地基与桩基都是采用以桩的形式处理地基，按增强体设置方向水平向增强体复合地基竖向增强体复合地基斜向增强体复合地基水平向增强体复合地基主要指加筋土地基。加筋材料主要是土工织物、土工膜、土工格栅和土工格室等。竖向增强体习惯上称为桩，有时也称为柱，竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。目前在工程上应用的竖向增强体有碎石桩、砂桩、水泥土桩、石灰桩、土桩、灰土桩、混凝土桩、CFG桩等。根据竖向增强体的性质，桩体复合地基又可分为散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。散体材料桩只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。相对应于散体材料桩，柔性桩和刚性桩也称为粘结材料桩，或半刚性桩和刚性桩。复合地基中增强体方向不同，复合地基性状也不同。桩体复合地基中，桩体是由散体材料组成，还是由粘结材料组成，以及粘结材料桩的刚度大小，都将影响复合地基荷载传递性状。根据复合地基工作机理可做如下分类：复合地基竖向增强体水平增强体散体材料桩粘结材料桩柔性桩：如灰土桩、石灰桩等刚性桩：如CFG桩等复合地基的基本特点（1）加固区是由基体和增强体两部分组成，是非均质的和各向异性的。（2）在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。前一特征使它区别于均质地基，后一特征使它区别于桩基础。形成复合地基的条件是基体与增强体在荷载作用下，通过两者变形协调，共同分担荷载。复合地基与桩基都是采用以桩的形式处理地基，复合地基属于地基范畴，而桩基属于基础范畴，所以两者又有其本质区别。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。如图所示。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。复合地基——桩基的区别a.桩基础b.复合地基复合地基作用机理无论何种复合地基，都具备以下一种或多种作用，如下：1.桩体作用由于复合地基中桩体的刚度较周围土体为大，在刚性基础下等量变形时，地基中应力按材料模量进行分布。因此，桩体上产生应力集中现象，大部分荷载将由桩体承担，桩间土上应力相应减小。这就使复合地基承载力较原地基有所提高，沉降量有所减小。随着桩体刚度增加，其桩体作用发挥得更加明显。复合地基作用机理2.垫层作用桩与桩间土复合形成的复合地基或称复合层，由于其性能优于原天然地基，它可起到类似垫层的换土、均匀地基应力和增大应力扩散角等作用。在桩体没有贯穿整个软弱土层的地基中，垫层的作用尤其明显。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.挤密作用如砂（石）桩、土桩、石灰桩等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；采用生石灰桩，由于其材料具有吸水、发热和膨胀等作用，对桩间土同样可起到挤密作用。复合地基作用机理复合地基作用机理5.加筋作用各种桩土复合地基除了可提高地基的承载力外，还可用来提高土体的抗剪强度，增加土坡的抗滑能力。目前在国内水泥土搅拌桩和旋喷桩等已被广泛地用作基坑开挖时的支护。在国外，对碎石桩和砂桩常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。在工程实践中应用的复合地基型式很多，可从下述三个方面来分类：①增强体设置方向；②增强体材料；③基础刚度以及是否设置垫层等。6.2复合地基的常用型式6.2TypesofCompositeFoundation（1）按增强体设置方向：竖向、水平向及斜向（2）按增强体材料：①土工合成材料，如土工格栅、土工织物等；②砂石桩；③石灰桩、水泥土桩等；④CFG桩和低强度混凝土桩等；⑤两种以上竖向增强体（多元复合地基）；⑥水平向和竖向增强体（柱网复合地基）斜向增强体复合地基（3）按基础刚度和垫层设置：①刚性基础，设垫层；②刚性基础，不设垫层；③柔性基础，设垫层；④柔性基础，不设垫层。（4）按增强体长度：①等长度；②不等长度（长短桩复合地基）长短桩复合地基（5）根据桩型数量桩体复合地基分为单一桩型复合地基和组合桩型复合地基、多桩型复合地基、多元复合地基、混合桩型复合地基、长短桩复两种或两种以上类型的桩组成，以充分发挥各桩型的优势，大幅度提高地基承载力，减少地基沉降量，显示良好的技术效果和经济效益。褥垫层基础碎石桩CFG桩CFG桩碎石桩CFG桩混合桩型复合地基由于增强体设置方向不同、增强体的材料组成差异、基础刚度以及垫层情况不同，增强体长度不一定相同，复合地基的型式非常复杂，要建立可适用于各种类型复合地基承载力和沉降计算的统一公式是困难的，或者说是不可能的。在进行复合地基设计时一定要因地制宜，不能盲目套用一般理论，应该以一般理论作指导，结合具体工程进行精心设计。褥垫层在桩体复合地基和上部结构基础之间设置的垫层。刚性基础下复合地基的褥垫层常采用柔性垫层，如砂石垫层，通常的厚度为压实后10cm~35cm。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。6.3复合地基的常用概念6.3BasicConceptsofCompositeFoundation柔性基础下复合地基的褥垫层也常采用刚度较大的垫层，如土工格栅加筋垫层、灰土垫层等，设置褥垫层可以保证桩土共同承担荷载、调整桩土应力分担比、减小基础底面的应力集中。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，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。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。通过以上的讨论可以得到如下认识：（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。基础褥垫层长桩短桩长桩长桩短桩①②③④1.复合地基面积置换率竖向增强体复合地基中，竖向增强体习惯上称为桩体，基体即为桩间土体。若桩体的横截面面积为Ap，该桩体所承担的加固面积为Ae，则复合地基面积置换率的定义为epAAm实际工程中，由于地基土性质的变化、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，不可能在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，桩的截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。桩体在平面上的布置形式最常用的有三种：等边三角形布置、正方形布置和矩形布置。如图6-3所示，当采用直径为d的圆柱形桩体时，复合地基面积置换率为：222e232ddm05.1sdsde等边三角形：2122e24ddm.131ssdsde矩形形：222e24ddm.131sdsde正方形：上三式中，s为等边三角形布桩和正方形布桩时的桩间距，s1和s2为长方形布桩时的行间距和列间距。2.复合地基桩土应力比(StressRatioofPiletoSoil)对某一复合土体单元，在荷载作用下，假设桩顶应力为σp，桩间土表面应为σs，则桩土应力比为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。将基础下桩的平均桩顶应力与桩间土平均应力之比定义为平均桩土应力比。spn/基础下的平均桩土应力比是反映桩土荷载分担的一个参数，当其他参数相同时，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、面积置换率有关。其他条件相同时，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；面积置换率越小，桩土应力比越大。3.复合地基桩土荷载分担比(LoadShareRatioofPileandSoil)复合地基桩土荷载分担比即桩与土分担荷载的比例。复合地基中桩土的荷载分担既可用桩土应力比表示，也可用桩土荷载分担比δp、δs表示：式中——桩承担的荷载；——桩间土承担的荷载；——总荷载。PPpp/PPss/pPsPP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。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上式为用桩土荷载分担比来表示桩土应力比的表达式。mAPAPppppAmPAPssss)1(spspmmn)1(σs复合地基计算简图σp4.复合模量(CompositeModulus)复合地基加固区由桩体和桩间土两部分组成，呈非均质。复合模量表示复合土体抵抗变形的能力，数值上等于某一应力水平时复合地基应力与复合地基相对变形之比。通常复合模量可用桩抵抗变形能力与桩间土抵抗变形能力的某种叠加来表示。复合模量表征复合土体抵抗变形的能力，数值上等于某一应力水平时复合地基应力与复合地基相对变形之比。通常复合模量可用桩抵抗变形能力与桩间土