第二章 復合地基

1、第二章復合地基2 2.1 .1 概述概述 2 2.1.1.1.1 人工地基的類型人工地基的類型 經(jīng)過加固處理后形成的人工地基分為三類： （1）均質(zhì)地基 （2）雙層地基 （3）復合地基 加固區(qū)土體性質(zhì)得到全面改良，加固區(qū)土體物理力學性質(zhì)基本上相同，加固區(qū)土體（平面位置和深度范圍）已經(jīng)滿足一定的要求。（1）均質(zhì)地基 均質(zhì)的飽和粘性土地基采用排水固結法加固后形成的地基，由于在加固范圍內(nèi)粘性土性質(zhì)變的比較均勻，可認為均質(zhì)地基。 均質(zhì)人工地基承載力和變形基本上與天然均質(zhì)地基的計算方法相同。 天然地基經(jīng)地基處理形成的均質(zhì)加固區(qū)的厚度與荷載作用面積或者與其相應的持力層和壓縮層厚度相比較小時，在荷載作用影響區(qū)

2、內(nèi)，地基由兩層性質(zhì)相差較大的土體組成。（2）雙層地基 采用換填法和表層壓實法處理形成的人工地基，可屬于雙層地基。 雙層人工地基承載力和變形計算方法基本上與天然雙層地基的計算方法相同。（3）復合地基 天然地基在地基處理過程中，部分土體的強度得到提高或者被置換，或天然地基中設置加筋材料，加固區(qū)由基體和增強體兩部分組成的人工地基，荷載由兩部分共同承擔。 復合體根據(jù)增強體設置的不同方向，可分為：水平向增強體復合地基和豎向增強體復合地基。水平向增強體復合地基豎向增強體復合地基（1）水平向增強體復合地基：主要指加筋土地基，是一種新型的復合地基。加筋材料主要有土工織物、土工膜、土工格柵和土工格室等土工合成材

3、料。（2）豎向增強體復合地基：工程上習慣把豎向增強體成為樁，常稱為樁體復合地基。工程上應用較多，有碎石樁、砂樁、水泥土樁、石灰樁等。 樁體復合地基中，樁體由散體材料組成還是粘結材料組成，以及粘結材料的剛度大小，都會影響復合地基荷載傳遞的性狀。 樁體復合地基可分為散體材料樁復合地基、柔性樁復合地基、剛性樁復合地基。 （1）散體材料樁復合地基包括碎石樁復合地基和砂樁復合地基，樁只有靠周圍土體圍箍作用才能成樁。 （2）根據(jù)樁體剛度不同，將粘結材料分為柔性樁和剛性樁。柔性樁復合地基如水泥土樁復合地基、灰土樁和石灰樁復合地基等。 （3）剛性樁復合地基如鋼筋混凝土復合地基、CFG樁復合地基和低強度混凝土復

4、合地基。2 2.1.2.1.2 復合地基的復合地基的分類分類 1.1.根據(jù)復合地基的工作機理分：根據(jù)復合地基的工作機理分： 散體材料樁 豎向增強體復合地基 柔性樁 粘結材料樁 復合地基 剛性樁 水平向增強體復合地基 2.2.豎向增強體復合地基兩個基本的特點豎向增強體復合地基兩個基本的特點： （1）加固區(qū)由基體和增強體兩部分組成，樁體復合地基是非均質(zhì)的、各向異性的； （2）在外荷載作用下，樁體復合地基中基體和增強體共同承擔荷載的作用。 2 2.2 .2 復合地基的常用復合地基的常用形式形式 1.增強體設置方向增強體設置方向 （1）豎向； （2）水平向； （3）斜向樹根樁復合地基。 2.增強體材料

5、增強體材料 （1）土工合成材料，如土工格柵、土工織物等； （2）砂石樁； （3）水泥土樁、土樁、灰土樁、渣土樁、石灰樁等； （4）CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）和低強度混凝土樁等； （5）兩種以上豎向增強體（多元復合地基）； （6）水平向和豎向增強體（樁網(wǎng)復合地基）。 3.3.基礎剛度和墊層設置基礎剛度和墊層設置 （1）剛性基礎，設墊層； （2）剛性基礎，不設墊層； （3）柔性基礎，設墊層； （4）柔性基礎，不設墊層。 4.4.增強體長度增強體長度 （1）等長度； （2）不等長度（長短樁復合地基） 2 2.3 .3 復合地基的常用概念復合地基的常用概念 2 2.3.1.3.1 復合地基面積置換率

6、復合地基面積置換率 Ap為樁體的橫截面積（m2）； Ae為樁體所承擔的加固面積（m2） 平均面積置換率：對于只在基礎下布設樁體的復合地基，樁體的橫截面面積之和與基礎總面積相等的復合土體面積之比。peAmA樁體在平面上常見的布置形式：等邊三角形布置、正方形布樁體在平面上常見的布置形式：等邊三角形布置、正方形布置和矩形布置。置和矩形布置。 若樁體為圓柱形，直徑為d，復合地基面積置換率分別為： 等邊三角形布置 222 3dml21 24dmll224dml矩形布置 正方形布置 l等邊三角形布樁和正方形布樁時的樁間距； l1、l2矩形布樁時的行間距和列間距。 2 2.3.2.3.2復合地基樁土應力比復

7、合地基樁土應力比 在荷載作用下，復合地基中樁體承擔的豎向應力與樁間土承擔的豎向應力之比稱為樁土應力比 為樁頂豎向應力； 為樁間土表面豎向應力。 平均樁土應力比平均樁土應力比：基礎下樁的平均樁頂應力與樁間應力之比。是反映樁土荷載分擔的一個參數(shù) 。 在其他條件相同時，樁體材料的剛度越大，樁土應力比就越大；樁越長，樁土應力比就越大；面積置換率越小，樁土應力比就越大。 psnps2 2.3.3.3.3復合地基樁土荷載分擔比復合地基樁土荷載分擔比 復合地基樁土荷載分擔比即樁與土分擔荷載的比例 Pp樁承擔的荷載；Ps樁間土承擔的荷載；P總荷載。 當平均面積置換率m已知后，樁土荷載分擔比和樁土應力比可以相互

8、表示。 已知 ，樁土應力 已知 n,土荷載分擔比 ppppssppsp1sppsmnm1(1)ppPmnPm n11(1)ssPmPm n2 2.3.4.3.4復合地基的復合模量復合地基的復合模量 復合模量是表示復合土體抵抗變形的能力，在數(shù)值上等于某一應力水平時復合地基應力與復合地基相對變形之比。 樁體壓縮模量； 樁間土壓縮模量； 復合地基的復合模量。 上式在某些理想條件下導出的，（1）復合地基的上的基礎為絕對剛性；（2）樁端落在堅硬的土層上，即樁沒有向下的刺入變形。 上式缺陷在于不能反映樁長的作用和樁的端阻效應。 Es pEpEE(1)Es ppsmmEsspkakff復合地基承載力提高系數(shù)

9、復合地基承載力提高系數(shù)，也是模量提高系數(shù)，復合土層的復合模量為 Esp=Es 在實際工程中，直接測量樁的模量比較困難。一般通過假定樁土模量比等于樁土應力比，采用復合地基承載力的提高系數(shù)來計算復合模量。2 2.4 .4 豎向增強體復合地基承載力計算豎向增強體復合地基承載力計算 樁體復合地基承載力是由樁體的承載力和地基承載力兩部分組成，合理估計兩者對復合地基承載力的貢獻是計算的關鍵。 復合地基的破壞分兩種情況：（1）樁體先破壞，要估計樁間土的承載力發(fā)揮度；（2）樁間土先破壞，要估計樁體的承載力發(fā)揮度。兩者不可能同時達到極限狀態(tài)。 樁體復合地基中，散體材料樁、柔性樁和剛性樁的荷載傳遞機理各不相同。基

10、礎剛度的大小、是否設置墊層、墊層厚度等對復合地基的受力性狀有較大影響，在計算中需要考慮這些因素。 樁體復合地基承載力計算兩種思路： （1）分別確定樁體的承載力和樁間土的承載力，根據(jù)一定的原則疊加兩部分得到復合地基的承載力； （2）將樁體和樁間土組成的復合地基作為整體來考慮，確定復合地基的極限承載力極限承載力pcfpcf 。1 122(1)cfpfsfpKmpKm p樁體極限承載力；樁間土極限承載力；復合地基中樁體實際極限承載力與單樁不同的修正系數(shù)；樁間土實際極限承載力與天然地基不同的修正系數(shù)；樁體及樁間土發(fā)揮其極限強度的比例；pfPsfP1K2K12、12KK、由于復合地基種類多，很難估計該值

11、； 如果能有效地確定復合地基中樁體和樁間土的實際極限承載力，而且復合地基破壞模式是樁體先破壞引起復合地基全面破壞，上式可改寫為 (1)cfpfsfpm pmp復合地基的容許承載力：PPcfccK當樁體破壞時，樁間土極限強度發(fā)揮度K為安全系數(shù)(1)aspkskpRfmmfA(1)spkpkskfmfm f若采用特征值表示，復合地基承載力特征值 可用下面兩式表示：spkf為單樁豎向承載力特征值；aRpA為樁的截面積；為樁間土承載力折減系數(shù)；式（1）適用于散體材料樁和樁身強度較低的柔性樁復合地基；（2）適合樁身強度較高的柔性樁和剛性樁復合地基； 建筑地基處理技術規(guī)范（JGJ79-2002）采用復合地

12、基承載力采用承載力特征值來表示。采用第二種思路計算復合地基極限承載力，將樁體和樁間土組成的復合土體作為整體，常用穩(wěn)定分析法計算，其中一般可采用圓弧分析法計算。 通過取不同的圓弧滑動面可以得到不同的安全系數(shù)值。經(jīng)過試算，可以找到最危險的圓弧滑動面，并確定最小的安全系數(shù)值，通過圓弧分析法即可根據(jù)要求的安全系數(shù)計算地基承載力，也可按確定的荷載計算地基在該荷載作用下的穩(wěn)定系數(shù)。sSFTsSFTSTsF為穩(wěn)定系數(shù)為總剪力為總抗剪力 在圓弧分析計算中，滑動面要經(jīng)過加固區(qū)和未加固區(qū)，兩區(qū)的土體應該采用不同的土體強度指標，未加固區(qū)采用采用天然土體強度指標，加固區(qū)土體強度指標采用復合土體強度指標，也可按樁體和樁

13、間土的強度指標進行計算。復合地基加固區(qū)復合土體的抗剪強度 可用下式表示：22(1)(1)()costan()costancspsscsspcppmmmcPzmPzsc為應力減小系數(shù)p為應力集中系數(shù)1(1)pnm n11(1)sm n2 2.6.6復合地基沉降計算復合地基沉降計算 s1s2sss12在各類復合地基沉降實用計算方法中，通常把沉降量分為二部分，即加固區(qū)土體壓縮量和加固區(qū)下臥層土體壓縮量之和，而復合地基總沉降表達式：如果復合地基設置墊層，通常認為墊層壓縮量很小，忽略。加固區(qū)壓縮量可采用復合模量法、應力修正法和樁身壓縮量法計算。下臥層壓縮量通常采用分層總和法。 1.1.復合模量法（復合模

14、量法（EcEc法）法） 將復合地基加固區(qū)中增強體和基體兩部分視為一復合土體，采用復合壓縮模量來評價復合土體的壓縮性。將加固區(qū)土層分為n層，每層復合土體的復合壓縮模量為 ，則 采用分層總和法計算 ，表達式為 式中 第i層復合土上附加應力增量； 第i層復合土層的厚度。 在豎向增強體復合地基中，復合土層的壓縮模量Ecs通常采用面積加權平均法計算，即 Ecs=mEp+(1-m)Es csiE11niiic s ipsHE2 2.6.1 .6.1 加固區(qū)壓縮量加固區(qū)壓縮量 的計算方法的計算方法1S1SipiH 2.2.應力修正法（應力修正法（EsEs法）法） 復合地基加固區(qū)土層壓縮量s1采用分層總和法計

15、算 pi未加固地基（天然地基）在荷載p作用下第i層土上的附加應力增量； psi復合地基中第i層土中的附加應力增量，相當于未加固地基在荷載p作用下第i層土上的附加應力增量； s1s未加固地基在荷載p作用下與加固區(qū)相應厚度土層范圍內(nèi)的壓縮量；s應力減小系數(shù)或稱應力修正系數(shù)， 。 1111nnsiiisissiisisippsHHsEE11(1)sm n 3.3.樁身壓縮量法（樁身壓縮量法（EpEp法）法） 若樁側摩阻力為平均分布，樁底端承載力密度為pb0，則樁身的壓縮量為 l樁身強度，等于加固區(qū)厚度； Ep樁身材料壓縮模量。 應力集中系數(shù)， 樁底端端承力密度 若樁側摩阻力不是平均分布的，則需要先計

16、算樁身應力沿深度的變化情況，再進行積分，即可得到樁身壓縮量。 復合模量法相對使用比較方便，適用于散體材料樁復合地基和柔性樁復合地基。0(+)2pbppppslE11nmnppbop2 2.6.2 .6.2 加固區(qū)下臥層壓縮量加固區(qū)下臥層壓縮量s s2 2的計算方法的計算方法 下臥土層壓縮量s2的計算常采用分層總和法 在分層總和法計算中，作用在下臥層土體上的荷載或土體中附加壓力是難以精確計算的。目前在工程應用上，常采用下述三種方法計算。122121111()11nnniiiiiiiiiiiiiisieeapppsHHHeeE加固區(qū)Bpb下臥層hz1.1.應力擴散法：應力擴散法：設復合地基上作用荷

17、載為p，則作用在下臥層上的荷載pb為 B D復合地基上荷載作用寬度和長度；h 復合地基加固區(qū)厚度和壓力擴散角。 對平面應變情況，上式簡化為(2 tan )(2 tan )bBDppBhDh2tanbB ppBh 應力擴散法應力擴散法 2.2.等效實體法等效實體法 設復合地基上荷載為p，作用在下臥層上的荷載pb為 f等效實體側摩阻力密度 對平面應變情況，上式可簡化為 等效實體法的計算困難在于側摩阻力的合理選用。適用性有待加強。Bfpbhz下 臥 層( 22)bB D pBDh fpB D2bhppfB等效實體法等效實體法 3.3.改進改進GeddesGeddes法法 黃紹銘等建議采用下述方法計算

18、復合地基土層中的應力。設復合地基總荷載為P，樁體承擔Pp，樁間土承擔的荷載Ps=P-Pp。樁間土承擔的荷載Ps在地基中產(chǎn)生的豎向應力z,ps的計算方法與天然地基中應力的計算方法相同，可應用布辛奈斯克解。 樁體承擔的荷載Pp在地基中所產(chǎn)生的豎向應力采用Geddes法計算。然后疊加兩部分應力得到地基中總的豎向應力，再采用分層總和法計算復合地基加固區(qū)下臥層壓縮量s2。 S.D.Geddes認為長度為L的單樁在荷載Q 作用下對地基土產(chǎn)生的作用力，可近似地視作如圖所示的樁端集中力Qp，樁側均勻分布的摩阻力Qr和樁側隨深度線性增長的分布摩阻力Qt等三種形式荷載的組合。 地基中的豎向應力z,Q可按下式計算： z,Q=z,Qp+z,Qr+z,Qt=QpKp/L2+ QrKr/L2+ QtKt/L2 式中：Kp、Kr、Kt豎向應力系數(shù)。 由樁體荷載Pp（即Q）和樁間土荷載Ps共同