復(fù)合地基概論

1、復(fù)合地基概論復(fù)合地基的涵義隨著其實(shí)踐的發(fā)展有一個(gè)發(fā)展過(guò)程復(fù)合地基的涵義隨著其實(shí)踐的發(fā)展有一個(gè)發(fā)展過(guò)程 初期，復(fù)合地基主要是指在天然地基中設(shè)置碎石樁而形成 的碎石樁復(fù)合地基，人們將注意力主要集中在碎石樁復(fù)合 地基的應(yīng)用和研究上 隨著深層攪拌法和高壓噴射注漿法在地基處理中的推廣應(yīng)用，人們開(kāi)始重視水泥土樁復(fù)合地基的研究 隨著土工合成材料在工程建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，又出現(xiàn)了水平向增強(qiáng)體復(fù)合地基的概念 目前在我國(guó)應(yīng)用的復(fù)合地基類型主要有：由多種施工方法形成的各類砂石樁復(fù)合地基，水泥土樁復(fù)合地基，低強(qiáng)度樁復(fù)合地基，土樁、灰土樁復(fù)合地基，鋼筋混凝土樁復(fù)合地基，薄壁筒樁復(fù)合地基，加筋土地基等。 復(fù)合地基技術(shù)在房屋

2、建筑(包括高層建筑)、高等級(jí)公路、鐵路、堆場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、堤壩等土木工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。 復(fù)合地基復(fù)合地基 指天然地基在地基處理過(guò)程中部分土體得到增強(qiáng)，或被置換，或在天然地基中設(shè)置加筋材料，加固區(qū)是由基體(天然地基土體或被改良的天然地基土體)和增強(qiáng)體兩部分組成的人工地基。在荷裁作用下，基體和增強(qiáng)體共同承擔(dān)荷裁的作用。根據(jù)地基中增強(qiáng)體的方向又可分為水平向增強(qiáng)體復(fù)合地基和豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基。 如何設(shè)置增強(qiáng)體以保證增強(qiáng)體與天然地基土體能夠共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載是有條件的，這也是在地基中設(shè)置增強(qiáng)體能否形成復(fù)合地基的條件。 在荷載作用下，增強(qiáng)體與天然地基上體通過(guò)變形協(xié)調(diào)共同承擔(dān)荷載作用是形成復(fù)合地基的基本條

3、件。 1置換，擠淤置換法、褥墊法、振沖置換法、強(qiáng)夯置換法、沙石樁置換法、超輕質(zhì)填土法。2灌入固化物，包括深層攪拌法、高壓噴射注漿法、滲人性灌漿法、劈裂灌漿法、壓密檬漿法、電化學(xué)灌漿法。4振密、擠密，包括表層原位壓密法、強(qiáng)夯法、振沖密實(shí)法、擠密砂石校法、土樁、灰土樁法、夯實(shí)水泥土樁法、孔內(nèi)夯擴(kuò)樁法。5加筋，包括加筋土法、錨固法、樹(shù)根樁法、低強(qiáng)度樁復(fù)合地基法、鋼筋混凝土樁復(fù)合地基法。形成復(fù)合地基的常用方法復(fù)合地基與雙層地基 圖13復(fù)合地基與雙層地基a)復(fù)合地基；b)雙層地基 復(fù)合地基與雙層地基在荷載作用下的性狀有較大區(qū)別，在復(fù)合地基計(jì)算中直接應(yīng)用雙層地基計(jì)算方法是不妥當(dāng)?shù)?，有時(shí)是偏不安全的 擴(kuò)散角

4、與模量比關(guān)系曲線 在荷載作用下雙層地基與復(fù)合地基中附加應(yīng)力場(chǎng)分布及變化規(guī)律有著較大的差別，將復(fù)合地基認(rèn)作雙層地基，低估了深層土層中的附加應(yīng)力值，在工程上是偏不安全的。 復(fù)合地基與淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)復(fù)合地基與淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ) 樁基礎(chǔ) a)端承樁；b)摩擦樁復(fù)合地基 a)復(fù)合地基（不設(shè)墊層）；b)復(fù)合地基(設(shè)墊層)復(fù)合地基與淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)復(fù)合地基與淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ) 對(duì)于淺基礎(chǔ)，荷載直接傳遞給地基土體；對(duì)于樁基礎(chǔ)，荷載通過(guò)樁體傳遞給地基土體；對(duì)于復(fù)合地基，荷載一部分通過(guò)樁體傳遞給地基土體，一部分直接傳遞給地基土體。 通過(guò)上述淺基礎(chǔ)、復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)之間關(guān)系分析是否可以認(rèn)為復(fù)合地基是介于淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)之間的一

5、種地基，如圖111所示。三者之問(wèn)并不存在嚴(yán)格的界限，是連續(xù)分布的。復(fù)合地基置換率等于零時(shí)就是淺基礎(chǔ)，復(fù)合地基樁土應(yīng)力比等于1時(shí)也就是淺基礎(chǔ)。復(fù)合地基中不考慮樁間土的承載力，復(fù)合地基承載力計(jì)算則與樁基礎(chǔ)相同。摩擦樁基中考慮樁間土直接承擔(dān)荷載的作用，也可屬于復(fù)合地基，或者說(shuō)考慮樁土共同作用就要?dú)w屬于復(fù)合地基。 復(fù)合地基常用形式復(fù)合地基常用形式 1按增強(qiáng)體設(shè)置方向分類(1)豎向；(2)水平向；(3)斜向。2按增強(qiáng)體材料分類(1)土工合成材料，如土工格柵、土工布等(2)砂石樁；(3)水泥土樁、土樁、灰土樁、渣土樁等；(4)各類低強(qiáng)度混凝土樁和鋼筋混凝土樁等。3按基礎(chǔ)剛度和墊層設(shè)置分類(1)剛性基礎(chǔ)，設(shè)

6、墊層；(2)剛性基礎(chǔ)，不設(shè)墊層；(3)柔性基礎(chǔ)，設(shè)墊層；(4)柔性基礎(chǔ)，不設(shè)墊層。4按增強(qiáng)體長(zhǎng)度分類(1)等長(zhǎng)度；(2)不等長(zhǎng)度(長(zhǎng)短樁復(fù)合地基)。 復(fù)合地基形式示意a)豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基； b)水平向增強(qiáng)體復(fù)合地基c)斜向增強(qiáng)體復(fù)合地基；d)長(zhǎng)短樁復(fù)合地基復(fù)合地基的基本類型：復(fù)合地基的基本類型：(1)水泥攪拌樁復(fù)合地基；水泥攪拌樁復(fù)合地基；(2)夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基(3)振沖碎石樁復(fù)合地基；振沖碎石樁復(fù)合地基；(4)擠密砂石樁復(fù)合地基；擠密砂石樁復(fù)合地基；(5)夯擴(kuò)擠密樁復(fù)合地基；夯擴(kuò)擠密樁復(fù)合地基；(6)強(qiáng)夯置換碎石墩復(fù)合地：強(qiáng)夯置換碎石墩復(fù)合地：(7)灰土樁復(fù)合地基；

7、灰土樁復(fù)合地基；(8)低強(qiáng)度樁復(fù)合地基；低強(qiáng)度樁復(fù)合地基；(9)剛性樁復(fù)合地基；剛性樁復(fù)合地基；(10)長(zhǎng)短樁復(fù)合地基；長(zhǎng)短樁復(fù)合地基；(11)加筋土地基。加筋土地基。復(fù)合地基承載力和沉降計(jì)算概論復(fù)合地基承載力和沉降計(jì)算概論 樁體復(fù)合地基承載力計(jì)算公式認(rèn)為復(fù)合地基承載力是由地基承載力和樁體的承載力兩部分組成的。如何合理估計(jì)兩者對(duì)復(fù)合地基承載力的貢獻(xiàn)是樁體復(fù)合地基計(jì)算的關(guān)鍵。 在各類實(shí)用計(jì)算方法中，通常把復(fù)合地基沉降量分為兩部分復(fù)合地基加固區(qū)壓縮量和下臥層壓縮量，于是，在荷載作用下復(fù)合地基的總沉降量可表示為這二部分之和 復(fù)合地基在荷載作用下破壞時(shí)，一般情況下樁體和樁間土兩者不可能同時(shí)到達(dá)極限狀態(tài)

8、，或者說(shuō)兩者同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)概率很小。通常認(rèn)為復(fù)合地基中樁體先發(fā)生破壞，但也有例外。若復(fù)合地基中樁體先產(chǎn)生破壞，則復(fù)合地基破壞時(shí)樁間土承載力發(fā)揮度達(dá)到多少是需要估計(jì)的。若樁間土產(chǎn)生破壞，復(fù)合地基破壞時(shí)樁體承載力發(fā)揮度多少也只能估計(jì)。另外復(fù)合地基中的樁間土的極限荷載與天然地基是不同的。同樣，復(fù)合地基中的機(jī)體所能承擔(dān)的極限荷載與一般樁基也是不同的。因此樁體復(fù)合地基承載力計(jì)算比較復(fù)雜。復(fù)合地基承載力復(fù)合地基承載力樁體復(fù)合地基承載力計(jì)算 樁體復(fù)合地基承載力計(jì)算思路是先分別確定樁體的承載力和樁間土承載力，再根據(jù)一定的原則疊加這兩部分承載力得到復(fù)合地基的承載力。樁體復(fù)合地基的極限承載力pcf普遍表達(dá)式可用

9、下式表示： 1 1221cfpfsfpKmpKm p（21） 1 1221cfpfsfpKmpKm pppf單樁極限承載力(kPa)；psf天然地基極限承載力(kPa)；K1反映復(fù)合地基中樁體實(shí)際極限承載力與單樁極限承裁力不同的修正系數(shù)，一般大于1.0；K2反映復(fù)合地基中樁間土實(shí)際極限承載力與天然地基極限承載力不同的修正系數(shù)，其值視具體工程情況確定，可能大于1.0，也可能小于1.0；1復(fù)合地基破壞時(shí)，樁體發(fā)揮其極限強(qiáng)度的比例，可稱為樁體極限強(qiáng)度發(fā)揮度，若樁體先達(dá)到極限強(qiáng)度，引起復(fù)合地基破壞，則11.0；若樁間土比樁體先達(dá)到極限強(qiáng)度，則11.0；2復(fù)合地基破壞時(shí)，樁間土發(fā)揮其極限強(qiáng)度的比例，可稱

10、為樁間土極限強(qiáng)度發(fā)揮度，一般情況下，復(fù)合地基中往往樁體先達(dá)到極限強(qiáng)度，2通常在0.41.0之間；m復(fù)合地基置換率。 式(21)中系數(shù)K1主要反映復(fù)合地基中樁體實(shí)際極限承裁力與自由單樁荷載試驗(yàn)測(cè)得的樁體極限承載力的區(qū)別。復(fù)合地基中樁體實(shí)際極限承載力一般比由單樁荷載試驗(yàn)得到的更大。其機(jī)理是作用在樁間土上的荷載和作用在鄰樁上的荷載兩者對(duì)樁問(wèn)土的作用造成了樁間土對(duì)樁體的側(cè)壓力增加，使樁體極限承載力提高。對(duì)散體材料樁，其影響效果更大。1 1221cfpfsfpKmpKm p 式(21)中系數(shù)K2主要反映復(fù)合地基中樁間土實(shí)際極限承載力與天然地基極限承載力的區(qū)別。K2的影響因素很多，如：樁的設(shè)置過(guò)程中對(duì)樁間

11、土結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)；成樁過(guò)程中對(duì)樁間土的擠密作用；樁體對(duì)樁間土的側(cè)限作用；某些樁體材料，如生石灰、水泥粉與樁間上的物理、化學(xué)作用；還有樁間土在荷載作用下固結(jié)引起土的抗剪強(qiáng)度的提高等。1 1221cfpfsfpKmpKm p 上述影響因素中除對(duì)土結(jié)構(gòu)擾動(dòng)特使土的強(qiáng)度降低為不利因素外，其他影響因素均能不同程度地提高樁間土強(qiáng)度，提高地基土的極限承載力?？傊禂?shù)K1和K2與工程地質(zhì)情況、樁體設(shè)置方法、樁體材料等因素有關(guān)。 1 1221cfpfsfpKmpKm p 若能有效地確定復(fù)合地基中樁體和樁間土的實(shí)際極限承載力，而且破壞模式是樁體先破壞引起復(fù)合地基全面破壞，則承載力計(jì)算式(21)可以改寫為1cfpfsf

12、pmpm p（2-2）ppf樁體實(shí)際極限承載力(kPa)；psf樁間土實(shí)際極限承載力(kPa) ；樁體破壞時(shí)樁間土極限強(qiáng)度發(fā)揮度 m復(fù)合地基置換率。復(fù)合地基的容許承載力pcc的計(jì)算式為cfccppK（23） K安全系數(shù) 采用承載力特征值表示，類似式(22)的復(fù)合地基承載力特征值 ,sp kf可用下式表示 ,1asp kskpRfmm fA（24） 復(fù)合地基的極限承載力也可采用穩(wěn)定分析法計(jì)算。穩(wěn)定分析方法很多，一般可采用圓弧分析法計(jì)算。如圖21所示，在圓弧分析法中，假設(shè)地基土的滑動(dòng)面呈圓弧形。在圓弧滑動(dòng)面上，總剪切力記為T，總抗剪切力記為S，則沿該圓弧滑動(dòng)面發(fā)生滑動(dòng)破壞的安全系數(shù)K為：SKT（2

13、5） 取不同的圓弧滑動(dòng)面，可得到不同的安全系數(shù)值，通過(guò)試算可以找到最危險(xiǎn)的圓弧滑動(dòng)面，并列確定最小的安全系數(shù)值。通過(guò)圓弧分析法即可根據(jù)要求的安全系數(shù)計(jì)算地基承載力，也可按確定的荷載計(jì)算地基在該荷載作用下的安全系數(shù)。 在圓弧分析法計(jì)算中，假設(shè)的圓弧滑動(dòng)面往往經(jīng)過(guò)加固區(qū)和末加固區(qū)。地基土的強(qiáng)度應(yīng)分區(qū)計(jì)算。加固區(qū)和未加固區(qū)土體應(yīng)采用不同的強(qiáng)度指標(biāo)。末加固區(qū)采用天然地基土體強(qiáng)度指標(biāo)。加固區(qū)土體強(qiáng)度指標(biāo)要采用復(fù)合土體綜合強(qiáng)度指標(biāo)，也可分別采用樁體和樁間土的強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算。 復(fù)合地基加固區(qū)復(fù)合土體的抗剪強(qiáng)度c可用下式表示：2211costancostancspscsspcppmmmcpzmpz（26） 樁體

14、極限承載力計(jì)算 樁體復(fù)合地基中樁體可分為二類，粘結(jié)材料樁和散體材料樁。二類樁的荷載傳遞機(jī)理是不一樣的。粘結(jié)材料樁的承載力大小取決于樁側(cè)摩阻力和樁底端承力，而散體材料樁的承載力大小主要取決于樁側(cè)土所能提供的側(cè)限力大小，下面分別加以介紹。 粘結(jié)材料樁極限承載力計(jì)算粘結(jié)材料樁極限承載力計(jì)算 目前工程上對(duì)粘結(jié)材料樁(柔性樁和剛性樁)根據(jù)下述兩種情況計(jì)算確定樁的承載力：(1)根據(jù)樁身材料強(qiáng)度計(jì)算承載力；(2)根據(jù)樁側(cè)摩擦力和樁端端阻力計(jì)算承載力。二者中取較小值為樁的承載力。散體材料樁極限承載力計(jì)算散體材料樁極限承載力計(jì)算 散體材料樁的承載力除與樁身材料的性質(zhì)及其緊密程度有關(guān)外，主要取決于樁用土體的測(cè)限能

15、力。在荷載作用下，散體材料樁的存在將使樁周土體從原來(lái)主要是垂直向受力的狀態(tài)改變?yōu)橹饕撬较蚴芰Φ臓顟B(tài)，樁周土可能發(fā)揮的對(duì)樁體的側(cè)限能力對(duì)散體材料樁復(fù)合地基的承載能力起關(guān)鍵作用。除了通過(guò)載荷試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算圖表確定單樁承載力外，還可以通過(guò)計(jì)算樁問(wèn)土側(cè)向極限應(yīng)力來(lái)計(jì)算單樁極限承載力。計(jì)算單樁承裁力的一般表達(dá)式可用下式表示： (1)一般表達(dá)式pfruppK（212） 樁側(cè)土能提供的側(cè)向極限應(yīng)力； 樁體材料的被動(dòng)土壓力系數(shù)。 rupKfR地基土極限承載力的作用面積； fnCu的作用面積； fmpro的作用面積pP樁頂應(yīng)力(kPa)； ps樁間土面上的應(yīng)力(kPa)；pro樁對(duì)土塊的側(cè)向作用力(kPa

16、)；BA面與水平面的夾角；Cu地基土不排水抗剪強(qiáng)度(kPa)。假設(shè)單樁的破壞是空間軸對(duì)稱問(wèn)題，樁周土體是被動(dòng)破壞(2)Brauns(1978)計(jì)算式 假設(shè)單樁的破壞是空間軸對(duì)稱問(wèn)題，樁周土體是被動(dòng)破壞假設(shè)碎石樁的內(nèi)摩擦角為P，當(dāng)樁頂應(yīng)力達(dá)到極限值時(shí)，考慮BBAA內(nèi)的土體發(fā)生被動(dòng)破壞，即土塊ABC在樁的側(cè)向力的作用下沿BA面滑出，樁出現(xiàn)膨脹破壞。 (2)Brauns(1978)計(jì)算式 假設(shè)單樁的破壞是空間軸對(duì)稱問(wèn)題，樁周土體是被動(dòng)破壞02phr tg0r045/2PP00,0mp為碎石樁的半徑再假設(shè)1)樁的破壞長(zhǎng)度2)3)不計(jì)地基土和樁的自重。(2)Brauns(1978)計(jì)算式 假設(shè)單樁的破壞

17、是空間軸對(duì)稱問(wèn)題，樁周土體是被動(dòng)破壞cossinromunsRp fc fp fxhctgsinhm002 ()2nrrxfm02mfr h2200()Rfrxrfn方向的的力平衡方程式為(3-14)且：(xAC長(zhǎng)度； mAB長(zhǎng)度)(2)Brauns(1978)計(jì)算式 假設(shè)單樁的破壞是空間軸對(duì)稱問(wèn)題，樁周土體是被動(dòng)破壞 21sin2purostgcpptg2ProPpptg0rop2112Ptgtgtg2max2120.75sin2uPPPuctgptgctg又求pro的極大值得到：則可以得到：則：(2)Brauns(1978)計(jì)算式 在荷載作用下，散體材料樁樁體材料發(fā)生鼓脹變形，對(duì)樁周土體產(chǎn)

18、生擠壓作用。該法將樁周土體的受力過(guò)程視為圓筒形孔擴(kuò)張，采用Vesic圓孔擴(kuò)張理論求解。圖23為因孔擴(kuò)張理論計(jì)算模式。土體在圓孔擴(kuò)張力作用下，圓孔周圍土體從彈性變形狀態(tài)逐步進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。隨著荷載增大，塑性區(qū)不斷發(fā)展。 (3)圓筒形孔擴(kuò)張理論計(jì)算式圓筒形孔擴(kuò)張理論計(jì)算式 圖23圓孔擴(kuò)張理論計(jì)算模式 極限狀態(tài)時(shí)，塑性區(qū)半徑為ru，圓孔半徑由r0擴(kuò)大到rh，圓孔擴(kuò)張壓力為pu。此時(shí)，散體材料樁的極限承載力為 圖23圓孔擴(kuò)張理論計(jì)算模式 20tan452ppfupp （218） pu樁周土體對(duì)樁體的約束力，即為圓孔擴(kuò)張壓力極限值p樁體材料內(nèi)摩擦角。 樁間土極限承載力計(jì)算樁間土極限承載力計(jì)算 復(fù)合地基

19、中樁間土極限承載力與天然地基極限承載力密切相關(guān)，但兩者并不完全相同。在地基中設(shè)置豎向增強(qiáng)體，使樁間土極限承載力不同于天然地基承載力。兩者的差別隨地基土的工程特性、堅(jiān)向增強(qiáng)體的性質(zhì)、增強(qiáng)體設(shè)置方法不同而不同。有的情況下兩者區(qū)別很小或者雖有一定區(qū)別，但樁間土極限承載力比天然地基極限承載力大，而且又較難計(jì)算時(shí)，工程實(shí)際中常用天然地基極限承載力值作為樁間土極限承載力。 使樁間土極限承載力有別于天然地基極限承載力的主要影響因素有下列幾個(gè)方面：在樁的設(shè)置過(guò)程中對(duì)樁間上的擠密作用，采用振動(dòng)擠密成樁法影響更為明顯；在軟粘土地基設(shè)置樁體過(guò)程中，由于振動(dòng)、擠壓、擾動(dòng)等原因，使樁間土中出現(xiàn)超孔隙水壓力，土體強(qiáng)度有所降低，但復(fù)合地基施工完后，一方面隨著時(shí)間發(fā)展原地基土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸