复合地基理论

地基处理技术 复合地基理论 TheoriesofCompositeFoundation TechnicalofSoilImprovement 第一节复合地基概述第二节复合地基作用机理与破坏模式第三节复合地基的设计参数第四节复合地基的承载力第五节复合地基沉降与沉降 一 复合地基的概念复合地基 compositesubgrade 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 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 人工地基分类 碎石桩复合地基 强夯置换复合地基 码头 机场 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 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 地基 复合地基区别 垫层 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 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 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 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 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 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 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 Fk 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 Fk 非均质粘性土中碎石桩破坏机理 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 塑性区 d 滑动破坏 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 各种复合地基都可能发生这类型式的破坏 滑动破坏 滑动面 第三节复合地基设计参数 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 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 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 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 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 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 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 等效直径算法 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 n p s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 p s 于是 桩体上竖向应力 p Ep p 桩间土竖向应力 s Es s 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 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 桩间土分担荷载为Ps 则有 单桩承载力特征值 桩的周长 m 桩长范围内划分的土层数 第i层土的桩侧摩阻力特征值 kPa 桩端土承载力特征值 kPa 第i层土的厚度 m 用承载力特征值表示 考虑到桩间土承载力的发挥程度 则复合地基承载力特征值计算公式为 式中 fspk 复合地基承载力特征值 kPa fpk 桩体承载力特征值 kPa fsk 处理后桩间土承载力特征值 kPa 宜按当地经验取值 如无经验时 可取天然地基承载力特征值 桩间土承载力折减系数 宜按试验或当地经验取值 当无经验时可按以下原则取值 当不考虑桩间软土作用时 取 0 对柔性桩取 1 0 对刚性和半刚性桩 当桩端土为软土时 取 0 5 1 0 当桩端土为硬土时 取 0 1 0 4 桩体如按成桩所采用的材料可分为 1 散体土类桩 如碎石桩 砂桩等 2 水泥土类桩 如水泥土搅拌桩 旋喷桩等 3 混凝土类桩 树根桩 CFG桩等 桩体如按成桩后的桩体的强度 或刚度 可分为 1 柔性桩 水泥搅拌桩 旋喷桩等 2 半刚性桩 CFG桩 3 刚性桩 混凝土类桩 复合地基沉降 计算思路及方法 分别计算复合地基加固区和下卧层压缩量 再把二者相加 即 S S1 S2S 为复合地基总的沉降量S1 为加固区的沉降量S2 为桩端以下土体沉降量 1 加固区沉降量S1的计算 复合模量法 第i层土的复合模量 第i层土的平均附加应力 第i层土的厚度 Esp 复合土层的压缩模量 MPa a 系数 可取1 1 1 3 成孔对桩周土挤密效应好或置换率大时取高值 n 桩土应力比 可取3 4 长桩取大值 Es 天然上的压缩模量 MPa 2 桩端以下压缩区沉降量S2的计算 m 桩端平面以下压缩层范围内土层总数 桩端平面下第j层土第i个分层在自重应力至自重应力加附加应力作用段的压缩模量 n 第j层土的计算分层数 第j层土第i个分层厚度 第j层土第i个分层土的竖向附加应力 复合模量法具有如下优点 1 从土体压缩量的角度考虑 避开了计算桩端刺入沉降 2 概念清楚 计算方便 3 特别对柔性桩和散体材料桩加固区沉降计算比较实用 4 在工程上应用面积加权之和计算复合地基加固区沉降是偏安全的 缺点 该复合模量公式的前提是桩土压缩量相等 这对桩土相对刚度较大的复合地基不实用 简而言之 该计算方法不适用于刚性桩复合地基部分 但可进行柔性桩段的计算 工程实例 某一小区15A栋建筑面积6300m2 地下一层 地个12层 该楼主体采用框架结构 仅电梯间为剪力墙 基础为筏板基础 板厚1m 埋深4 4m 相当于黄海标高0 1m 基础平面图如下 基础尺寸为30 8 15 34 基础底板以下淤泥质土 厚30m左右 经过方案比较 采用复合地基进行地基处理 采用三种桩型 1 600