复合地基-文档资料

第二章复合地基理论与设计,2,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,3,2.1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,4,2.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,5,（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,6,2）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。,7,2）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。,8,3）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,9,3.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,10,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,11,4.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,12,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,13,复合地基,码头,机场,复合地基应用,14,复合地基施工,复合地基,15,复合地基,复合地基,16,复合地基,水下的碎石桩复合地基,17,复合地基静载荷试验,复合地基,18,2.2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,。,19,(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,20,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,21,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,22,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,23,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,24,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,25,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。,26,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。,27,2.3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；,28,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,29,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。,30,（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,31,（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,32,2.3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,33,1.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,34,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,35,2.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,36,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,37,3.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,38,2.4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：,39,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,40,(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。,41,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。,42,(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,43,2.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）采用“地基承载力特征值”（fspk)概念，指“由载荷试验确定的地基土压力变形曲线线性变形段内所对应的压力值，其最大为比例界限”“Characteristicvalueofsubgradebearingcapacity”这个描述同建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）中地基承载力特征值的概念完全一致。,44,复合地基承载力特征值fspk计算,(2）建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）地基承载力特征值,复合地基,采用概率法确定地基承载力特征值，各类建筑浅基础地基承载力验算需要满足：,pk:相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力；fa:修正后的地基承载力特征值；,地基承载力特征值的确定方法可归纳为三类,按土抗剪强度指标以理论公式计算；按地基载荷试验或其他原位测试试验确定；（fak)按有关规范提供的承载力或经验公式确定；,45,(2）建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）地基承载力特征值,复合地基,按土抗剪强度指标以理论公式计算；即按土的抗剪强度指标确定的极限承载力除以安全系数（或分项系数）。例如可根据斯开普顿（Skempton)极限荷载的半经验公式：,按地基载荷试验确定,fak,按照地基规范承载力公式确定，,当基础宽度大于3m或者埋深大约0.5m时，从载荷试验或其它原位测试、经验值确定的地基承载力特征值fak，尚应该进行深度和宽度修正。,46,复合地基承载力特征值fspk计算,(3)建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）地基承载力特征值,fspk,复合地基,复合地基承载力验算时，要求：,pk:相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力(kPa)；fspk:修正后的复合地基承载力特征值(kPa)；,对于复合地基，规范规定：,（1）“基础宽度的地基承载力修正系数应取零”（2）“基础埋深的地基承载力修正系数应取1.0”,复合地基承载力特征fspk的确定方法：现场承载力载荷试验，（同地基基础设计规范）理论公式计算,47,（4）复合地基承载力特征值fspk计算,复合地基承载力计算采用复合求和法，就是将复合地基的承载力视为桩体承载力和桩间土承载力之和。可分为：应力复合法和变形复合法,应力复合法：,复合地基,变形复合法：,：考虑桩间土变形大小的承载力发挥折减系数，在数值上小于1ssp:与复合地基承载力fspk对应的复合地基变形(m)；ss:与桩间土承载力fsk对应的地基变形(m);,48,散体材料桩复合地基特征值fspk可采用下式计算,复合地基,或,(2-10a),(2-10b),式中：fspk一复合地基承载力特征值（kPa）；fpk一桩体承载力特征值（kPa），宜通过单桩载荷试验确定；fsk一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，可取天然地基承载力特征值,kPa；m一复合地基桩土面积置换率（m=Ap/，其中Ap为桩体横截面积，为对应的加固面积）；n桩土应力比。如：振冲碎石桩、砂桩复合地基，石灰桩复合地基，采用应力复合法,49,对半刚性桩复合地基特承载力征值fspk可采用下式计算,复合地基,(2-11),式中：fspk-复合地基承载力特征值,kPa；fpk-桩体承载力特征值（kPa），宜通过单桩载荷试验确定；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，可取天然地基承载力特征值,kPa；m-复合地基桩土面积置换率置换率；-桩间土承载力折减系数，对摩擦型桩取=0.50.9，对摩擦支承型桩取=0.10.4。例如：水泥土搅拌桩，采用变形复合法,50,对刚性桩复合地基承载力特征值fspk,复合地基,(2-12),式中fspk一复合地基承载力特征值（kPa）；fsk一处理后桩间土承载力特征值，宜按当地经验取值，如无经验，可取天然地基承载力特征值,kPa；m一复合地基桩土面积置换率置换率；Ap为桩体横截面积（m2）；Ra单桩承载力特征值（kN）；桩间土承载力折减系数，=0.750.95，天然地基承载力较高时取大值。例如：CFG桩复合地基，变形复合法,51,3.复合地基抗剪强度,加固区土体强度指标可分别采用桩体和桩间土的强度指标，也可采用复合土体的综合强度指标。（1)复合地基的抗剪强度表达式为：式中：ps、p、p分别为复合地基、桩体和桩间土的抗剪强度。（2)复合地基综合强度指标计算：复合土体综合强度指标采用面积比法计算，即粘聚力Csp和内摩擦角sp可分别采用以下两个表达式：（2-14a）（2-14b）式中：Cp、Cs桩体与桩间土的内摩擦角，p、s桩体与桩间土的粘聚力。,复合地基,(2-13),52,2.5复合地基变形计算,复合地基变形计算(沉降量、沉降差、局部倾斜、整体倾斜）是复合地基设计计算的重要内容之一，以保证复合地基变形满足建筑物的使用要求，即：,复合地基,图2-9复合地基沉降计算模型,H,s:计算得到的建筑物使用期限内复合地基变形(m)sa:建筑物的地基变形允许值(m),按地基基础规范规定,53,2.5复合地基变形计算,在各类复合地基沉降实用计算方法中，通常把沉降量分为两部分，如图2-9所示。图中H为复合地基加固区厚度，加固区土体压缩量为s1。加固区下卧层土体压缩量为s2，则复合地基总沉降表达式为s:s=s1+s2(2-15),复合地基,图2-9复合地基沉降计算模型,H,54,2.5.1加固区沉降量s1的计算方法,复合地基,（2-16）,复合模量法将复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合土体，采用复合压缩模量Eps来评价复合土体的压缩性,式中：,：第i层复合土上附加应力增量；,：第i层复合土层厚度；,：第i层复合地基的压缩模量；,：可通过面积加权计算：,55,2.5.1加固区沉降量s1的计算方法,复合地基,（2-16）,应力修正法在该法中，根据桩间土承担的荷载ps，按照桩间土的压缩模量Es，忽略增强体的存在，采用分层总和法计算加固区土层的压缩量s1,式中：,：第i层复合地基上附加应力增量；,：第i层桩间土的压缩模量；,：第i层桩间土附加应力增量；,：应力修正系数；,；应力比：,56,2.5.1加固区沉降量s1的计算方法,复合地基,（2-16）,桩身压缩量法在荷载作用下，桩身压缩量为：,式中：,：桩底端端承力密度；,：桩身材料变形模量；,：复合地基上附加应力；,：应力集中系数；,；应力比：,：桩身长度，即等于加固去厚度H；,57,2.5.2复合地基加固区下卧层土层压缩量s2,复合地基加固区下卧层土层压缩量s2,通常采用分层总和法计算。在分层总和法计算中，作用在下卧层土体上的荷载或土体中附加压力是难以精确计算的。目前在工程应用上，常采用下述两种方法计算：应力扩散法和等效实体法,58,1.复合地基加固区下卧层土层附加应力计算,应力扩散法计算加固区下卧层上附加压力示意图如图所示。复合地基上荷载密度为p，作用宽度为B，长度为D，加固区厚度为h，压力扩散角为，则作用在下卧层上的附加应力pb为:,应力扩散法,采用应力扩散法计算的关键是压力扩散角的合理选用,若为条形基础，仅考虑宽度方向扩散,59,1.复合地基加固区下卧层土层附加应力计算,应等效实体法计算加固区下卧层上附加应力示意图如图所示。复合地基上荷载密度为p（=pk-pc)，作用面宽度为B，长度为D，加固区厚度为h，f为等效实体侧摩阻力密度，则作用在下卧层上的附加应力pb为:,等效实体法,采用等效实体的关键是侧摩阻力的计算,若为条形基础,60,2.下卧层土层压缩变形s2计算,复合地基加固区下卧层土层未加固土层的压缩变形可按现行国家标准建筑地基基础设计规范GB50007的有关规定采用分层总和法计算进行计算。,复合地基,图2-10地基沉降计算的分层示意图,p0,加固区,61,2.下卧层土层压缩变形s2计算,（2-17）式中沉降计算经验系数；作用在下卧层土体顶面处的附加压力,kPa；第i层土的压缩模量，kPa;zi、zi-1复合地基桩端至i,i-1层土底面的距离,m;1、2复合地基底面第i、i-1层土的平均附加应力系数f（L/B,z/B）,复合地基,62,【例题】,如图搅拌桩设计方案（桩体承载力特征值fpk260kpa,天然土体fsk=80kpa）计算:置换率m；桩土应力比n;复合地基的承载力特征值fspk(=0.9)；复合地基压缩模量Esp。,【解】:正方形布桩桩身平均直径为d0.7m对应的加固面积的等效圆直径为de=1.131.5m(正方形布桩）（1）面积置换率m：（2）桩土应力比n：（3）复合地基承载力fspk：（4）复合地基压缩模量Esp：,63,复合地基,2.6复合地基应用实例,某高速公路粉体搅拌桩处理段的现场试验研究。(一)路堤横断面设计,如下图所示，路堤底宽38.Om，正常设计路面宽26.0m，试验填土高度为5.6m(超载)，正常设计填土3.08m。路基采用粉体搅拌桩处理，桩长11.Om，间距L=1.3m，等边三角形布置，桩径d=500mm，路堤边坡为1:1.5。,11.0,3.08m,5.6m,断面图,平面图,64,复合地基,（二）土层条件根据现场钻探及室内土工试验，结合原位十字板强度及圆锥静力触探试验确定：（1）粉质粘土硬壳层：位于地表下02.Om，为中等压缩性土，其力学性指标较好。（2）淤泥质粘土层：位于地表下2.015.0m，沿断面方向分布深度有所变化，属高压缩性土。（3）粉质粘土层：自地表下15.0m处向下，为中等压缩性土。(三)粉体搅拌桩地基处理的室内外试验1室内试验设计水泥搅拌桩单桩承载力为140kN。根据室内水泥土试验淤泥质粘土(重度为17kNm3)，掺入12%的425号水泥搅拌后28d时重度达18.4kNm3。,65,复合地基,2现场荷载试验在现场分别做了单桩荷载试验和桩间土荷载试验，此时水泥土龄期约为50d。下图a为粉体搅拌桩单桩荷载试验曲线，承载力按SD=0.01取值，S为荷载板沉降值，D为荷载板直径。由此得单桩承载力平均值为：Ppk653.3kPa。下图b为桩间土荷载试验曲线，承载力按SD0.015取值，Psk98kPa。,66,复合地基,3粉体搅拌桩地基承载力验算该断面桩土置换率m13.7%。加固后复合地基的平均承载力：PspkmPpk(1-m）Psk取0.9求得Pspk156.7kPa，相当于89m填土荷载强度，能满足该断面填土荷载要求。,等边三角形布桩等效圆直径:de1.05Lm=d2/de2,67,地基承载力讨论,地基承载力：地基所能承受荷载的能力。地基极限承载力、地基承载力特征值、地基容许承载力、地基承载力设计值、