复合地基理论

1、6复合地基理论复合地基理论6.1概述概述6.1.1 复合地基的概念复合地基的概念 复合地基复合地基指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，指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，加固区由基体（天然地基土体）和增强体或在天然地基中设置加筋材料，加固区由基体（天然地基土体）和增强体两部分组成的人工地基。在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载作用，两部分组成的人工地基。在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载作用，提高人工地基承载力和减小沉降。提高人工地基承载力和减小沉降。a）竖向增强体复合地基）竖向增强体复合地基 b） 水平向增强体复合地基水平

2、向增强体复合地基6.1.3 复合地基的分类复合地基的分类 复合地基有两个基本特点：复合地基有两个基本特点： （1 1）加固区是由基体和增强体两部分组成，加固区是由基体和增强体两部分组成，是非均质和各向异性的；是非均质和各向异性的； （2 2）在荷载作用下，）在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载作用。基体和增强体共同承担荷载作用。从荷载传递机理看，竖向增强体复合地基界于均质地基和桩基础之间。从荷载传递机理看，竖向增强体复合地基界于均质地基和桩基础之间。均质地基和桩基础是竖向增强体复合地基的两种特例。均质地基和桩基础是竖向增强体复合地基的两种特例。（1）根据地基中增强体的方向可分为水平向增强体复

3、合地基和竖向增强）根据地基中增强体的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。体复合地基。均质人工地基均质人工地基双层地基双层地基水平向增强复水平向增强复合地基合地基竖直向增竖直向增强复合地基根据复合地基工作机理可作下述分类；根据复合地基工作机理可作下述分类；水平向增强体复合地基刚性桩复合地基半刚性桩复合地基柔性桩复合地基粘结材料桩复合地基散体材料桩复合地基竖向增强体复合地基复合地基复合地基常用的形式复合地基常用的形式水平向增强复水平向增强复合地基合地基竖直向增强复竖直向增强复合地基合地基斜向增强复合斜向增强复合地基地基长短桩复合地长短桩复合地基基6.1.6 复合地基合理选用原则复合

4、地基合理选用原则 当地基压缩土层不是很厚的情况下，水平向增强体可有效提高地基当地基压缩土层不是很厚的情况下，水平向增强体可有效提高地基稳定性，减小地基沉降。稳定性，减小地基沉降。 散体材料桩适于加固砂性土地基，对饱和软粘土地基应慎用。散体材料桩适于加固砂性土地基，对饱和软粘土地基应慎用。 对深厚软土地基，用刚度较大复合地基，适当增加桩体长度，或采对深厚软土地基，用刚度较大复合地基，适当增加桩体长度，或采用长短桩复合地基的形式。用长短桩复合地基的形式。 刚性基础下采用粘结材料桩复合地基时，若桩土相对刚度较大，桩刚性基础下采用粘结材料桩复合地基时，若桩土相对刚度较大，桩体强度较小时，桩头与基础间宜

5、置设柔性垫层；若桩土相对刚度较小，或体强度较小时，桩头与基础间宜置设柔性垫层；若桩土相对刚度较小，或桩体强度足够时，也可不设褥垫层。桩体强度足够时，也可不设褥垫层。 填土路堤下采用粘结材料桩复合地基时，应在桩头上铺设刚度较好填土路堤下采用粘结材料桩复合地基时，应在桩头上铺设刚度较好的垫层（如土工格栅砂垫层、灰土垫层），增加桩土应力比。的垫层（如土工格栅砂垫层、灰土垫层），增加桩土应力比。6.1.7 复合地基中的基本术语复合地基中的基本术语1）面积置换率）面积置换率mAAmpssdssds21sd正方形布桩正方形布桩 224sdm等边三角形布桩等边三角形布桩 2232sdm矩形布桩矩形布桩 21

6、24 ssdm2）桩土应力比）桩土应力比nspn桩土土pss 桩体承担荷载桩体承担荷载Pp与桩间土承担的荷载与桩间土承担的荷载Ps之比称为之比称为桩土荷载分担比桩土荷载分担比N。SpPPN mmnN13）复合模量）复合模量EspsPsp)1 (EmmEE表表6.1 各类桩的桩土应力比各类桩的桩土应力比6.2 复合地基作用机理和破坏模式复合地基作用机理和破坏模式6.2.1 作用机理作用机理 复合地基按其作用机理可体现在以下几个方面。复合地基按其作用机理可体现在以下几个方面。（1）桩体作用）桩体作用（2) 垫层作用垫层作用（3) 加速固结作用加速固结作用（4) 挤密作用挤密作用（5) 加筋作用加筋

7、作用 1）承担水平荷载，提高地基土承载力）承担水平荷载，提高地基土承载力 2）增强地基土的约束力，提高竖向承载力）增强地基土的约束力，提高竖向承载力 3）增强路堤填料土拱效应，调整不均匀沉降）增强路堤填料土拱效应，调整不均匀沉降1 1对于不同的桩型，有不同的破坏模式。对于不同的桩型，有不同的破坏模式。2 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。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 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。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。 a）刺入破坏）刺入破坏 b）鼓胀破坏）鼓胀破坏 c）桩体剪切

8、破坏）桩体剪切破坏 d）整体滑动破坏）整体滑动破坏 3）承载破坏）承载破坏 当加筋土工织物与垫层构成一个整体性当加筋土工织物与垫层构成一个整体性较好的柔性基础时，可能出现由于地基承载力不足引起的较好的柔性基础时，可能出现由于地基承载力不足引起的地基整体失稳破坏。这类破坏的主要特点是加筋体土工织地基整体失稳破坏。这类破坏的主要特点是加筋体土工织物与垫层构成一个柔性的整体基础，其形成条件是土工织物与垫层构成一个柔性的整体基础，其形成条件是土工织物垫层能够确保填土的整体性。在这种情况下，路堤边坡物垫层能够确保填土的整体性。在这种情况下，路堤边坡稳定转化为地基承载力问题，如图稳定转化为地基承载力问题，

9、如图6.13为黄埔港试验堤。为黄埔港试验堤。 4）薄层挤出破坏）薄层挤出破坏 当薄层土强度较低时，可使薄层土当薄层土强度较低时，可使薄层土水平向塑性挤出，形成薄层破坏。如图水平向塑性挤出，形成薄层破坏。如图6.14为三茂铁路试验为三茂铁路试验堤。堤。 6.4 复合地基承载力计算复合地基承载力计算6.4.1 复合地基承载力计算复合地基承载力计算1）复合地基极限承载力）复合地基极限承载力sf22pf11cf1PmkmPkPsfpfcf)1 (PmmPPKppcfcc2）复合地基承载力特征值）复合地基承载力特征值skpkspk)1 (fmmff或者或者 skpaspk)1(fmARmf3）软弱下卧层

10、验算）软弱下卧层验算azcz0fpp4）复合地基承载力修正）复合地基承载力修正 按按建筑地基处理技术规范建筑地基处理技术规范规定：基础宽度的地基承载力修正系数取规定：基础宽度的地基承载力修正系数取零；基础埋深的地基承载力修正系数应取零；基础埋深的地基承载力修正系数应取1.0。表表6.2 桩间土承载力折减系数桩间土承载力折减系数6.4.2 桩体承载力特征值的确定桩体承载力特征值的确定（1）对刚性桩复合地基和柔性桩复合地基，桩体承载力特征值可采用类似摩擦桩）对刚性桩复合地基和柔性桩复合地基，桩体承载力特征值可采用类似摩擦桩承载力特征值以及根据桩身材料强度分别计算，取小值。承载力特征值以及根据桩身材

11、料强度分别计算，取小值。)(1ppisipppapkAqlquAARfpcuaAfR （2）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）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。散体材料桩在荷载作用下桩体发生膨胀，桩周土进能提供的最大侧限力。散体材料桩在荷载作用下桩体发生膨胀，桩周土进入塑性状态。入塑性状态。prupkKf6.4.3 承载力计算方法承载力计算方法f0fqqq000coscossinrc0000cotBZBVDqf 当加筋体复合土层中加筋体沿滑移面当加筋体复合土层中加筋体沿滑移面AC面断裂时，地基破坏，此时刚性面断裂时，地基破坏，此

12、时刚性基础速度为基础速度为V0，加筋体沿，加筋体沿AC面断裂引起的能量消散率增量为面断裂引起的能量消散率增量为D。0000000cotsincosZVVcACDr上述分析忽略了上述分析忽略了ABCD和和BGFD区中由于加筋体存在（区中由于加筋体存在（cr0）能量耗散率增）能量耗散率增量的增加。根据上限定理，可得承载力提高值为：量的增加。根据上限定理，可得承载力提高值为：6.5 复合地基变形和沉降计算方法复合地基变形和沉降计算方法 复合地基沉降计算总的思复合地基沉降计算总的思路是：将地基沉降分为复合地路是：将地基沉降分为复合地基加固区沉降基加固区沉降s1和下卧层沉降和下卧层沉降s2两部分两部分:

13、 6.5.1 复合地基变形计算复合地基变形计算1）复合模量法）复合模量法niiiihEps1sp12）应力修正法）应力修正法ssniisiisniisisishEphEps11113）桩身压缩量法）桩身压缩量法pss1令荷载作用下的桩身压缩量为令荷载作用下的桩身压缩量为sp，桩底端下卧层土体刺入量为，桩底端下卧层土体刺入量为。则加固。则加固区土层压缩量计算公式为：区土层压缩量计算公式为：lEppsp0bpp26.5.2 复合地基沉降计算复合地基沉降计算a）压力扩散法）压力扩散法 b）等效实体法）等效实体法1）压力扩散法）压力扩散法tan2tan2hLhBBLPpb2）等效实体法）等效实体法BL

14、hfLBBLPpb223）改进的）改进的Geddes法法sPzQzz,a）桩受力示意图）桩受力示意图 b）桩作用于土上的力）桩作用于土上的力Qp、Qr、Qt2tt2rr2pp,tpLKQLKQLKQQzQzQzQzr6.5.3 复合地基沉降计算方法选择复合地基沉降计算方法选择 1）散体材料桩复合地基沉降计算方法选择）散体材料桩复合地基沉降计算方法选择 置换率较大，桩土应力比较小，加固区压缩量常采用复合模量法计置换率较大，桩土应力比较小，加固区压缩量常采用复合模量法计算，下卧层压缩量可采用分层总和法计算，地基附加应力计算常采用压力算，下卧层压缩量可采用分层总和法计算，地基附加应力计算常采用压力扩

15、散法。扩散法。 2）柔性桩复合地基沉降计算方法选择）柔性桩复合地基沉降计算方法选择 桩土应力比较小，沉降计算方法与散体材料桩类似。加固区压缩量桩土应力比较小，沉降计算方法与散体材料桩类似。加固区压缩量一般可用复合模量法计算，下卧层压缩量采用分和总和法计算，地基中附一般可用复合模量法计算，下卧层压缩量采用分和总和法计算，地基中附加应力采用压力扩散法或等效实体法计算。加应力采用压力扩散法或等效实体法计算。 6.6 多元复合地基法多元复合地基法6.6.1 多元复合地基设计思想多元复合地基设计思想a）第一类多元复合地基）第一类多元复合地基 b）第二类多元复合地基）第二类多元复合地基 1）第一类多元复合

16、地基）第一类多元复合地基:主桩的置换作用是复合地基承载力的主要部主桩的置换作用是复合地基承载力的主要部分，次桩或再次桩起辅助作用。分，次桩或再次桩起辅助作用。 复合地基多由刚性桩、柔性桩（或散体材料桩）及土形成，如复合地基多由刚性桩、柔性桩（或散体材料桩）及土形成，如CFG桩桩和石灰桩；也可由柔性桩、散体材料桩及土形成，如石灰桩与碎石桩；也和石灰桩；也可由柔性桩、散体材料桩及土形成，如石灰桩与碎石桩；也可由两种以上刚度不同柔性桩及土形成，如深层搅拌桩和石灰桩复合地基。可由两种以上刚度不同柔性桩及土形成，如深层搅拌桩和石灰桩复合地基。 2）第二类多元复合地基）第二类多元复合地基:主桩数量较少，主

17、要布置在节点及荷载较大的主桩数量较少，主要布置在节点及荷载较大的承重墙下，以减小沉降为主要目的，地基承载力提高主要靠次桩置换作用。承重墙下，以减小沉降为主要目的，地基承载力提高主要靠次桩置换作用。6.6.2 多元复合地基承载力计算多元复合地基承载力计算1）第一类多元复合地基承载力计算）第一类多元复合地基承载力计算sk212pa222p1a11spk1fmmARmARmf 当主桩为刚性桩，次桩为强度较高的柔性桩（深层水泥土搅拌桩）时，当主桩为刚性桩，次桩为强度较高的柔性桩（深层水泥土搅拌桩）时，采用下式计算复合地基承载力：采用下式计算复合地基承载力： 当主桩为刚性桩或强度较高的柔性桩，次桩为强度

18、较低的柔性桩（石当主桩为刚性桩或强度较高的柔性桩，次桩为强度较低的柔性桩（石灰桩、灰土桩挤密桩等）时，采用下式计算复合地基承载力：灰桩、灰土桩挤密桩等）时，采用下式计算复合地基承载力：sk212pk22p1a11spk1fmmfmARmf 考虑主桩分担一定的荷载，根据桩的类型及地质条件采用经验参考虑主桩分担一定的荷载，根据桩的类型及地质条件采用经验参数法计算主桩承载力，扣除主桩承受的荷载后，剩余荷载由次桩形成的数法计算主桩承载力，扣除主桩承受的荷载后，剩余荷载由次桩形成的复合地基承担。复合地基承担。 将主桩的承载力作为安全储备，仅考虑次桩形成的复合地基承担将主桩的承载力作为安全储备，仅考虑次桩

19、形成的复合地基承担上部结构荷载，此种情形即由三元复合地基蜕化为二元复合地基，复合上部结构荷载，此种情形即由三元复合地基蜕化为二元复合地基，复合地基承载力按通常计算公式计算即可。地基承载力按通常计算公式计算即可。2）第二类多元复合地基承载力计算）第二类多元复合地基承载力计算6.6.3 多元复合地基沉降计算多元复合地基沉降计算1）第一类多元复合地基沉降计算方法）第一类多元复合地基沉降计算方法第一种情况（主桩与次桩桩长相等）第一种情况（主桩与次桩桩长相等）21ssss212p21p1sp)1 (EmmEmEmE第二种情况（主桩桩长大于次桩）第二种情况（主桩桩长大于次桩）jnnjjjiniiihEhE

20、psss2111sps1sp111s1p11sp)1(EmEmE2）第二类多元复合地基沉降计算方法）第二类多元复合地基沉降计算方法 第一种计算方法第一种计算方法 采用复合模量法计算加固区土层压缩量采用复合模量法计算加固区土层压缩量s1，采用改进的，采用改进的Geddes法法计算下卧层土层的压缩量计算下卧层土层的压缩量s2。 第二种计算方法第二种计算方法 在工程中可采用实用简化计算方法，即将总荷载扣除桩体承受的荷在工程中可采用实用简化计算方法，即将总荷载扣除桩体承受的荷载后的剩余荷载作用在复合地基加固区上，其加固区土层和下卧层土层上载后的剩余荷载作用在复合地基加固区上，其加固区土层和下卧层土层上

21、的附加应力计算方法与天然地基中应力计算方法相同。的附加应力计算方法与天然地基中应力计算方法相同。 复合地基加固区土层的复合压缩模量可按下复合地基加固区土层的复合压缩模量可按下2式计算：式计算： s22p2sp)1 (EmEmEs212p21p1sp)1 (EmmEmEmE6.6.4 多元复合地基检测方法多元复合地基检测方法 1）多元复合地基中的单桩检测）多元复合地基中的单桩检测 可依据各类桩的检测法分别进行。刚性桩可采用低应变动力检测法检可依据各类桩的检测法分别进行。刚性桩可采用低应变动力检测法检测桩身完整性，深层搅拌水泥土桩可采用轻便动力触探或抽芯检测，石灰测桩身完整性，深层搅拌水泥土桩可采

22、用轻便动力触探或抽芯检测，石灰桩可采用静力触探或轻便动力触探检测桩身强度和成桩质量，碎石桩可采桩可采用静力触探或轻便动力触探检测桩身强度和成桩质量，碎石桩可采用重型动力触探检测成桩质量。用重型动力触探检测成桩质量。 6.7 工程应用实例工程应用实例 【例例1】山西某煤炭基地设计一综合楼，拟建场地平缓，地表常年积水，山西某煤炭基地设计一综合楼，拟建场地平缓，地表常年积水，场地地质自上而下分为场地地质自上而下分为7层，土层主要物理力学指标如下：层，土层主要物理力学指标如下： 建筑采用筏板基础，抗震设防等级为建筑采用筏板基础，抗震设防等级为8级，基础座落在第层粉质粘土层上。级，基础座落在第层粉质粘土

23、层上。结构设计要求处理后的地基承载力特征值不小于结构设计要求处理后的地基承载力特征值不小于160kPa。 1）地基加固方案选择）地基加固方案选择 CFG桩加固：静载荷试验表明，单桩承载力可达桩加固：静载荷试验表明，单桩承载力可达140170kPa，复合，复合地基承载力可达地基承载力可达150220kPa。但由于。但由于CFG桩施工时产生的地基土孔隙水桩施工时产生的地基土孔隙水压消散时间较长，桩周土强度恢复周期长，不利于桩间土承载力利用。压消散时间较长，桩周土强度恢复周期长，不利于桩间土承载力利用。 挤密碎石桩：既能起排水通道、缩短桩间饱和软土排水固结路径、挤密碎石桩：既能起排水通道、缩短桩间饱

24、和软土排水固结路径、加速软土固结、恢复并提高桩间土承载力作用，又能消除可液化地层的液加速软土固结、恢复并提高桩间土承载力作用，又能消除可液化地层的液化潜势、增加桩间土密实性、提高抗剪强度。但复合地基承载力仅能提高化潜势、增加桩间土密实性、提高抗剪强度。但复合地基承载力仅能提高至至80kPa，不能满足地基承载力和沉降要求。，不能满足地基承载力和沉降要求。 经分析比较后，采用经分析比较后，采用CFG桩与碎石桩联合加固方案，发挥两种不同桩与碎石桩联合加固方案，发挥两种不同桩型的各自优点。桩型的各自优点。CFG桩为主桩，起主要承载力作用；碎石桩为次桩，桩为主桩，起主要承载力作用；碎石桩为次桩，主要目的

25、是加速土体固结，消除可液化地层的液化潜势。主要目的是加速土体固结，消除可液化地层的液化潜势。 2）地基加固设计）地基加固设计 碎石桩：桩径碎石桩：桩径400mm，桩长大于，桩长大于6m，桩身穿透第层粉土层，消，桩身穿透第层粉土层，消除粉土液化趋势。除粉土液化趋势。 CFG桩：桩径桩：桩径377mm，桩长，桩长9m，桩尖置于承载力较高的第层粘，桩尖置于承载力较高的第层粘土层，以发挥桩的端承效应，置换率土层，以发挥桩的端承效应，置换率m=10.8%。单桩承载力达。单桩承载力达170kPa。 桩位布置：桩位布置：CFG桩与碎石桩间隔布置，正三角形布桩，桩距桩与碎石桩间隔布置，正三角形布桩，桩距1.2

26、m。 褥垫层设计：在桩与基础底板之间铺设一层褥垫层设计：在桩与基础底板之间铺设一层300mm厚的砂石垫层。厚的砂石垫层。 3）复合地基处理效果）复合地基处理效果 地基加固处理后地基加固处理后1个月进行复合地基静载荷试验，复合地基承载力达个月进行复合地基静载荷试验，复合地基承载力达180kPa，满足设计要求；从主体结构施工起至综合楼竣工连续观测结果，满足设计要求；从主体结构施工起至综合楼竣工连续观测结果表明，地基沉降平稳均匀，沉降值表明，地基沉降平稳均匀，沉降值1.01.5mm，远小于规范允许值。，远小于规范允许值。【例例2】 1）地基处理设计方案选择）地基处理设计方案选择 该工程采用长短桩非线

27、性组合的多元复合地基处理方案为最佳，其复该工程采用长短桩非线性组合的多元复合地基处理方案为最佳，其复合地基承载力特征值为合地基承载力特征值为fspk=300kPa。 短桩采用灰砂桩，桩长短桩采用灰砂桩，桩长6m，孔径，孔径400mm，桩间距，桩间距1.0m，正方形布置，正方形布置，主要用于提高复合地基的承载力。主要用于提高复合地基的承载力。 长桩采用长桩采用CFG桩，桩长桩，桩长13m，孔径，孔径400mm，桩间距，桩间距1.0m，正方形布，正方形布置，主要用于控制沉降。在复合地基和基底之间，铺设置，主要用于控制沉降。在复合地基和基底之间，铺设0.3m厚度砂石垫层。厚度砂石垫层。 短 桩地 面

28、长 桩褥 垫 层3006000筏 板 基 础6001 2 0 0160013000 长 桩( C F G 桩 ) 短 桩( 灰 砂 桩 )短 桩地 面500长 桩褥 垫 层1 0 0 0300短 桩6000长 桩14000筏 板 基 础1600a） 复合地基的桩位平面布置复合地基的桩位平面布置 b） 复合地基的桩位剖面布置复合地基的桩位剖面布置2）复合地基设计计算）复合地基设计计算 （1）单桩承载力特征值确定）单桩承载力特征值确定 现场静载试验测得短桩（灰砂桩）的单桩承载力特征值为现场静载试验测得短桩（灰砂桩）的单桩承载力特征值为85kN；长；长桩（桩（CFG桩）的单桩承载力特征值为桩）的单桩

29、承载力特征值为230kN。对于灰砂桩，其单桩承载。对于灰砂桩，其单桩承载力特征值可取下列二式计算结果较小者。力特征值可取下列二式计算结果较小者。（3）复合地基沉降的计算与观测）复合地基沉降的计算与观测（2）复合地基承载力特征值确定）复合地基承载力特征值确定 根据公式（根据公式（5.29）计算，各参数取值：）计算，各参数取值： 静载试验测得长桩承载能力特征值为静载试验测得长桩承载能力特征值为230kN。当长桩达到承载力极限状。当长桩达到承载力极限状态时，整个地基沉降量为态时，整个地基沉降量为25mm左右，这与按式（左右，这与按式（5.32）计算的结果比较）计算的结果比较接近；当长桩所受压应力达到其特征值接近；当长桩所受压应力达到其特征值80%90%时，地基沉降值为时，地基沉降值为1015mm，这工程实际荷载情况相当。因此该场地复合地基沉降量可控制在，这工程实际荷载情况相当。因此该场地复合地基沉降量可控制在15mm以内。以内。3）施工技术）施工技术（1）灰砂桩施工）灰砂桩施工 灰砂桩体积比为