复合地基的基本概念.ppt

1,1,第四章 复合地基的基本概念,4.1 复合地基的定义4.2 复合地基的分类4.3 形成复合地基的条件4.4 复合地基中的几个名词4.5 复合地基的效应,1,2,4.1 复合地基的定义,composite subgrade;composite foundation 复合地基是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，加固区是由基体（天然地基土体）和增强体两部分组成的人工地基。加固区整体看是非均匀的。,1,3,composite subgrade;composite foundation 复合地基由两个基本特点：一、加固区是基体和增强体两部分组成，是非均质和各向异性的；二、荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。前一种特征使它区别于均质地基（包括天然的和人工的均质地基），后一特征使它区别于桩基础。基体和增强体形成复合地基有一定的条件，在荷载作用下，通过两者变形协调，共同分担荷载。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。在某种意义上讲，均质地基和桩基础是竖向增强体复合地基的两种特殊情况。以后可以看到，当复合地基置换率等于零的时候，复合地基退化为均质地基，当复合地基桩间土强度发挥度等于零时，复合地基退化为桩基。,1,4,复合地基技术在我国得到了广泛的应用和发展。据不完全统计，在地基处理中应用的桩型不下十几种，其中应用比较广泛的有：振冲碎石桩复合地基干振碎石桩复合地基砂土桩复合地基灰土桩复合地基石灰桩复合地基深层搅拌水泥土桩复合地基粉喷水泥土桩复合地基夯实水泥土复合地基水泥粉煤灰碎石桩复合地基。等等显然，上述复合地基主要是由增强体材料性质和成桩工艺而定名的。例如，增强体材料为水泥土，则称为水泥土桩复合地基。而按施工工艺不同又分为深层搅拌桩（由水泥浆与原土强制搅拌而成）复合地基、粉喷桩（由水泥粉和原土强制搅拌而成）复合地基、旋喷桩（由高压喷射注浆旋喷法形成的水泥土桩）复合地基和夯实水泥土桩（由在孔外将水泥粉和过筛的土均匀拌和、分层回填夯实而成）复合地基。又比如，桩体材料为碎石的碎石桩复合地基，根据施工工艺的不同又可分为振冲碎石桩复合地基、干振碎石桩复合地基、振动沉管挤密碎石桩复合地基和强夯置换碎石桩复合地基。,4.2 复合地基的分类,1,5,许多学者基于试验研究和工程应用方面的考虑，按桩体材料的性状、施工工艺和桩在复合地基的承载特性，对复合地基进行分类，按成桩材料分类如下：（1）散体土类桩。如砂（砂石）桩、碎石桩等。（2）水泥土类桩。如水泥土搅拌桩、旋喷桩等。（3）混凝土类桩。如CFG桩、树根桩等。按桩体刚度的分类如下：（1）柔性桩。散体土类桩属于此类桩（2）半刚性桩。如水泥土类桩。（3）刚性桩。比如混凝土类桩。按桩体材料的性状，特别是桩体置换作用的大小，将复合地基分类如下：（1）散体桩复合地基。如砂桩、碎石桩为增强体的复合地基。（2）一般粘结强度桩复合地基。如石灰桩、水泥土桩为增强体的复合地基。对一般粘结强度桩可以再细分为：低粘结强度桩复合地基。如石灰桩复合地基。中等粘结强度桩复合地基。如旋喷桩、夯实水泥土桩为增强体的复合地基。,1,6,（3）高粘结强度桩复合地基。比如CFG桩复合地基。桩体粘结强度的变化，对复合地基的工作性状影响很大。按桩体材料粘结强度分类，有助于对复合地基个性的认识和系列化的研究。复合地基中的桩体为同一种材料的称为单一桩型复合地基。这类复合地基可以是桩径相同，而桩距和桩长不同。比如如图所示、土层为相对硬土层，考虑到复合地基中桩距既不宜过大、也不宜过小的原则，当全部采用短桩方案时，承载力和变形不能满足设计要求，当全部采用长桩设计方案时，设计又过于保守。此是可以采用长、短桩相结合的复合地基方案。,1,7,由两种或两种以上类型的桩组成的复合地基，称为多桩型复合地基。比如对于下图所示的可液化地基，设计当中，既要求消除土体的液化，又要求有很高的复合地基承载力。当用单一的振冲碎石桩或振动沉管挤密碎石桩加固地基，虽然可以消除液化，但是承载力达不到要求。此时，可采用碎石桩加振动沉管CFG桩多桩型复合地基方案，以达到既消除液化又大幅度提高承载力的目的。当基础底面以下的地基土有相对软的土层或者平面上局部有较软土层时，也可以采用水泥土桩（软土层不厚且无地下水时可用夯实水泥土桩）加固，然后再打设模量更高的桩，比如CFG桩等，形成多桩型的复合地基，应用效果也很好。,1,8,4.3 形成复合地基的条件,现在需要回答的问题是：在天然地基中设置了增强体是否就形成了复合地基？怎样才能形成复合地基？,1,9,4.3.1 中高粘结强度桩（比如夯实水泥土桩和CFG桩）,1.基础与桩之间不设置褥垫层 如右图所示，土层I为较软弱土层，土层II为坚硬土层，土层II的压缩模量远远大于土层I的压缩模量。图1中基础直接作用于桩和桩间土上，桩穿透土层I，桩端落在土层II上。由于桩段落在坚硬土层上，复合地基沉降主要由桩的压缩变形控制。通常桩的压缩模量远大于桩间土，其压缩变形很小。相应桩间土的变形很小，桩间土的承载能力很小，桩间土的承载能力很难发挥，荷载基本由桩承担。,1,10,为了发挥桩间土的承载能力，也可认为缩短桩长，使桩段落在土层I中，形成悬浮桩，如图2所示。此时，桩的沉降加大，桩间土的变形有所增加，其承载能力有所发挥，但即使如此，桩间土的承载能力也不能充分发挥，其受力特性和桩基础相类似。参照JGJ94-94建筑桩基技术规范，摩擦桩的桩间土承载能力发挥系数为0.110.48，显然，桩间土强度的发挥程度很低。因此，基础直接作用在桩和桩间土上，无论桩端是否落在好土层上，桩间土的承载能力都不能充分发挥。更重要的事，在后一种情况下，桩端落于土层I，端组效应大大削弱，导致复合地基的承载力显著降低，这又为不合理。,1,11,2.基础与桩和桩间土之间设置一定厚度的褥垫层,如右图所示，基础与桩和桩间土之间设置一定厚度的散粒状材料组成的褥垫层，则受力情况与前面所讲得就有很大的不同。在荷载的作用下，由于桩的模量远大于土的模量，桩间土表面变形大于桩顶变形，桩向褥垫层刺入，伴随着这一变化过程，粒状散体材料不断调整补充到桩间土表面上，基础通过褥垫层始终与桩间土保持接触，桩间土始终参与工作，桩间土承载能力可得以发挥。,1,12,可见，基础下是否设置褥垫层，对复合地基受力影响很大。基础下不设置褥垫层，复合地基承载特性与桩基础相似，在给定的荷载作用下，桩承受较多荷载，随时间增加，桩发生一定的沉降，一部分荷载逐渐向土体转移，桩承担的荷载随时间的增加而有所减少，土承担的荷载随时间的增加而有所增加。桩间土承载力发挥依赖于桩的沉降，如果桩端落在坚硬土层上，桩的沉降很小，桩上荷载向土上转移数量很小，桩间土承载能力难以发挥，不能成为复合地基。基础下设置褥垫层，桩间土承载能力的发挥就不单纯依赖于桩的沉降，即使桩端落在好土层上，也能保证荷载通过褥垫作用到桩间土上，使桩土共同承担荷载。,1,13,4.3.2 散体桩和低粘结强度桩（比如碎石桩和石灰桩）,碎石桩等散体材料桩复合地基以及石灰桩等桩体粘结强度很低的复合地基，不设置褥垫层，也可以充分发挥桩间土的承载能力。这是因为这些桩体本身为散体材料组成，具有褥垫作用，或者在荷载作用下，桩体顶部破坏，形成了褥垫层。,1,14,深层搅拌桩和旋喷桩复合地基桩体具有一定的粘结强度，从前面可以知道，基础下不设置一定厚度的褥垫层，复合地基工作性状与桩基础相似，桩间土强度难以发挥。因此，JGJ79-2002建筑地基处理规范中规定这两种桩型的复合地基桩间土承载立发挥系数 为：深层搅拌桩复合地基：当桩端土为软土时，可取0.50.9。当桩端土为硬土时，可取0.10.4。旋喷桩复合地基：=0.20.6。由于不设置褥垫层，复合地基桩间土承载力很难发挥，许多学者认为，这样的人工地基不能划归复合地基，同时建议在基础和桩之间设置一定厚度的褥垫层并相应提高桩间土承载力发挥系数。尤为重要的是，对水泥土桩复合地基，基础下设置一定厚度的褥垫层，还可以改善复合地基桩土相互作用性状。由于褥垫层的变形调整作用，桩间土表面沉降大于桩顶沉降，在桩的上部形成负摩擦区，负摩擦力对于桩基础是不利的，但对复合地基，桩有阻止桩间土下沉的作用，减小桩间土的沉降变形。,1,15,对与水泥土桩复合地基，基础下设置一定厚度的褥垫层，还可以提高桩的承载能力。基础下设置褥垫层后，桩间土分担的荷载大大增加，使桩间土垂直附加应力 增加，桩间土水平附加应力（为土泊松比），随之增加。的增加对桩有两个作用：（1）增加了桩间土对桩侧的正压力，提高了桩的侧摩阻力，从而提高了桩的承载能力。（2）桩体材料的室内三轴试验表明，水泥土抗压强度随围压 的增加而有所增加，可提高桩体抗压强度，尤其可增强桩顶部位抵抗受压破坏的能力。,1,16,通过以上的讨论可以得到如下认识：（1）由增强体（桩）、桩间土构成的复合土体与基础之间应设置一定厚度的褥垫层（褥垫层材料一般为散体材料，如砂、碎石等），以保证桩土共同承担荷载。特别是对于中、高粘结强度桩、褥垫层是复合地基中不可缺少的一个组成部分。（2）在散体桩（如碎石桩）和低粘结强度桩（如石灰桩），有时没有设置褥垫层，也能保证桩土共同承担荷载。,1,17,4.4 复合地基中几个重要的名词,复合地基中，一根桩和它所承担的桩间土体为一复合土体单元。在这一复合土体单元中，桩的断面面积 和复合土体单元面积（复合土体桩间土面积与桩的断面面积之和）之比，称为面积置换率，并用 表示：实际工程中，由于地基土岩性的变化、上部结构荷载的不均匀性，以及基础平面尺寸等因素的影响，不可能整个基础下都是等间距布桩。对只在基础下布桩的复合地基，桩的断面面积之和与基础总面积相等的复合土体面积之比，称为平均面积置换率。,一、置换率,1,18,对一复合土体单元，在荷载作用下，桩和桩间土受力如图所示。桩顶应力；为桩间土表面应力。则桩土应力比 为：,二、桩土应力比,1,19,实际工程中，即使是单一桩型的复合地基，由于桩处在基础下的部位不同或桩距不同，桩土应力比也不同。定义基础下桩的平均桩顶应力与桩间土平均应力之比为平均桩土应力比。基础下的平均桩土应力比是反映桩土荷载分担的一个参数，其他参数相同时，桩土应力比越大，桩承担的荷载占总荷载的百分比越大，此外，桩土应力比对某些桩型（例如碎石桩）也是复合地基的设计参数。一般情况下，桩土应力比与桩体材料、桩长、面积置换率等有关。其他情况相同时，桩体材料刚度越大，桩土应力比越大；桩越长，桩土应力比越大；置换率越小，桩土应力比越大。,1,20,复合地基中，桩土的荷载分担可以用桩土应力比表示，也可用桩土荷载分担比、表示：式中：桩承担的荷载；桩间土承担的荷载；总荷载。当平均面积置换率已知后，桩土荷载分担比和桩土应力比可以相互表示。,二、桩土荷载分担比,1,21,当测得了桩土荷载分担比、后，可求得桩顶平均应力：桩间土平均应力为：桩土应力比为：,1,22,同样，当测定了桩土应力比以后，可求得桩土荷载分担比、。用桩土应力比表示的任一荷载时的力平衡方程为：,1,23,复合模量表示复合土体抵抗变形的能力，数值上等于某一应力水平时复合地基应力与复合地基相对变形之比。通常复合模量可用桩抵抗变形能力与桩间土抵抗变形能力的某种叠加来表示。计算式子为：式中：桩体压缩模量 桩间土压缩模量 复合模量,四、复合模量,1,24,需要着重指出的是，上面的式子是在某些特定的理想条件下导出的，其条件为：1）复合地基上的基础半无限大，且基础绝对刚性；2）桩端落在坚硬的土层上，桩没有向下的刺入变形；3）桩长是 有限的。,1,25,在这种理想状态下，桩、土的受力如图所示，桩与桩间土只发生压缩变形，令、分别表示复合地基应变、桩体应变和桩间土应变，、分别表示复合地基应力、桩顶应力和桩间土应力，并有 又，则即桩土应力比等于桩土的压缩模量比，这也表明，在理想条件下，桩土荷载分担是按桩土压缩模量分配的。,1,26,根据定义：从上面的推导可以看出，上面的式子中可以看出，桩的模量采用桩体材料的压缩模量，它是根据理想状态下复合地基的受力与变形关系导出的。实际工程中像理想状态那样的边界条件是很少存在的。需要指出的是，采用桩体压缩模量计算复合模量，这在工程实践中将使沉降计算产生很大的误差。由于桩顶变形是桩体的压缩变形和桩在土中的沉降变形所组成，桩体压缩模量越大，桩体压缩变形所占总变形的比例越小，所以按上面式子计算的复合模量与实际的误差越大。采用桩体材料的压缩模量，在概念上也反映出许多不妥之处。表现在：,1,27,（1）不能反映桩长的作用：碎石桩存在有效桩长，当桩长大于有效桩长时，其桩土应力比不大，增加桩长，对桩土应力比和桩土的荷载分担影响不大，复合模量与桩长的相关性也不明显。对于有一定粘结强度桩型的复合地基，桩越长，桩受土的侧摩阻力越大，桩长效应越明显。当荷载水平一定时，随着桩长的增加，桩土应力比越大，桩分担的荷载百分比 越大，桩抵抗竖直变形的能力越大，相应的复合模量也越大。而按上面的式子计算，虽然桩长不同，但由于桩体压缩模量相同，计算的复合模量是相同的，无法反映桩长效应。（2）不能反映端阻效应：端阻力的发挥，有利于增强土抵抗桩变形的能力。在下图中，某一种高粘结强度桩单桩静载试验结果中，桩的参数相同，加固区土质相同，1#桩端落在承载力较高的粉土透镜体上，2#桩端未达透镜体。,1,28,从曲线可以看到，1#桩的承载力明显高于2#桩，相同荷载水平下，1#桩的沉降明显小于2#桩。这表明，桩端土越好，土对桩产生的断阻力越大，抵抗桩变形的能力越强，相应加固区的复合模量也越高。而按照上面的式子计算则复合模量是相同的，反映不出端阻对复合模量的影响。,1,29,实际工程中，桩的模量直接测定是比较困难的。另外，桩土荷载分担与桩土模量相关，可以用土的模量的某个倍数表示桩的模量，这既反映了桩土相互作用的关系，也大大减少了确定设计参数的误差。当荷载接近或达到复合地基承载力时，假定：（1）桩土模量比等于桩土应力比，即，为加固后桩间土压缩模量。（2）加固后桩间土压缩模量是加固前天然地基压缩模量的倍，即。为桩间土承载力提高系数。（3）复合模量按下式组合：由以上基本假定，可以求得复合地基的复合模量：,1,30,令 式中，当采用排土成桩工艺时，；采用非排土成桩工艺，根据土性以及当地经验取值。复合地基承载力表达式一般为：式重：复合地基承载力特征值，kPa；天然地基承载力特征值，kPa。所以，又有：显然，既是承载力提高系数，也是模量提高系数。,1,31,实际工程应用时，根据地质报告提供的天然地基土的压缩模量、天然地基承载力特征值、加固后静载试验测定的复合地基承载力特征值，可以求得模量提高系数：则复合土层的复合模量为,1,32,返回,4.5 复合地基效应,复合地基中桩间土的性状不同。桩体材料不同、成桩工艺不同，复合地基的效应也就不同。了解复合地基的效应，对认识复合地基、合理选用桩型和施工工艺都是很重要的。综合各种桩型的复合地基的效应，主要由以下五个方面：（1）置换作用，也称桩体效应。（2）挤密、振密作用。（3）排水作用。（4）减载作用。（5）桩对土的约束作用。,1,33,一、置换作用（桩体效应）,复合地基中桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间土表面应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载。这样，由于桩的作用使复合地基承载力提高、变形减小，工程中称之为置换作用或桩体效应。工程实践表明，复合地基置换作用的大小，主要取决于桩体材料的组成。散体桩置换作用最小，高粘结强度桩置换作用最大。散体桩，增加桩的长度，对复合地基置换作用影响不大；一般粘结强度桩，特别是高粘结强度桩，加大桩长可使复合地基置换作用明显提高。,1,34,返回,二、挤密、振密作用,对于松散得填土、松散粉细砂、粉土，采用非排土和振动成桩工艺，可使桩间土孔隙比减小、密实度增加，提高桩间土的强度和模量。比如振动沉管挤密碎石桩、振冲碎石桩、振动沉管CFG桩，对上述类型的土具有挤密、振密效果。此外，比如石灰桩，即使采用了排土成桩工艺，由于石灰吸水膨胀，使桩间土局部产生挤密作用。桩间土机密、振密是使复合地基承载力提高的一个组成部分。需要指出的是，对饱和粘土、硬的粘性土、粉土、密实砂土，振动成桩工艺不仅不能使桩间土机密、振密，反而使土体结构强度丧失，孔隙比增大、密实度减小、承载力降低。,1,35,返回,三、排水作用,复合地基中的桩体，很多具有良好的透水性。例如碎石桩、砂桩是良好的排水通道；由生石灰和粉煤灰组成的石灰桩，也具有良好的透水性，其渗透系数相当于粉细砂的量级；振动沉管CFG桩在桩体初凝以前也具有相当大的渗透性。可使振动产生的超孔隙水压力通过桩体得以迅速消散。桩体的排水作用，有利于孔隙水压力消散、有效应力增长、桩间土强度和复合地基承载力提高。,1,36,返回,四、减载作用,对排土成桩工艺，用轻质材料取代原土成桩，在加固土层范围内，复合土层的有效重度将比原土有明显的降低。这就是复合地基的减载作用。例如，石灰桩复合地基，生石灰干密度为0.8g/cm3左右、粉煤灰干密度为0.60.8g/cm3，饱和重度一般为14kN/cm3左右，比天然土体重度小30%左右。当置换率为0.25时，1m厚的复合土体单元自重将减小1.5kN。若按桩长5m计，桩端部自重压力将减小7.5 kN/cm2。显然这种减载作用对减小建筑物的沉降是有益的。,1,37,返回,五、桩对土的约束作用,在群桩复合地基中，桩对桩间土具有阻止土体侧向变形的作用。相同荷载水平下，无侧向约束时土的侧向变形大，从而使垂直变形加大；由于桩对土体侧向变形的限制，减少了侧向变形也就减小了垂直变形，使复合地基抵抗垂直变形的能力有所加强。,1,38,复合地基的承载力测试,基于复合地基是由竖向增强体和地基土通过变形协调承载的机理，复合地基的承载力目前只能通过现场载荷试验确定。试验要求如下：1.复合地基载荷试验承压板应该有足够的刚度。单桩复合地基载荷试验的承压板可用圆形或方形，面积为一根桩承担的处理面积；多桩复合地基载荷试验的承压板可用方形或者矩形，其尺寸按实际桩数所承担的处理面积确定。桩的中心（或形心）应与承压板中心保持一致，并与载荷作用点重合。2.承压板底面标高应与桩顶设计标高相适应。承压板底面下宜铺设粗砂或中砂垫层，垫层厚度取50150mm，桩身强度高时宜取大值。试验标高处的试坑长度和宽度，应不小于承压板尺寸的3倍。基准梁的支点应设在试坑之外。3.试验前应采取措施，防止因气候变化、施工及降低地下水位等原因，造成试验场地地基土含水量的变化及土体扰动，以免影响试验结果。,1,39,4.加载等级可分为812级，最大加载压力不应小于设计要求压力值的2倍。5.每加一级荷载前均应记录压板沉降量一次，以后每半小时读记一次。当一小时内沉降量小于0.1mm时，即可加下一级荷载。6.当出现下列现象之一时即可终止试验：（1）沉降急剧增大，土被挤出或承压板周围出现明显的隆起；（2）承压板的累计沉降已大于其宽度或直径的6%；（3）当达不到极限荷载，而最大加载压力已经大于设计要求压力值的2倍。7.卸载级数可为加载级数的一半，等量进行，每卸一级，间隔半小时，读记回弹量，待卸完全荷载后间隔三小时读记总回弹量。,1,40,8.复合地基承载力特征值的确定：（1）当压力沉降曲线上极限荷载能确定，而其值不小于直线段的2倍时，可取比例极限，当其值小于比例极限的2倍时，可取极限荷载的一半；（2）当压力沉降曲线是平缓的光滑曲线时，可按相对变形值确定：1）对砂石桩或振冲桩复合地基或强夯置换墩，当以粘性土为主的地基，可取s/b或s/d=0.015所对应的压力（b和d分别为承压板宽度和直径，当其值大于2m时，按2m计算）；当以粉土或砂土为主的地基，可取可取s/b或s/d=0.01所对应的压力。2）对挤密桩、石灰桩或柱锤冲扩桩复合地基，可取s/b或s/d=0.012所对应的压力。对灰土挤密桩复合地基，可取s/b或s/d=0.008所对应的压力。,1,41,3）对水泥粉煤灰碎石桩或夯实水泥土复合地基，当以卵石、圆砾、密实粗中砂为主的地基，可取s/b或s/d=0.008所对应的压力；当以粘性土、粉土为主的地基，可取s/b或s/d=0.01所对应的压力。4）对水泥土搅拌桩或旋喷桩复合地基，可取s/b或s/d=0.006所对应的压力 5）对有经验的地区，可以按当地经验确定相对变形值。试验点的数量不应少于3点，当满足其极差不超过平均值的30%时，可取其平均值为复合地基承载力特征值。,