1、第二章复合地基2 2.1 .1 概述概述 2 2.1.1.1.1 人工地基的类型人工地基的类型 经过加固处理后形成的人工地基分为三类： （1）均质地基 （2）双层地基 （3）复合地基 加固区土体性质得到全面改良，加固区土体物理力学性质基本上相同，加固区土体（平面位置和深度范围）已经满足一定的要求。（1）均质地基 均质的饱和粘性土地基采用排水固结法加固后形成的地基，由于在加固范围内粘性土性质变的比较均匀，可认为均质地基。 均质人工地基承载力和变形基本上与天然均质地基的计算方法相同。 天然地基经地基处理形成的均质加固区的厚度与荷载作用面积或者与其相应的持力层和压缩层厚度相比较小时，在荷载作用影响区
2、内，地基由两层性质相差较大的土体组成。（2）双层地基 采用换填法和表层压实法处理形成的人工地基，可属于双层地基。 双层人工地基承载力和变形计算方法基本上与天然双层地基的计算方法相同。（3）复合地基 天然地基在地基处理过程中，部分土体的强度得到提高或者被置换，或天然地基中设置加筋材料，加固区由基体和增强体两部分组成的人工地基，荷载由两部分共同承担。 复合体根据增强体设置的不同方向，可分为：水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。水平向增强体复合地基竖向增强体复合地基（1）水平向增强体复合地基：主要指加筋土地基，是一种新型的复合地基。加筋材料主要有土工织物、土工膜、土工格栅和土工格室等土工合成材
3、料。（2）竖向增强体复合地基：工程上习惯把竖向增强体成为桩，常称为桩体复合地基。工程上应用较多，有碎石桩、砂桩、水泥土桩、石灰桩等。 桩体复合地基中，桩体由散体材料组成还是粘结材料组成，以及粘结材料的刚度大小，都会影响复合地基荷载传递的性状。 桩体复合地基可分为散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基、刚性桩复合地基。 （1）散体材料桩复合地基包括碎石桩复合地基和砂桩复合地基，桩只有靠周围土体围箍作用才能成桩。 （2）根据桩体刚度不同，将粘结材料分为柔性桩和刚性桩。柔性桩复合地基如水泥土桩复合地基、灰土桩和石灰桩复合地基等。 （3）刚性桩复合地基如钢筋混凝土复合地基、CFG桩复合地基和低强度混凝土复
4、合地基。2 2.1.2.1.2 复合地基的复合地基的分类分类 1.1.根据复合地基的工作机理分：根据复合地基的工作机理分： 散体材料桩 竖向增强体复合地基 柔性桩 粘结材料桩 复合地基 刚性桩 水平向增强体复合地基 2.2.竖向增强体复合地基两个基本的特点竖向增强体复合地基两个基本的特点： （1）加固区由基体和增强体两部分组成，桩体复合地基是非均质的、各向异性的； （2）在外荷载作用下，桩体复合地基中基体和增强体共同承担荷载的作用。 2 2.2 .2 复合地基的常用形式复合地基的常用形式 1.增强体设置方向增强体设置方向 （1）竖向； （2）水平向； （3）斜向树根桩复合地基。 2.增强体材料
5、增强体材料 （1）土工合成材料，如土工格栅、土工织物等； （2）砂石桩； （3）水泥土桩、土桩、灰土桩、渣土桩、石灰桩等； （4）CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）和低强度混凝土桩等； （5）两种以上竖向增强体（多元复合地基）； （6）水平向和竖向增强体（桩网复合地基）。 3.3.基础刚度和垫层设置基础刚度和垫层设置 （1）刚性基础，设垫层； （2）刚性基础，不设垫层； （3）柔性基础，设垫层； （4）柔性基础，不设垫层。 4.4.增强体长度增强体长度 （1）等长度； （2）不等长度（长短桩复合地基） 2 2.3 .3 复合地基的常用概念复合地基的常用概念 2 2.3.1.3.1 复合地基面积置换率
6、复合地基面积置换率 Ap为桩体的横截面积（m2）； Ae为桩体所承担的加固面积（m2） 平均面积置换率：对于只在基础下布设桩体的复合地基，桩体的横截面面积之和与基础总面积相等的复合土体面积之比。peAmA桩体在平面上常见的布置形式：等边三角形布置、正方形布桩体在平面上常见的布置形式：等边三角形布置、正方形布置和矩形布置。置和矩形布置。 若桩体为圆柱形，直径为d，复合地基面积置换率分别为： 等边三角形布置 222 3dml21 24dml l224dml矩形布置 正方形布置 l等边三角形布桩和正方形布桩时的桩间距； l1、l2矩形布桩时的行间距和列间距。 2 2.3.2.3.2复合地基桩土应力比
7、复合地基桩土应力比 在荷载作用下，复合地基中桩体承担的竖向应力与桩间土承担的竖向应力之比称为桩土应力比 为桩顶竖向应力； 为桩间土表面竖向应力。 平均桩土应力比平均桩土应力比：基础下桩的平均桩顶应力与桩间应力之比。是反映桩土荷载分担的一个参数 。 在其他条件相同时，桩体材料的刚度越大，桩土应力比就越大；桩越长，桩土应力比就越大；面积置换率越小，桩土应力比就越大。 psnps2 2.3.3.3.3复合地基桩土荷载分担比复合地基桩土荷载分担比 复合地基桩土荷载分担比即桩与土分担荷载的比例 Pp桩承担的荷载；Ps桩间土承担的荷载；P总荷载。 当平均面积置换率m已知后，桩土荷载分担比和桩土应力比可以相
8、互表示。 已知 ，桩土应力 已知 n,土荷载分担比 ppppssppsp1sppsmnm1(1)ppPmnPm n11(1)ssPmPm n2 2.3.4.3.4复合地基的复合模量复合地基的复合模量 复合模量是表示复合土体抵抗变形的能力，在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。 桩体压缩模量； 桩间土压缩模量； 复合地基的复合模量。 上式在某些理想条件下导出的，（1）复合地基的上的基础为绝对刚性；（2）桩端落在坚硬的土层上，即桩没有向下的刺入变形。 上式缺陷在于不能反映桩长的作用和桩的端阻效应。 Es pEpEE(1)Es ppsmmEsspkakff复合地基承载力提高系
9、数复合地基承载力提高系数，也是模量提高系数，复合土层的复合模量为 Esp=Es 在实际工程中，直接测量桩的模量比较困难。一般通过假定桩土模量比等于桩土应力比，采用复合地基承载力的提高系数来计算复合模量。2 2.4 .4 竖向增强体复合地基承载力计算竖向增强体复合地基承载力计算 桩体复合地基承载力是由桩体的承载力和地基承载力两部分组成，合理估计两者对复合地基承载力的贡献是计算的关键。 复合地基的破坏分两种情况：（1）桩体先破坏，要估计桩间土的承载力发挥度；（2）桩间土先破坏，要估计桩体的承载力发挥度。两者不可能同时达到极限状态。 桩体复合地基中，散体材料桩、柔性桩和刚性桩的荷载传递机理各不相同。
10、基础刚度的大小、是否设置垫层、垫层厚度等对复合地基的受力性状有较大影响，在计算中需要考虑这些因素。 桩体复合地基承载力计算两种思路： （1）分别确定桩体的承载力和桩间土的承载力，根据一定的原则叠加两部分得到复合地基的承载力； （2）将桩体和桩间土组成的复合地基作为整体来考虑，确定复合地基的极限承载力极限承载力pcfpcf 。1122(1)cfpfsfpKmpKm p桩体极限承载力；桩间土极限承载力；复合地基中桩体实际极限承载力与单桩不同的修正系数；桩间土实际极限承载力与天然地基不同的修正系数；桩体及桩间土发挥其极限强度的比例；pfPsfP1K2K12、12KK、由于复合地基种类多，很难估计该值
11、； 如果能有效地确定复合地基中桩体和桩间土的实际极限承载力，而且复合地基破坏模式是桩体先破坏引起复合地基全面破坏，上式可改写为 (1)cfpfsfpm pmp复合地基的容许承载力：PPcfccK当桩体破坏时，桩间土极限强度发挥度K为安全系数(1)asp kskpRfmmfA(1)spkpkskfmfm f若采用特征值表示，复合地基承载力特征值 可用下面两式表示：spkf为单桩竖向承载力特征值；aRpA为桩的截面积；为桩间土承载力折减系数；式（1）适用于散体材料桩和桩身强度较低的柔性桩复合地基；（2）适合桩身强度较高的柔性桩和刚性桩复合地基； 建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）采用复合
12、地基承载力采用承载力特征值来表示。采用第二种思路计算复合地基极限承载力，将桩体和桩间土组成的复合土体作为整体，常用稳定分析法计算，其中一般可采用圆弧分析法计算。 通过取不同的圆弧滑动面可以得到不同的安全系数值。经过试算，可以找到最危险的圆弧滑动面，并确定最小的安全系数值，通过圆弧分析法即可根据要求的安全系数计算地基承载力，也可按确定的荷载计算地基在该荷载作用下的稳定系数。sSFTsSFTSTsF为稳定系数为总剪力为总抗剪力 在圆弧分析计算中，滑动面要经过加固区和未加固区，两区的土体应该采用不同的土体强度指标，未加固区采用采用天然土体强度指标，加固区土体强度指标采用复合土体强度指标，也可按桩体和
13、桩间土的强度指标进行计算。复合地基加固区复合土体的抗剪强度 可用下式表示：22(1)(1)()costan()costancspsscsspcppmmmcPzmPzsc为应力减小系数p为应力集中系数1(1)pnm n11(1)sm n2 2.6.6复合地基沉降计算复合地基沉降计算 s1s2sss12在各类复合地基沉降实用计算方法中，通常把沉降量分为二部分，即加固区土体压缩量和加固区下卧层土体压缩量之和，而复合地基总沉降表达式：如果复合地基设置垫层，通常认为垫层压缩量很小，忽略。加固区压缩量可采用复合模量法、应力修正法和桩身压缩量法计算。下卧层压缩量通常采用分层总和法。 1.1.复合模量法（复合
14、模量法（EcEc法）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，采用复合压缩模量来评价复合土体的压缩性。将加固区土层分为n层，每层复合土体的复合压缩模量为 ，则 采用分层总和法计算 ，表达式为 式中 第i层复合土上附加应力增量； 第i层复合土层的厚度。 在竖向增强体复合地基中，复合土层的压缩模量Ecs通常采用面积加权平均法计算，即 Ecs=mEp+(1-m)Es csiE11niiic s ipsHE2 2.6.1 .6.1 加固区压缩量加固区压缩量 的计算方法的计算方法1S1SipiH 2.2.应力修正法（应力修正法（EsEs法）法） 复合地基加固区土层压缩量s1采用分层总和法
15、计算 pi未加固地基（天然地基）在荷载p作用下第i层土上的附加应力增量； psi复合地基中第i层土中的附加应力增量，相当于未加固地基在荷载p作用下第i层土上的附加应力增量； s1s未加固地基在荷载p作用下与加固区相应厚度土层范围内的压缩量；s应力减小系数或称应力修正系数， 。 1111nnsiiisissiisisippsHHsEE11(1)sm n 3.3.桩身压缩量法（桩身压缩量法（EpEp法）法） 若桩侧摩阻力为平均分布，桩底端承载力密度为pb0，则桩身的压缩量为 l桩身强度，等于加固区厚度； Ep桩身材料压缩模量。 应力集中系数， 桩底端端承力密度 若桩侧摩阻力不是平均分布的，则需要先
16、计算桩身应力沿深度的变化情况，再进行积分，即可得到桩身压缩量。 复合模量法相对使用比较方便，适用于散体材料桩复合地基和柔性桩复合地基。0(+)2pbppppslE11nmnppbop2 2.6.2 .6.2 加固区下卧层压缩量加固区下卧层压缩量s s2 2的计算方法的计算方法 下卧土层压缩量s2的计算常采用分层总和法 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，常采用下述三种方法计算。122121111()11nnniiiiiiiiiiiiiisieeapppsHHHeeE加 固 区Bpb下 卧 层hz1.1.应力扩散法：应力扩散法：设复合地
17、基上作用荷载为p，则作用在下卧层上的荷载pb为 B D复合地基上荷载作用宽度和长度；h 复合地基加固区厚度和压力扩散角。 对平面应变情况，上式简化为(2 tan )(2 tan )bBDppBhDh2tanbB ppBh 应力扩散法应力扩散法 2.2.等效实体法等效实体法 设复合地基上荷载为p，作用在下卧层上的荷载pb为 f等效实体侧摩阻力密度 对平面应变情况，上式可简化为 等效实体法的计算困难在于侧摩阻力的合理选用。适用性有待加强。Bfpbhz下卧层( 22)bB D pBDh fpB D2bhppfB等效实体法等效实体法 3.3.改进改进GeddesGeddes法法 黄绍铭等建议采用下述方
18、法计算复合地基土层中的应力。设复合地基总荷载为P，桩体承担Pp，桩间土承担的荷载Ps=P-Pp。桩间土承担的荷载Ps在地基中产生的竖向应力z,ps的计算方法与天然地基中应力的计算方法相同，可应用布辛奈斯克解。 桩体承担的荷载Pp在地基中所产生的竖向应力采用Geddes法计算。然后叠加两部分应力得到地基中总的竖向应力，再采用分层总和法计算复合地基加固区下卧层压缩量s2。 S.D.Geddes认为长度为L的单桩在荷载Q 作用下对地基土产生的作用力，可近似地视作如图所示的桩端集中力Qp，桩侧均匀分布的摩阻力Qr和桩侧随深度线性增长的分布摩阻力Qt等三种形式荷载的组合。 地基中的竖向应力z,Q可按下式
19、计算： z,Q=z,Qp+z,Qr+z,Qt=QpKp/L2+ QrKr/L2+ QtKt/L2 式中：Kp、Kr、Kt竖向应力系数。 由桩体荷载Pp（即Q）和桩间土荷载Ps共同产生的地基中的竖向应力表达式为 根据上式计算出地基土中的附加应力，再采用分层总和法即可计算出复合地基的沉降量。LQpQrQt=+Q,1()prtsnsz Q iz Q iz Qiz Pi 复合地基在荷载作用下的沉降计算也可以采用数值计算方法，如有限单元法。有限单元法在几何模型的处理上大体上可以分为两类：一类在单元划分上把单元分为两种，增强体单元和土体单元。增强体单元如桩体单元、土工织物单元等，并根据需要在增强体单元和土体单元之间设置界面单元。另一类是在单元划分上把单元化分为加固区复合土体单元和非加固区土体单元。复合土体单元采用复合材料参数，非加固区土体单元采用土体参数。
