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1、第三章 复合地基理论 复合地基是指由两种刚度（或模量）不同的材料（桩体和桩间土）组成，共同承受上部荷载并协调变形的人工地基。根据桩体材料的不同，复合地基的分类如下。,3.1 复合地基作用机理与破坏模式一、作用机理 1、桩体作用 复合地基是桩体与桩间土共同工作，由于桩体的刚度比周围土体大，在刚性基础下等量变形时，地基中应力将重新分配，桩体产生应力集中而桩间土应力降低，这样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、加速固结作用 碎石桩、砂桩具有良好的透水特性,可加速地基的固结。另外,水泥土类和混凝土类桩在某种程度上也可加速地基固结。 3、挤密作用 砂桩、土桩、石灰桩、碎石桩等在施工
2、过程中由于振动、挤压、排土等原因，可对桩间土起到一定的密实作用。另外，采用生石灰桩，由于生石灰具有吸水、发热和膨胀等作用，对桩间土同样起到挤密作用。,4、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，还可用来提高土体的抗剪强度，增加土坡的抗滑能力。二、破坏模式 复合地基的破坏形式可分为三种情况：第一种是桩间首先破坏进而发生复合地基全面破坏；第二种是桩体首先破坏进而复合地全面破坏；第三种是桩体和桩间土同时发生破坏。在实际工程中，第一、第三种情况较少见，一般都是桩体先破坏、继而引起复合地基全面破坏。 复合地基破坏的模式可分成以下4种形式：刺入破坏、鼓胀破坏、整体剪切破坏和滑动破坏，参见
3、图3.1-1。 （1）刺入破坏模式见图3.1-1（a）。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这类破坏。,（2）鼓胀破坏模式见图3.1-1 (b)。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，从而产生桩体的鼓胀破坏。桩体发生鼓胀破坏引起复合地基全面破坏。散体材料桩复合地基较易发生这类破坏。在一定的条件下，柔性桩复合地基也可能产生这类型式的破坏。 （3）整体剪切破坏模式见图3.1-1（c）。在荷载作用下，复合地基产生图中所示的塑性区，在滑动面上桩体和土
4、体均发生剪切破坏。散体材料桩复合地基较易发生这类型式的整体剪切破坏，柔性桩复合地在在一定条件下也可能发生这类破坏。 （4）滑动破坏模式见图3.1-1（d）。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。,在荷载作用下，复合地基发生何种模式破坏，影响因素很多，主要有： （1）对不同的桩型，有不同的破坏模式。如碎石桩易发生鼓胀破坏，而CFG桩易发生刺入破坏。 （2）对同一桩型，当桩身强度不同时，也会有不同的破坏模式。对水泥搅拌桩，当水泥掺入量较小时（w=5%），易发生鼓胀破坏；当w=15%时，易发生整体剪切破坏；当w=
5、25%时，易发生刺入破坏。 （3）对同一桩型，当土层条件不同时，也将发生不同的破坏模式。当浅层存在非常软的粘土时，碎石桩将在浅层发生剪切或鼓胀破坏，见图3.1-2(a)；当较深层存在有局部非常软的粘土时，碎石桩将在较深层发生局部鼓胀，见图3.1-2(b)；对较深层存在有较厚非常软的粘土情况，碎石桩将在较深层发生鼓胀破坏，而其上的碎石桩将发生刺入破坏，见图3.1-2(c)。,3.2 复合地基的应力特性一、复合地基的有关设计参数 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为研究对象。若桩体的横截面积为Ap，该桩体所承担的复合地基面积为A，则复合地基置换率
6、为：m=Ap/A 桩体在平面的布置形式通常有两种，即等边三角形和正方形布置。但也有的布置成网格状，将增强体制成连续墙形状。三种布置形式见图3.2-1。 对正方形布置和等边三角形布置，若桩体直径为d，桩间距为l，则复合地基置换率分别为：,对正方形布置和靠边三角形布置，若桩体直径为d，桩间距为l，则复合地基置换率分别为： 正方形布置 等边三角形布置对网格状布置，若增强体间距分别为a和b，增强体宽为d，则置换率为：,二、桩土应力比 桩土应力比是复合地基的一个重要设计参数，它关系到复合地基承载力和变形的计算。影响桩土应力比的因素很多，如荷载水平、桩土模量比、复合地基面积置换率、原地基土强度、桩长、固结
7、时间和垫层情况等。（一）影响因素1、荷载水平 桩土应力比n与荷载大小存在着一定的关系，见图3.2-2。在荷载作用初期，荷载通过地基与基础间的垫层比较均匀地传递给桩和桩间土，然后随着荷载的逐渐增大，复合地基的变形随之增大，地基中的应力逐渐向桩体集中，因此，在p-n曲线上表现为桩土应力比n随着荷载的增大而增大。但随着荷载的逐渐增大，往往桩体首先进入塑性状态，桩体变形加大，桩上应力就会逐渐向桩间土转移，桩土应力比减少，直到桩和桩间土共同进入塑性状态，趋于某一值。,2、桩土模量比 图3.2-2 淤泥石灰桩的应力比荷载曲线 图3.2-3 桩土应力比n与模量比 Ep/Es的关系曲线,桩土模量比Ep/Es对
8、应力比n的大小有重要影响。随着桩土模量比的增大，桩土应力比近于呈线性增长，见图3.2-3。 3、复合地基面积置换率 图3.2-4为国内学者通过有限单元法分析得到的复合地基置换率m与应力比n的关系。由图可以看出，m增大，n减少。国外学者的研究成果也有类似的结论。,4、原地基土强度 由于原地基土的强度大小直接影响桩体的强度和刚度，因此即使是同一类桩，对不同的地基土，也将会有不同的桩土应力比。一般原地基土强度低，复合地基桩土应力比就大；而原地基土强度高，则其桩土应力比就小。 5、桩长 由图3.2-5可见，桩土应力比随桩长L增大而增大，但当桩长达到某一值后，n值几乎不再增长。即存在一个临界桩长Le ，
9、当L Le 后，再增大桩长也无助于提高本身的承载力。临界桩长的大小，与复合地基类型、桩径、土质、荷载大小与基础宽度等一系列因素有关。,6、时间 在荷载作用下，桩间土会产生固结和蠕变，桩间土的固结和蠕变会使荷载向桩体集中，导致应力比n随时间的延续逐渐增大，见图3.2-6（韩杰、叶书麟，1993）。（二）应力比计算公式 由于影响复合地基应力比的因素很多,目前还没有一个完善的计算模式。但国内外对复合地基应力比n的计算公式有很多,主要包括以下几种： 1、模量比公式 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，桩间土上竖向应力s=Ess，桩土应力比n的表达式为
10、：n=p /s = Ep / Es (3.2-1)式中：Ep 、Es分别为桩和桩间土的压缩模量。图3.2-4 复合地基置换率m与应力比n的关系 图3.2-5 桩的长径比L/d与桩土 应力比n的关系曲线,3.3 复合地基承载力 一、散体材料桩桩体承载力计算 散体材料桩在承受荷载时，将对桩周土产生水平方向的侧挤力，一旦侧挤力超过桩周土的侧限阻力，桩体将发生破坏。因此，桩周土可能发挥的侧限能力决定了散体材料桩的极限承载力。目前确定桩体承载力的方法除了荷载试验和经验的计算图表外，还有很多计算公式。这些公式基本上是根据鼓胀破坏模式推导出来的，主要有以下几种： 1、侧向极限应力法 散体材料桩在荷载作用下，
11、桩体发生鼓胀，桩周土进入塑性状态，由侧向极限应力即可算出单桩极限承载力。侧向极限应力法的一般表达式如下：,四、复合地基承载力*,1、复合求和法*复合求和法的计算公式根据状的类型不同有差异：（1）散体材料桩复合地基三种计算公式：A.B。C。式中fsp,k、fp,k、fs,k分别为复合地基、桩体和桩间土承载力特征值；m为桩土面积置换率，n为桩土应力比。,（2）柔性桩复合地基承载力式中：桩间土承载力折减系数，对摩擦型桩取 =0.51.0,对摩擦支承型桩取 =0.10.4。（3）对刚性桩复合地基：两种计算公式,本章要点:,1、熟练掌握复合地基概念；2、掌握复合地基设计参数：（1）复合地基置换率为：m=Ap/A（2）桩土应力比n及影响因素3、熟练掌握复合地基承载力的主要确定方法(1)复合地基载荷试验;(2)复合求和法；（掌握公式用法：后面还要介绍）（3）稳定分析法。4、了解复合地基分类；5、了解复合地基中不同桩体桩的承载力确定：试验法、计算法,
