第三章复合地基重点课件

第三章第三章 复合地基理论复合地基理论复复合合地地基基是是指指由由两两种种刚刚度度（或或模模量量）不不同同的的材材料料（桩桩体体和和桩桩间间土土）组组成成，共共同同承承受受上上部部荷荷载载并并协协调调变变形形的的人人工工地基。地基。根据桩体材料的不同，复合地基的分类如下。根据桩体材料的不同，复合地基的分类如下。第三章复合地基理论1第三章复合地基重点课件23.1 复合地基作用机理与破坏模式复合地基作用机理与破坏模式一、作用机理一、作用机理 1、桩体作用、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。刚度高于原地基，沉降量有所减少。2、加速固结作用、加速固结作用 碎石桩、砂桩具有良好的透水特性碎石桩、砂桩具有良好的透水特性,可加速地基的固结。另外可加速地基的固结。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。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、挤密作用 砂桩、土桩、石灰桩、碎石桩等在施工过程中由于振动、挤砂桩、土桩、石灰桩、碎石桩等在施工过程中由于振动、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。同样起到挤密作用。3.1复合地基作用机理与破坏模式34、加筋作用、加筋作用各各种种复复合合地地基基除除了了可可提提高高地地基基的的承承载载力力和和整整体体刚刚度度外外，还还可用来提高土体的抗剪强度，增加土坡的抗滑能力。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。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。破坏、继而引起复合地基全面破坏。复复合合地地基基破破坏坏的的模模式式可可分分成成以以下下4 4种种形形式式：刺刺入入破破坏坏、鼓鼓胀胀破坏、整体剪切破坏和滑动破坏，参见图破坏、整体剪切破坏和滑动破坏，参见图3.1-13.1-1。（1）刺刺入入破破坏坏模模式式见见图图3.1-1（a）。桩桩体体刚刚度度较较大大，地地基基土土强强度度较较低低的的情情况况下下较较易易发发生生桩桩体体刺刺入入破破坏坏。桩桩体体发发生生刺刺入入破破坏坏后后，不不能能承承担担荷荷载载，进进而而引引起起桩桩间间土土发发生生破破坏坏，导导致致复复合合地基全面破坏。刚性桩复合地基较易发生这类破坏。地基全面破坏。刚性桩复合地基较易发生这类破坏。4、加筋作用4第三章复合地基重点课件5 （2）鼓胀破坏模式见图）鼓胀破坏模式见图3.1-1(b)。在荷载作用下，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。可能产生这类型式的破坏。（3）整体剪切破坏模式见图）整体剪切破坏模式见图3.1-1（c）。）。在荷载在荷载作用下，复合地基产生图中所示的塑性区，在滑动面作用下，复合地基产生图中所示的塑性区，在滑动面上桩体和土体均发生剪切破坏。散体材料桩复合地基上桩体和土体均发生剪切破坏。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。在一定条件下也可能发生这类破坏。（4）滑动破坏模式见图）滑动破坏模式见图3.1-1（d）。）。在荷载作用在荷载作用下，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。可能发生这类型式的破坏。（2）鼓胀破坏模式见图3.1-1(b)。在荷载作用下6在荷载作用下，复合地基发生何种模式破坏，影响因素很在荷载作用下，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）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，而鼓胀破坏，而CFG桩易发生刺入破坏。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）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（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；当易发生鼓胀破坏；当 w=15%时，易发生整体剪切破坏；当时，易发生整体剪切破坏；当 w=25%时，易发生刺入破坏。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）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)。在荷载作用下，复合地基发生何种模式破坏，影响因素很7 83.2 复合地基的应力特性复合地基的应力特性一、复合地基的有关设计参数一、复合地基的有关设计参数研研究究复复合合地地基基时时，是是在在众众多多根根桩桩所所加加固固的的地地基基中中，选选取取一一根根桩桩及及其其影影响响的的桩桩周周土土所所组组成成的的单单元元体体作作为为研研究究对对象象。若若桩桩体体的的横横截截面面积积为为Ap，该该桩桩体体所所承承担担的的复复合合地地基基面面积积为为A，则复合地基置换率为：则复合地基置换率为：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。三种布置形式见图状。三种布置形式见图3.2-1。对对正正方方形形布布置置和和等等边边三三角角形形布布置置，若若桩桩体体直直径径为为d，桩桩间间距为距为l，则复合地基置换率分别为：则复合地基置换率分别为：3.2复合地基的应力特性9第三章复合地基重点课件10n对正方形布置和靠边三角形布置，若桩体直径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，桩间距为l，n则复合地基置换率分别为：则复合地基置换率分别为：n n 正方形布置正方形布置n n 等边三角形布置等边三角形布置n对网格状布置，若增强体间距分别为对网格状布置，若增强体间距分别为a和和b，增强，增强体宽为体宽为d，n则置换率为：则置换率为：n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，11二、桩土应力比二、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、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、固结时间和垫层情况等。桩长、固结时间和垫层情况等。（一）影响因素（一）影响因素1、荷载水平、荷载水平桩土应力比桩土应力比n与荷载大小存在着一定的关系，见图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，在随之增大，地基中的应力逐渐向桩体集中，因此，在p-n曲线曲线上表现为桩土应力比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。土共同进入塑性状态，趋于某一值。二、桩土应力比122、桩土模量比图图3.2-2 淤泥淤泥石灰桩的应力比荷载曲线石灰桩的应力比荷载曲线 图图3.2-3 桩土应力比桩土应力比n与模量比与模量比 Ep/Es的关系曲线的关系曲线2、桩土模量比13桩桩土土模模量量比比Ep/Es对对应应力力比比n的的大大小小有有重重要要影影响响。随随着着桩桩土土模模量量比比的的增增大大，桩土应力比近于呈线性增长，见图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、复合地基面积置换率 图图3.2-4为国内学者通过为国内学者通过有限单元法分析得到的复合有限单元法分析得到的复合地基置换率地基置换率m与应力比与应力比n的关的关系。由图可以看出，系。由图可以看出，m增大，增大，n减少。国外学者的研究成果减少。国外学者的研究成果也有类似的结论。也有类似的结论。桩土模量比Ep/Es对应力比n的大小有重要影响144 4、原地基土强度、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，则其桩土应力比就土应力比就大；而原地基土强度高，则其桩土应力比就小。小。5 5、桩长、桩长 由图由图3.2-53.2-5可见，桩土应力比随桩长可见，桩土应力比随桩长L L增大而增大，增大而增大，但当桩长达到某一值后，但当桩长达到某一值后，n n值几乎不再增长。即存在一个值几乎不再增长。即存在一个临界桩长临界桩长L Le e ，当当L L L Le e 后，再增大桩长也无助于提高本后，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、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。土质、荷载大小与基础宽度等一系列因素有关。4、原地基土强度15第三章复合地基重点课件166、时间、时间在在荷荷载载作作用用下下，桩桩间间土土会会产产生生固固结结和和蠕蠕变变，桩桩间间土土的的固固结结和和蠕蠕变变会会使使荷荷载载向向桩桩体体集集中中，导导致致应应力力比比n随随时时间间的的延延续续逐逐渐渐增大，见图增大，见图3.2-6（韩杰、叶书麟，（韩杰、叶书麟，1993）。）。（二）应力比计算公式（二）应力比计算公式由由于于影影响响复复合合地地基基应应力力比比的的因因素素很很多多,目目前前还还没没有有一一个个完完善善的的计计算算模模式式。但但国国内内外外对对复复合合地地基基应应力力比比n的的计计算算公公式式有有很很多多,主要包括以下几种：主要包括以下几种：1、模量比公式、模量比公式假假定定在在刚刚性性基基础础下下，桩桩体体和和桩桩间间土土的的竖竖向向应应变变相相等等,即即 p=s。于于是是,桩桩体体上上竖竖向向应应力力 p=Ep p，桩桩间间土土上上竖竖向向应应力力 s=Es s，桩土应力比桩土应力比n的表达式为：的表达式为：n=p/s=Ep/Es(3.2-1)式中：式中：Ep、Es分别为桩和桩间土的压缩模量。分别为桩和桩间土的压缩模量。图图3.2-4复合地基置换率复合地基置换率m与应力比与应力比n的关系的关系图图3.2-5桩的长径比桩的长径比L/d与桩土与桩土应力比应力比n的关系曲线的关系曲线17第三章复合地基重点课件18第三章复合地基重点课件19第三章复合地基重点课件203.3 复合地基承载力复合地基承载力 一、散体材料桩桩体承载力计算一、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。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：胀破坏模式推导出来的，主要有以下几种：1 1、侧向极限应力法、侧向极限应力法 散散体体材材料料桩桩在在荷荷载载作作用用下下，桩桩体体发发生生鼓鼓胀胀，桩桩周周土土进进入入塑塑性性状状态态，由由侧侧向向极极限限应应力力即即可可算算出出单单桩桩极极限限承承载载力力。侧侧向向极限应力法的一般表达式如下：极限应力法的一般表达式如下：3.3复合地基承载力21第三章复合地基重点课件22第三章复合地基重点课件23第三章复合地基重点课件24第三章复合地基重点课件25第三章复合地基重点课件26第三章复合地基重点课件27第三章复合地基重点课件28第三章复合地基重点课件29第三章复合地基重点课件30四、复合地基承载力四、复合地基承载力*n1、复合求和法、复合求和法*n复合求和法的计算公式根据状的类型不同有差异：复合求和法的计算公式根据状的类型不同有差异：n（1）散体材料桩复合地基）散体材料桩复合地基三种计算公式：三种计算公式：nA.nB。nC。n式中式中fsp,k、fp,k、fs,k分别为复合地基、桩体和桩间土承载力特分别为复合地基、桩体和桩间土承载力特征值；征值；m为桩土面积置换率，为桩土面积置换率，n为桩土应力比。为桩土应力比。四、复合地基承载力*1、复合求和法*31n（2）柔性桩复合地基承载力）柔性桩复合地基承载力n式中：式中：桩间土承土承载力折减系数，力折减系数，对摩擦型摩擦型桩取取=0.51.0,对摩擦支承型摩擦支承型桩取取=0.10.4。n（3）对刚性桩复合地基）对刚性桩复合地基：两种计算公式两种计算公式（2）柔性桩复合地基承载力32第三章复合地基重点课件33第三章复合地基重点课件34第三章复合地基重点课件35第三章复合地基重点课件36本章要点:n1、熟练掌握熟练掌握复合地基概念；复合地基概念；n2、掌握掌握复合地基设计参数：复合地基设计参数：n（1）复合地基置换率为：）复合地基置换率为：m=Ap/An（2）桩土应力比）桩土应力比n及影响因素及影响因素n3、熟练掌握复合地基承载力的主要确定方法熟练掌握复合地基承载力的主要确定方法n(1)复合地基载荷试验复合地基载荷试验;n(2)复合求和法；（掌握公式用法：后面还要介绍）复合求和法；（掌握公式用法：后面还要介绍）n（3）稳定分析法。）稳定分析法。n4、了解复合地基分类；、了解复合地基分类；n5、了解复合地基中不同桩体桩的承载力确定：、了解复合地基中不同桩体桩的承载力确定：n试验法、计算法试验法、计算法本章要点:1、熟练掌握复合地基概念；37