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1、第第6 6章章 复合地基基本理论复合地基基本理论Chapter 6 Design Principle of Composite Foundation 6.1 6.1 复合地基的定义与分类复合地基的定义与分类6.1 Definition and Classification of Composite Foundation 经过地基处理形成的人工地基通常经过地基处理形成的人工地基通常有三种型式：有三种型式：均质地基均质地基 复合地基复合地基 桩基桩基 复合地基定义（composite ground，composite foundation,composite subgrade）是指天然地基在地基处
2、理过程中部分土体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，或在天然地基中设得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，置加筋材料，加固区加固区是由是由基体基体（天然地基（天然地基土体或被改良的天然地基土体）和土体或被改良的天然地基土体）和增强体增强体两部分组成的人工地基。复合地基较天然两部分组成的人工地基。复合地基较天然地基的承载力提高，沉降减小。地基的承载力提高，沉降减小。复合地基分类复合地基分类 复合地基根据地基中增强体的方向复合地基根据地基中增强体的方向可分为可分为竖向增强体复合地基竖向增强体复合地基和和水平向增水平向增强体复合地基强体复合地基两类。竖向增强体复合地两类
3、。竖向增强体复合地基又称为基又称为桩体复合地基桩体复合地基。复合地基根据增强体性质又可分为复合地基根据增强体性质又可分为散体材料桩散体材料桩复合地基、复合地基、柔性桩柔性桩复合地基复合地基和和刚性桩刚性桩复合地基。复合地基。复合地基的基本特点复合地基的基本特点 （1）加固区是由）加固区是由基体基体和和增强体增强体两部两部分组成，是非均质的和各向异性的。分组成，是非均质的和各向异性的。（2）在荷载作用下，基体和增强体）在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。共同承担荷载的作用。前一特征使它区别于前一特征使它区别于均质地基均质地基，后，后一特征使它区别于一特征使它区别于桩基础桩基础。形成复合
4、地基。形成复合地基的条件是基体与增强体在荷载作用下，通的条件是基体与增强体在荷载作用下，通过两者变形协调，共同分担荷载。过两者变形协调，共同分担荷载。6.2 复合地基的常用型式复合地基的常用型式6.2 Types of Composite Foundation复合地基常用型式分类如下：复合地基常用型式分类如下：1增强体设置方向增强体设置方向 （1）竖向；）竖向；（2）水平向；）水平向；（3）斜向。）斜向。2增强体材料增强体材料 （1）土工合成材料；）土工合成材料；如土工格栅、土工织物等；如土工格栅、土工织物等；（2）砂石桩；）砂石桩；（3）石灰桩、水泥土桩等；）石灰桩、水泥土桩等；（4）CFG
5、桩和低强度混凝土桩等；桩和低强度混凝土桩等；（5）两种以上竖向增强体）两种以上竖向增强体 （多元复合地基）；（多元复合地基）；（6）水平向和竖向增强体）水平向和竖向增强体 （桩网复合地基）。（桩网复合地基）。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；）刚性基础，设垫层；（2）刚性基础不设垫层；）刚性基础不设垫层；（3）柔性基础，设垫层；）柔性基础，设垫层；（4）柔性基础不设垫层。）柔性基础不设垫层。4增强体长度增强体长度 （1）等长度；）等长度；（2）不等长度（长短桩复合地基）。）不等长度（长短桩复合地基）。由于增强体设置方向不同、增强体的材由于增强体设置方向不同、增强体
6、的材料组成差异、基础刚度以及垫层情况不料组成差异、基础刚度以及垫层情况不同、增强体长度不一定相同，同、增强体长度不一定相同，复合地基复合地基的形式非常复杂的形式非常复杂，要建立可适用于各种，要建立可适用于各种类型复合地基承载力和沉降计算的统一类型复合地基承载力和沉降计算的统一公式是困难的，或者说是不可能的。公式是困难的，或者说是不可能的。在进行复合地基设计时一定要因地制宜，在进行复合地基设计时一定要因地制宜，不能盲目套用一般理论，应该以一般理不能盲目套用一般理论，应该以一般理论作指导，结合具体工程进行精心设计。论作指导，结合具体工程进行精心设计。6.3 复合地基的常用概念复合地基的常用概念6.
7、3 Basic Concepts of Composite Foundation1.复合地基面积置换率复合地基面积置换率(Replacement Ratio of Area)竖向增强体复合地基中，竖向增强竖向增强体复合地基中，竖向增强体习惯上称为体习惯上称为桩体桩体，基体基体称为桩间土体。称为桩间土体。若桩体的横截面积为若桩体的横截面积为Ap，该桩体所承担，该桩体所承担的加固面积为的加固面积为Ae，则复合地基面积置换，则复合地基面积置换率的定义为率的定义为 若桩体为圆形，直径为若桩体为圆形，直径为d，则对等边三角形布置、，则对等边三角形布置、正方形布置和矩形布置的情形，复合地基面积置正方形布置
8、和矩形布置的情形，复合地基面积置 换率分别为：换率分别为：(等边三角形布置等边三角形布置)(正方形布置正方形布置)(长方形布置长方形布置)上三式中，上三式中，s为等边三角形布桩和正方形布桩时的为等边三角形布桩和正方形布桩时的桩间距，桩间距，s1和和s2为长方形布桩时的行间距和列间距。为长方形布桩时的行间距和列间距。2.复合地基桩土应力比复合地基桩土应力比(Stress Ratio of Pile to Soil)对某一复合土体单元，在荷载作用对某一复合土体单元，在荷载作用下，下，假设桩顶应力为假设桩顶应力为p，桩间土表面应，桩间土表面应为为s，则桩土应力比为，则桩土应力比为 实际工程中，即使是
9、单一桩型的复实际工程中，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。将基或桩距不同，桩土应力比也不同。将基础下桩的平均础下桩的平均 桩顶应力与桩间土平均应桩顶应力与桩间土平均应力之比定义为力之比定义为平均平均 桩土应力比桩土应力比。基础下的基础下的平均桩土应力比平均桩土应力比是反映桩土荷载是反映桩土荷载分担的一个参数，当其他参数相同时，桩土应分担的一个参数，当其他参数相同时，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（例如碎石大。此外，桩土应力比对某
10、些桩型（例如碎石桩）也是复合地基的设计参数。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、桩一般情况下，桩土应力比与桩体材料、桩长、面积置换率有关。其他条件相同时，桩体长、面积置换率有关。其他条件相同时，桩体材料刚度越大，桩土应力比越大；桩越长，桩材料刚度越大，桩土应力比越大；桩越长，桩土应力比越大；面积置换率越小，桩土应力比土应力比越大；面积置换率越小，桩土应力比越大。越大。3.复合地基桩土荷载分担比复合地基桩土荷载分担比(Load Share Ratio of Pile and Soil)复合地基复合地基桩土荷载分担比桩土荷载分担比即桩与土分即桩与土分担荷载的比例。复合地基
11、中桩土的荷载分担荷载的比例。复合地基中桩土的荷载分担既可用桩土应力比表示，也可用桩土荷担既可用桩土应力比表示，也可用桩土荷载分担比载分担比p、s 表示：表示：式中式中 桩承担的荷载；桩承担的荷载；桩间土承担的荷载；桩间土承担的荷载；总荷载。总荷载。当平均面积置换率已知后，桩土荷载分担比和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。桩土应力比可以相互表示。当测得了桩土荷载分担比后，可求得桩顶平均当测得了桩土荷载分担比后，可求得桩顶平均应力应力 桩间土平均应力为桩间土平均应力为 桩土应力比为桩土应力比为 上式为用桩土荷载分担比来表示桩土应力比的上式为用桩土荷载分担比来表示桩土应
12、力比的表达式。表达式。4.复合模量复合模量(Composite Modulus)复合模量表征复合土体抵抗变形的能复合模量表征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。计算式为形能力的某种叠加来表示。计算式为 式中式中 桩体压缩模量；桩体压缩模量；桩间土压缩模量；桩间土压缩模量；复合模量。复合模量。上式是在某些特定的理想条件下导上式是在某些特定的理想条件下导出的，其条件为：出的，其
13、条件为：（1）复合地基上的基础为绝对刚性；）复合地基上的基础为绝对刚性；（2）桩端落在坚硬的土层上，即桩没有）桩端落在坚硬的土层上，即桩没有向下的刺入变形。向下的刺入变形。上式的上式的缺陷缺陷在于不能反映在于不能反映桩长的作桩长的作用用和和桩端阻效应桩端阻效应。实际工程中实际工程中，桩的模量直接测定比，桩的模量直接测定比较困难。通过假定桩土模量比等于桩土较困难。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应力比，采用复合地基承载力的提高系数计算复合模量。数计算复合模量。承载力提高系数承载力提高系数 由下式计算由下式计算 也是模量提高系数，复合土层的也是模量提高系数，复合土层的复
14、合模量为复合模量为 6.4 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6.4 Bearing Capacity of Vertically Reinforced Composite Foundation 竖向增强体复合地基承载力计算的竖向增强体复合地基承载力计算的两种思路两种思路：（1）分别确定桩体的承载力和桩间）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。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）将桩体和桩间土组成的复合地基作为整体来考虑，确定复合地基的极基作为整体来考虑，确定复合地基的极
15、限承载力。限承载力。Pcf=K1k1mPpf+K2k2(1-m)PsfPpf桩体极限承载力，桩体极限承载力，kPa；Psf天然地基极限承载力，天然地基极限承载力，kPa；K1 反映复合地基中反映复合地基中桩体桩体实际极限承载力的实际极限承载力的修正系数，与地基土质情况、成桩方法等因素修正系数，与地基土质情况、成桩方法等因素有关，一般大于有关，一般大于1.0；K2 反映复合地基中反映复合地基中桩间土桩间土实际极限承载力实际极限承载力的修正系数，与地基土质情况、成桩方法等因的修正系数，与地基土质情况、成桩方法等因素有关，可能大于素有关，可能大于1.0，也可能小于，也可能小于1.0；k1 复合地基破
16、坏时，复合地基破坏时，桩体桩体发挥其极发挥其极限强度的比例，也称为桩体极限强度发限强度的比例，也称为桩体极限强度发挥度；挥度；k2 复合地基破坏时，复合地基破坏时，桩间土桩间土发挥其发挥其极限强度的比例，也称为桩间土极限强极限强度的比例，也称为桩间土极限强度发挥度；度发挥度；m复合地基面积置换率，复合地基面积置换率，mAp/Ae,其中其中Ap为单桩截面积，为单桩截面积，Ae为单根桩加固为单根桩加固面积。面积。采用第二种思路计算复合地基极限采用第二种思路计算复合地基极限承载力是将桩体和桩间土组成的复合土承载力是将桩体和桩间土组成的复合土体作为整体来考虑，常用体作为整体来考虑，常用稳定分析法稳定分
17、析法计计算。算。复合地基加固区土体复合地基加固区土体强度指标强度指标可采可采用复合土体综合强度指标（由面积比计用复合土体综合强度指标（由面积比计算）。算）。6.5 6.5 水平向增强体复合地基承载力计算水平向增强体复合地基承载力计算6.5 Bearing Capacity of Horizontally Reinforced Composite Foundation 水平向增强体复合地基主要包括在地基水平向增强体复合地基主要包括在地基中铺设中铺设各种加筋材料各种加筋材料，如土工织物、土工格，如土工织物、土工格栅等形成的复合地基。其工作性状与加筋体栅等形成的复合地基。其工作性状与加筋体长度、强度
18、、加筋层数以及加筋体与土体间长度、强度、加筋层数以及加筋体与土体间的黏聚力和摩擦系数等有关。水平向增强体的黏聚力和摩擦系数等有关。水平向增强体复合地基的破坏可具有多种形式，影响因素复合地基的破坏可具有多种形式，影响因素也很多。到目前为止，许多问题尚未完全搞也很多。到目前为止，许多问题尚未完全搞清楚，水平向增强体复合地基的计算理论尚清楚，水平向增强体复合地基的计算理论尚不成熟。不成熟。6.6 复合地基沉降计算方法复合地基沉降计算方法6.6 Settlement Calculation of Composite Foundation 复合地基沉降为复合地基沉降为加固区压缩量加固区压缩量与加与加固区
19、固区下卧层土体压缩量下卧层土体压缩量之和。之和。（1）加固区压缩量可采用）加固区压缩量可采用复合模量复合模量法法、应力修正法应力修正法和和桩身压缩量法桩身压缩量法计算。计算。（2）下卧层压缩量通常采用）下卧层压缩量通常采用分层总分层总 和法和法计算。计算。加固区压缩量计算方法加固区压缩量计算方法 （1）复合模量法）复合模量法 将复合地基加固区中增强体和基体两部分将复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一视为一复合土体复合土体，采用复合压缩模量来评价复，采用复合压缩模量来评价复合土体的压缩性。合土体的压缩性。式中式中 第第i层复合土层上附加应力增量；层复合土层上附加应力增量；第第i层复合土层的厚
20、度。层复合土层的厚度。（2）应力修正法）应力修正法 在该法中，根据桩间土承担的荷载在该法中，根据桩间土承担的荷载 Ps和桩间土的压缩模量和桩间土的压缩模量Es，忽略增强体忽略增强体 的存在，采用的存在，采用分层总和法分层总和法计算加固土层计算加固土层的压缩量的压缩量s1 式中式中 应力修正系数，应力修正系数，n，m复合地基桩土应力比，面积置换率；复合地基桩土应力比，面积置换率；未加强地基在荷载未加强地基在荷载P作用下第作用下第i层土层土 上上的附加应力增量；的附加应力增量；复合地基中第复合地基中第i层土中的附加应力增量，相当层土中的附加应力增量，相当于未加固地基在荷载于未加固地基在荷载P作用下
21、第作用下第i层土上的附加应力增量；层土上的附加应力增量；s1s 未加固地基在荷载未加固地基在荷载P作用下与加固区相作用下与加固区相应厚度土层内的压缩量。应厚度土层内的压缩量。（3）桩身压缩量法）桩身压缩量法 在荷载作用下，桩身压缩量在荷载作用下，桩身压缩量sp为为 式中式中 应力集中系数，应力集中系数，；l 桩身长度，即加固区厚度桩身长度，即加固区厚度h；Ep 桩身材料变形模量；桩身材料变形模量；Pb0 桩底端承力强度。桩底端承力强度。加固区下卧土层压缩量计算方法加固区下卧土层压缩量计算方法（1）应力扩散法）应力扩散法 这是工程上应用较多的方法，设复合这是工程上应用较多的方法，设复合地基上荷载
22、为地基上荷载为p，作用宽度为，作用宽度为B，长度为，长度为D，加固区厚度为，加固区厚度为h，压力扩散角为，压力扩散角为，则作，则作用在下卧层上的荷载用在下卧层上的荷载Pb为为（2）等效实体法）等效实体法 当桩距较小时，多采用此法。设复当桩距较小时，多采用此法。设复合地基上荷载为合地基上荷载为p，作用宽度为，作用宽度为B，长度，长度为为D，加固区厚度为，加固区厚度为h，f为等效实体侧摩为等效实体侧摩阻力密度，则作用在下卧层上的荷载为阻力密度，则作用在下卧层上的荷载为（3）改进）改进Geddes法法 黄绍铭黄绍铭建议采用下述方法计算下卧建议采用下述方法计算下卧土层的应力。复合地基总荷载为土层的应力
23、。复合地基总荷载为p，桩体，桩体承担承担pp，桩间土承担，桩间土承担ps。桩间土承担的。桩间土承担的荷载在地基中产生的竖向应力的计算方荷载在地基中产生的竖向应力的计算方法与天然地基中应力计算方法相同。桩法与天然地基中应力计算方法相同。桩体承担的荷载在地基中产生的竖向应力体承担的荷载在地基中产生的竖向应力采用采用Geddes法计算，然后叠加两部分应法计算，然后叠加两部分应力得到地基中总的竖向应力。力得到地基中总的竖向应力。思考题思考题(Problems)（1）什么是复合地基？一般是如何分类的？）什么是复合地基？一般是如何分类的？（2）桩体复合地基有何基本特点？）桩体复合地基有何基本特点？（3）根据增强体的不同特性，复合地基常用的型式）根据增强体的不同特性，复合地基常用的型式有哪些？有哪些？（4）试述复合地基面积置换率、桩土应力比、桩土）试述复合地基面积置换率、桩土应力比、桩土荷载分担比、复合模量的概念。荷载分担比、复合模量的概念。（5）桩体复合地基通常有哪两种计算思路？水平向）桩体复合地基通常有哪两种计算思路？水平向增强体复合地基的承载力一般与哪些因素有关？增强体复合地基的承载力一般与哪些因素有关？（6）复合地基的加固区和加固区下卧层的沉降一般）复合地基的加固区和加固区下卧层的沉降一般有哪些计算方法？有哪些计算方法？