復(fù)合地基重點PPT課件

1、3.1 復(fù)合地基作用機理與破壞模式一、作用機理 1、樁體作用 復(fù)合地基是樁體與樁間土共同工作，由于樁體的剛度比周圍土體大，在剛性基礎(chǔ)下等量變形時，地基中應(yīng)力將重新分配，樁體產(chǎn)生應(yīng)力集中而樁間土應(yīng)力降低，這樣復(fù)合地基承載力和整體剛度高于原地基，沉降量有所減少。 2、加速固結(jié)作用 碎石樁、砂樁具有良好的透水特性, ,可加速地基的固結(jié)。另外, ,水泥土類和混凝土類樁在某種程度上也可加速地基固結(jié)。 3、擠密作用 砂樁、土樁、石灰樁、碎石樁等在施工過程中由于振動、擠壓、排土等原因，可對樁間土起到一定的密實作用。另外，采用生石灰樁，由于生石灰具有吸水、發(fā)熱和膨脹等作用，對樁間土同樣起到擠密作用。 第1頁/

2、共36頁 4、加筋作用 各種復(fù)合地基除了可提高地基的承載力和整體剛度外，還可用來提高土體的抗剪強度，增加土坡的抗滑能力。二、破壞模式 復(fù)合地基的破壞形式可分為三種情況：第一種是樁間首先破壞進而發(fā)生復(fù)合地基全面破壞；第二種是樁體首先破壞進而復(fù)合地全面破壞；第三種是樁體和樁間土同時發(fā)生破壞。在實際工程中，第一、第三種情況較少見，一般都是樁體先破壞、繼而引起復(fù)合地基全面破壞。 復(fù)合地基破壞的模式可分成以下4 4種形式：刺入破壞、鼓脹破壞、整體剪切破壞和滑動破壞，參見圖3.1-13.1-1。 （1）刺入破壞模式見圖3.1-1（a）。樁體剛度較大，地基土強度較低的情況下較易發(fā)生樁體刺入破壞。樁體發(fā)生刺入

3、破壞后，不能承擔荷載，進而引起樁間土發(fā)生破壞，導致復(fù)合地基全面破壞。剛性樁復(fù)合地基較易發(fā)生這類破壞。 第2頁/共36頁 圖圖 3.1-1 復(fù)復(fù)合合地地基基破破壞壞模模式式 第3頁/共36頁 （2）鼓脹破壞模式見圖3.1-1 (b)。在荷載作用下，樁間土不能提供足夠的圍壓來阻止樁體發(fā)生過大的側(cè)向變形，從而產(chǎn)生樁體的鼓脹破壞。樁體發(fā)生鼓脹破壞引起復(fù)合地基全面破壞。散體材料樁復(fù)合地基較易發(fā)生這類破壞。在一定的條件下，柔性樁復(fù)合地基也可能產(chǎn)生這類型式的破壞。 （3）整體剪切破壞模式見圖3.1-1（c）。在荷載作用下，復(fù)合地基產(chǎn)生圖中所示的塑性區(qū)，在滑動面上樁體和土體均發(fā)生剪切破壞。散體材料樁復(fù)合地基較

4、易發(fā)生這類型式的整體剪切破壞，柔性樁復(fù)合地在在一定條件下也可能發(fā)生這類破壞。 （4）滑動破壞模式見圖3.1-1（d）。在荷載作用下，復(fù)合地基沿某一滑動面產(chǎn)生滑動破壞。在滑動面上，樁體和樁間土均發(fā)生剪切破壞。各種復(fù)合地基都可能發(fā)生這類型式的破壞。 第4頁/共36頁 在荷載作用下，復(fù)合地基發(fā)生何種模式破壞，影響因素很多，主要有： （1）對不同的樁型，有不同的破壞模式。如碎石樁易發(fā)生鼓脹破壞，而CFG樁易發(fā)生刺入破壞。 （2）對同一樁型，當樁身強度不同時，也會有不同的破壞模式。對水泥攪拌樁，當水泥摻入量較小時（ w=5%），易發(fā)生鼓脹破壞；當 w=15%時，易發(fā)生整體剪切破壞；當 w=25%時，易發(fā)

5、生刺入破壞。 （3）對同一樁型，當土層條件不同時，也將發(fā)生不同的破壞模式。當淺層存在非常軟的粘土時，碎石樁將在淺層發(fā)生剪切或鼓脹破壞，見圖3.1-2(a)；當較深層存在有局部非常軟的粘土時，碎石樁將在較深層發(fā)生局部鼓脹，見圖3.1-2(b)；對較深層存在有較厚非常軟的粘土情況，碎石樁將在較深層發(fā)生鼓脹破壞，而其上的碎石樁將發(fā)生刺入破壞，見圖3.1-2(c)。第5頁/共36頁 圖 3.1-2 另外，復(fù)合地基的破壞形式還與荷載形式、復(fù)合地基上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有關(guān)。 第6頁/共36頁3.2 復(fù)合地基的應(yīng)力特性一、復(fù)合地基的有關(guān)設(shè)計參數(shù) 研究復(fù)合地基時，是在眾多根樁所加固的地基中，選取一根樁及其影響的樁周土所

6、組成的單元體作為研究對象。若樁體的橫截面積為Ap，該樁體所承擔的復(fù)合地基面積為A，則復(fù)合地基置換率為：m=Ap/A 樁體在平面的布置形式通常有兩種，即等邊三角形和正方形布置。但也有的布置成網(wǎng)格狀，將增強體制成連續(xù)墻形狀。三種布置形式見圖3.2-1。 對正方形布置和等邊三角形布置，若樁體直徑為d，樁間距為l，則復(fù)合地基置換率分別為： 第7頁/共36頁 圖 3.2- 樁體平面布置圖 第8頁/共36頁 對正方形布置和靠邊三角形布置，若樁體直徑為d，樁間距為l， 則復(fù)合地基置換率分別為： 正方形布置 等邊三角形布置 對網(wǎng)格狀布置，若增強體間距分別為a和b，增強體寬為d， 則置換率為： 224ldm22

7、32ldmdabdbam)(第9頁/共36頁二、樁土應(yīng)力比 樁土應(yīng)力比是復(fù)合地基的一個重要設(shè)計參數(shù)，它關(guān)系到復(fù)合地基承載力和變形的計算。影響樁土應(yīng)力比的因素很多，如荷載水平、樁土模量比、復(fù)合地基面積置換率、原地基土強度、樁長、固結(jié)時間和墊層情況等。（一）影響因素1、荷載水平 樁土應(yīng)力比n與荷載大小存在著一定的關(guān)系，見圖3.2-2。在荷載作用初期，荷載通過地基與基礎(chǔ)間的墊層比較均勻地傳遞給樁和樁間土，然后隨著荷載的逐漸增大，復(fù)合地基的變形隨之增大，地基中的應(yīng)力逐漸向樁體集中，因此，在p-n曲線上表現(xiàn)為樁土應(yīng)力比n隨著荷載的增大而增大。但隨著荷載的逐漸增大，往往樁體首先進入塑性狀態(tài)，樁體變形加大，

8、樁上應(yīng)力就會逐漸向樁間土轉(zhuǎn)移，樁土應(yīng)力比減少，直到樁和樁間土共同進入塑性狀態(tài)，趨于某一值。 第10頁/共36頁2、樁土模量比 圖3.2-2 淤泥石灰樁的應(yīng)力比荷載曲線 圖3.2-3 樁土應(yīng)力比n與模量比 Ep/Es的關(guān)系曲線 第11頁/共36頁 樁土模量比Ep/Es對應(yīng)力比n的大小有重要影響。隨著樁土模量比的增大，樁土應(yīng)力比近于呈線性增長，見圖3.2-3。 3、復(fù)合地基面積置換率 圖3.2-4為國內(nèi)學者通過有限單元法分析得到的復(fù)合地基置換率m與應(yīng)力比n的關(guān)系。由圖可以看出，m增大，n減少。國外學者的研究成果也有類似的結(jié)論。 圖 3.2-4 第12頁/共36頁4 4、原地基土強度 由于原地基土的

9、強度大小直接影響樁體的強度和剛度，因此即使是同一類樁，對不同的地基土，也將會有不同的樁土應(yīng)力比。一般原地基土強度低，復(fù)合地基樁土應(yīng)力比就大；而原地基土強度高，則其樁土應(yīng)力比就小。 5 5、樁長 由圖3.2-53.2-5可見，樁土應(yīng)力比隨樁長L L增大而增大，但當樁長達到某一值后，n n值幾乎不再增長。即存在一個臨界樁長L Le e ，當L L L Le e 后，再增大樁長也無助于提高本身的承載力。臨界樁長的大小，與復(fù)合地基類型、樁徑、土質(zhì)、荷載大小與基礎(chǔ)寬度等一系列因素有關(guān)。 第13頁/共36頁 圖 3.2-5 圖 3.2-6 第14頁/共36頁6、時間 在荷載作用下，樁間土會產(chǎn)生固結(jié)和蠕變，

10、樁間土的固結(jié)和蠕變會使荷載向樁體集中，導致應(yīng)力比n隨時間的延續(xù)逐漸增大，見圖3.2-6（韓杰、葉書麟，1993）。 （二）應(yīng)力比計算公式 由于影響復(fù)合地基應(yīng)力比的因素很多,目前還沒有一個完善的計算模式。但國內(nèi)外對復(fù)合地基應(yīng)力比n的計算公式有很多,主要包括以下幾種： 1、模量比公式 假定在剛性基礎(chǔ)下，樁體和樁間土的豎向應(yīng)變相等,即 p= s。于是,樁體上豎向應(yīng)力 p=Ep p，樁間土上豎向應(yīng)力 s=Es s，樁土應(yīng)力比n的表達式為：n= p / s = Ep / Es (3.2-1)式中：Ep 、Es分別為樁和樁間土的壓縮模量。圖3.2-4 復(fù)合地基置換率m與應(yīng)力比n的關(guān)系 圖3.2-5 樁的長

11、徑比L/d與樁土 應(yīng)力比n的關(guān)系曲線 第15頁/共36頁2、Baumann 公式 Baumann 根據(jù)樁體和樁周土的側(cè)向應(yīng)力及徑向鼓脹量間關(guān)系，并假定樁體總體積保持不變，提出碎石樁或砂樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比 n 的計算公式: n=pssppkkErRkE00ln2 (3.2-2) 式中：r0、R0分別為樁半徑、每根樁所分擔的加固面積的折算半徑；ks樁間土側(cè)壓力系數(shù)，介于被動土壓力和靜止壓力系數(shù)之間，對軟土ks=1.250.40;kp樁的側(cè)壓力系數(shù)，介于被動土壓力和靜止壓力系數(shù)之間， 對碎石樁 kp=0.400.45，對砂樁 kp=0.350.40。 第16頁/共36頁3、Priebe 公式 Pr

12、iebe 假設(shè)： （1）地基土為各向同性； （2）剛性基礎(chǔ)； （3）樁體長度已達硬土層。由這些假設(shè)條件推導出的碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比 n 為： n=),()2/45(),(212muftgmufp 式中： u 地基土的泊松比；m 置換率；p 碎石樁碎石內(nèi)摩擦角。 ;21)1 ()21 (211),(22mumuuuumuf第17頁/共36頁4、Rowe 剪脹理論的改進公式 郭蔚東等應(yīng)用 Rowe 應(yīng)力剪脹理論，把碎石樁看成軸對稱的圓柱，提出以下公式： 如不考慮樁間土的剪脹性則上式變?yōu)椋?式中：kp、 ks分別為樁體和樁間土的被動土壓力系數(shù)；up、us分別為樁體和樁間土的泊松比。 11spsp

13、kkuunssppukukn22（3.2-4） (3.2-5) 第18頁/共36頁3.3 復(fù)合地基承載力 一、散體材料樁樁體承載力計算 散體材料樁在承受荷載時，將對樁周土產(chǎn)生水平方向的側(cè)擠力，一旦側(cè)擠力超過樁周土的側(cè)限阻力，樁體將發(fā)生破壞。因此，樁周土可能發(fā)揮的側(cè)限能力決定了散體材料樁的極限承載力。目前確定樁體承載力的方法除了荷載試驗和經(jīng)驗的計算圖表外，還有很多計算公式。這些公式基本上是根據(jù)鼓脹破壞模式推導出來的，主要有以下幾種： 1 1、側(cè)向極限應(yīng)力法 散體材料樁在荷載作用下，樁體發(fā)生鼓脹，樁周土進入塑性狀態(tài)，由側(cè)向極限應(yīng)力即可算出單樁極限承載力。側(cè)向極限應(yīng)力法的一般表達式如下： 第19頁/

14、共36頁puzprupukCakf)(0 pukCa (3.3-1) 式中：ru側(cè)向極限應(yīng)力；0z深度 z 處的初始總側(cè)向應(yīng)力；Cu樁周土不排水抗剪強度； a與計算方法有關(guān)的系數(shù)。椐 Ranjan(1989)統(tǒng)計，對碎石樁一般為 35；a系數(shù)，表達式見（3.3-1）式中的推導過程；kp樁體材料的被動土壓力系數(shù)。 公式中akp取值，對碎石樁，國外取 15.825.0，國內(nèi)14.024.0。 2、被動土壓力法 這種方法的表達式為： fpu=(z+q)ks+Cuskkp (3.3-2) ks=tg2(45+s /2) (3.3-3) 式中：土的重度；z樁的臌脹深度；q樁間土荷載；ks樁間土的被動土壓

15、力系數(shù)；kp樁體材料被動土壓力系數(shù)。 第20頁/共36頁3、Brauns 計算式 Brauns 計算式是以碎石樁為研究對象提出的，其原理及計算式也適用于其它散體材料樁。Brauns 以為，在荷載作用下，樁體產(chǎn)生鼓脹變形，樁體的鼓脹變形使樁周土進入被動極限平衡狀態(tài)，樁周土極限平衡區(qū)見圖 3.3-1。在計算時，Brauns 作了以下三個假設(shè)： （1）樁的破壞段長度 h=2r0tgp (式中 r0為樁半徑，p = 45+p/2 )； （2）樁周土與樁體間摩擦力m=0，在極限平衡土體中，環(huán)向應(yīng)力0=0。 （3）不計地基土和樁體的自重。 由圖 3.3-1（b）列出 fn方向的力平衡方程式，可得到極限荷載

16、作用下，樁周土上的極限應(yīng)力為： ) 12()2sin2(0tgptgCuqr 第21頁/共36頁 圖 3.3-1 fn為樁周土表面荷載的作用面積; fR為滑動面面積；fm為樁周界面面積； fp為樁頂應(yīng)力； q 為樁間土面上的應(yīng)力； 為滑動面與水平面夾角 第22頁/共36頁根據(jù)樁體極限平衡可得到樁體極限承載力為： puprtgtgtgCqtgfpu220) 12()2sin2( (3.3-4) 滑動面與水平面的夾角可按下式用試算法求出： 2sin222ptgtgptgtgtgputgCq (3.3-5) 當 q=0 時，可簡化為： ppuputgtgtgCf2) 1(2sin2 (3.3-6)

17、夾角按下式用試算法求得： ) 1(212tgtgptg (3.3-7) 第23頁/共36頁假定碎石樁的內(nèi)摩擦角op38，則642/45pp，代入式（3.3-7）得61，再將op38和=61代入式(3.3-6)得：fpu=20.8Cu ，這就是計算碎石樁承載力的 Brauns 理論簡化計算公式。 其它計算公式可參見表 3.3-1. 根據(jù)極限承載力就可由下式得出承載力標準值 pkf： Kffpkpu/ (3.3-8) 式中：K安全系數(shù)；根據(jù)表中序號 3、4 中的公式計算時取K=2.02.5； 根據(jù)表中序號 6 中的公式計算時取 K=2.53.0； 由表中序號 5、7 中的公式計算時取 K=1.21

18、.4。 第24頁/共36頁表表 3.3-1 散體材料樁樁體極限承載力計算公式散體材料樁樁體極限承載力計算公式 序號 方法 公式 說明 一般式：fpu=(zo+Cu)kp=Cukp 1 側(cè) 向 極限 應(yīng) 力法 簡化式：fpu=（1415） Cu 對碎石樁 akp取值：國外 15.825.0，國內(nèi)1424 2 被 動 土壓力法 fpu=(z+q)ks+Cuskkp ks=tg2(45+s/2) 一般式：ppuputgtgtgCf2) 1(2sin2 ) 1(212tgtgptg 2/45pp 3 Buauns計算法 簡化式：fpu=20.8Cu 對碎石樁取38，即得簡化式 一般式：fpu=Cu(I

19、nIr+1)kp Ir=G/CuG=E/2 （1+vs） 4 圓 筒 擴張 計 算法 簡化式：fpu=4kpCu fpu=16.8Cu 對軟粘土取 Ir=20，對碎石樁取38，即得兩個簡化式 第25頁/共36頁fpu=(qks+2Cusk)kp ks=tg2(45- p/2) 用于小沉降量（相當于 25mm） 5 Wong H.Y.計算法 assuspukldkrdkCkqf/)4/31 (2322 用于大沉降量 （相當于 100mm） 一般式：pupukCpf)4(00 6 HughesWithers 計 算式 簡化式：pupuupukCfCf6;2 .25 以uCp200對碎石樁取38，即

20、得簡化式 一般式：pupukCzf)4( 7 Bell計 算法 簡化式：upupupuCfkCf482 當 z=0 時， 對碎石樁取38，即得簡化式 表中部分符號：Ir樁間土的剪切模量（KPa） ；E樁間土的彈性模量（kPa） ；s樁間土泊松比；p0樁間土的初始有效壓力（kPa） ；0樁間土的初始孔隙壓力（kPa） ；d樁徑（m） ；l樁長（m） ；s樁間土的內(nèi)摩擦角。 第26頁/共36頁二、柔性樁樁體承載力 目前在實際工程中一般是根據(jù)下列兩種情況來確定柔性樁樁體的承載力： （1）根據(jù)樁身材料強度計算承載力； （2）根據(jù)樁周摩阻力和樁端端阻力計算承載力。取二者中較小者為樁的承載力。 （1） 按

21、樁體材料強度計算： kpcupkff, (3.3-9) 式中： pkf樁體承載力標準值；kpcuf,樁體材料的無側(cè)限抗壓強度平均值；強度折減系數(shù)，一般取 0.350.50。 單樁豎向承載力標準值：ppkdkAfR 式中：dkR單樁豎向承載力標準值；pA樁的截面積。 第27頁/共36頁（2）按土的支持力計算： ppisipdkqAalquR (3.3-10) 式中： pu樁周長；siq第 i 層樁間土的摩阻力標準；il樁周第 i 層土的厚度；pq樁端土的承載力標準值；a樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，對攪拌樁當樁端土質(zhì)不良時，取a=0.40.6，基它情況取a=1。 三、剛性樁樁體承載力 樁體相對

22、剛度較大時，可看作剛性樁。復(fù)合地基中剛性樁多為摩擦樁，其承載力標準值表達式為： ppisipdkqAlquR (3.3-11) 式中：dkR剛性樁單樁承載力標準；其余符號同前。 第28頁/共36頁四、復(fù)合地基承載力* 1、復(fù)合求和法* 復(fù)合求和法的計算公式根據(jù)狀的類型不同有差異： （1）散體材料樁復(fù)合地基三種計算公式： A. B。 C。 式中fsp,k、fp,k、fs,k分別為復(fù)合地基、樁體和樁間土承載力特征值；m為樁土面積置換率，n為樁土應(yīng)力比。kskpkspfmmff,)1 (kskpkskspfnffnmf,)1(1 需nfffnnmfkpksksksp/:/)1(1 ,需第29頁/共3

23、6頁 （2）柔性樁復(fù)合地基承載力 式中：樁間土承載力折減系數(shù)，對摩擦型樁取 =0.51.0,對摩擦支承型樁取 =0.10.4。 （3）對剛性樁復(fù)合地基：兩種計算公式kskpkspfmmff,)1 (。，；AA；R：NAAfARNfasdksksdkksp0 . 18 . 0/.,載力折減系數(shù)樁間土承樁間土面積基礎(chǔ)面積單樁承載力特征值基礎(chǔ)下樁數(shù)式中。，n，fnmfbksksp14108 . 0:)1(1 .,一般取樁土應(yīng)力比一般取樁間土承載力折減系數(shù)式中第30頁/共36頁2、穩(wěn)定分析法、穩(wěn)定分析法 通常采用圓弧分析法（見圖 3.3-2） 。在分析計算時，假設(shè)圓弧滑動經(jīng)過加固區(qū)和未加固區(qū)；在滑動面

24、上，設(shè)總滑動力矩為 Ms，總抗滑力矩為 Mr，則沿滑動面發(fā)生破壞的安全系數(shù)K 為：K=SRMM。取不同的滑動面進行計算，找出最小的安全系數(shù)值，那么通過穩(wěn)定分析法即可根據(jù)要求安全系數(shù)來計算地基承載力，也可按確定的荷載計算在荷載作用下的安全系數(shù)，從而判斷其穩(wěn)定性。在計算時，地基土的強度應(yīng)分區(qū)計算，加固土和未加固區(qū)采用不同的強度指標，未加固區(qū)采用天然地基土的強度指標，加固區(qū)土體強度指標可分別采用樁體和樁間土的強度指標，也可采用復(fù)合土體的綜合強度指標。 第31頁/共36頁3.4 復(fù)合地基變形復(fù)合地基變形 在各類計算復(fù)合地基變形的方法中， 通常把復(fù)合地基沉降量分為二部分： 復(fù)合地基加固區(qū)變形量和加固區(qū)下臥層變形量。 加固區(qū)下臥層的變形計算一般采用分層總和法， 加固區(qū)的變形計算主要有以下幾種： 一、復(fù)合模量法一、復(fù)合模量法 將復(fù)合地基加固區(qū)中樁體和樁間土視為一復(fù)合土體，采用復(fù)合壓縮模量來評價復(fù)合土體的壓縮性。 采用分層總和法計算加固區(qū)變形量，加固區(qū)土層變形量 S 表達式為： S=nipsiiEP1Hi (3.4-1) 式中：S加固區(qū)土層變形量；Pi第