第五章-地基處理(第二講)

5.3復(fù)合地基5.3.1復(fù)合地基的概念與分類5.3.2復(fù)合地基的作用機理5.3.3復(fù)合地基的破壞模式5.3.4復(fù)合地基的有關(guān)設(shè)計參數(shù)5.3.5復(fù)合地基承載力的確定5.3.6復(fù)合地基變形計算發(fā)展概況復(fù)合地基（CompositeFoundation）一詞,國外最早見于1962年。復(fù)合地基的概念已成為很多地基處理方法的理論分析及公式建立的基礎(chǔ)和根據(jù)。它已廣泛地運用于如碎石樁、砂樁、水泥土攪拌樁、旋噴樁和石灰樁等加固地基的理論分析中。初期后來主要指天然地基中設(shè)置碎石樁而形成的碎石樁復(fù)合地基深層攪拌法和高壓噴射注漿法的應(yīng)用，人們開始重視水泥土樁復(fù)合地基的研究?復(fù)合地基定義的爭論

復(fù)合地基是指兩種剛度（或模量）不同的材料（樁體和樁間土）所組成，在相對剛性基礎(chǔ)上兩者共同分擔(dān)上部荷載并協(xié)調(diào)變形（包括剪切變形）的地基。砂石樁復(fù)合地基或水泥土樁復(fù)合地基根據(jù)樁體的剛度樁體與基礎(chǔ)不相連與樁體剛度無關(guān)樁和樁間土共同承擔(dān)荷載根據(jù)其工作狀態(tài)5.3.1復(fù)合地基的概念與分類一、復(fù)合地基的概念：

指天然地基在地基處理過程中部分土體被增強，或被置換，或在天然地基中設(shè)置加筋材料，加固區(qū)由基體（天然地基土體）和增強體兩部分組成的人工地基。二、復(fù)合地基的兩個基本特點：1.加固區(qū)是由增強體和其周圍地基土兩部分組成，是非均質(zhì)和各向異性的；2.增強體和其周圍地基土體共同承擔(dān)荷載并協(xié)調(diào)變形。三、復(fù)合地基的分類與形成條件（1）根據(jù)地基中增強體的方向可分為水平向增強體復(fù)合地基和豎向增強體復(fù)合地基。均質(zhì)人工地基水平向增強復(fù)合地基豎直向增強復(fù)合地基（2）根據(jù)復(fù)合地基工作機理可作下述分類：復(fù)合地基常用的形式水平向增強復(fù)合地基豎直向增強復(fù)合地基斜向增強復(fù)合地基長短樁復(fù)合地基地基——復(fù)合地基——樁基

的區(qū)別天然地基復(fù)合地基樁基礎(chǔ)四、我國復(fù)合地基技術(shù)發(fā)展：1990年河北承德，由中國建筑學(xué)會地基基礎(chǔ)專業(yè)委員會黃熙齡院士主持召開了我國第一次以復(fù)合地基為專題的學(xué)術(shù)討論會。應(yīng)用領(lǐng)域

高等級公路房屋建筑鐵路堆場機場堤壩工業(yè)廠房地基堆場水泥土攪拌樁復(fù)合地基房屋建筑粉噴樁復(fù)合地基水下的碎石樁復(fù)合地基樁體作用墊層作用加速固結(jié)作用擠密作用加筋作用

5.3.2復(fù)合地基的作用機理樁體作用：復(fù)合地基是由許多獨立樁體與樁周土共同作用，由于樁體的剛度比周圍土體大，在剛性基礎(chǔ)底面產(chǎn)生等量變形時，地基中的應(yīng)力將重新分配，樁體產(chǎn)生應(yīng)力集中而樁周土應(yīng)力降低，于是復(fù)合地基承載力和整體剛度高于原地基，沉降量有所減小。墊層作用：復(fù)合地基的墊層可調(diào)節(jié)樁土相對變形，避免荷載引起樁體應(yīng)力集中，有效保證樁體正常工作。加速固結(jié)作用：散體材料樁具有良好的透水性，可加速地基的固結(jié)。擠密作用：砂石樁等在施工過程中由于振動、擠壓等原因，可對樁間土起到一定的密實作用。加筋作用：通過在土層中埋設(shè)強度較大的土工合成材料、拉筋、受力桿件等達(dá)到提高地基承載力和整體剛度，減小沉降，或維持建筑物穩(wěn)定的作用。5.3.3復(fù)合地基的破壞模式剛性樁柔性樁，如石灰樁、水泥攪拌樁散體材料樁5.3.4復(fù)合地基的有關(guān)設(shè)計參數(shù)1.面積置換率在復(fù)合地基中，取一根樁及其所影響的樁周土所組成的單元體作為研究對象。樁體的橫截面面積（Ap）與該樁體所承擔(dān)的復(fù)合地基面積（Ae）之比為復(fù)合地基面積置換率（m），則：式中：d-樁身平均直徑；de-一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑。過大或過小的結(jié)果？等邊三角形布樁：de=1.05s正方形布樁：de=1.13ss、s1、s2分別為樁間距、縱向間距和橫向間距。2.樁土應(yīng)力比在荷載作用下，設(shè)復(fù)合地基中樁體的豎向平均應(yīng)力為，樁間土的豎向平均應(yīng)力為，則樁土應(yīng)力比n為：矩形布樁：目前復(fù)合地基樁土應(yīng)力比n的計算公式很多，但還沒有一個完善的計算模式。例如模量比公式，其假定在剛性基礎(chǔ)下，樁體和樁間土的豎向應(yīng)變相等，即εp=ε-s。于是，樁體上豎向應(yīng)力σp=Ep·εp，樁間土豎向應(yīng)力σs=Es·εs，樁土應(yīng)力比n的表達(dá)式為：n=σp/σs=Ep/Es

式中：Ep、Es——分別為樁和樁間土的壓縮模量。3.復(fù)合壓縮模量復(fù)合地基加固區(qū)由樁體和樁間土兩部分組成，呈非均質(zhì)。在復(fù)合地基計算中，為了簡化計算，將加固區(qū)視作一均質(zhì)的復(fù)合土體，則與原非均質(zhì)復(fù)合土體等價的均質(zhì)復(fù)合土體的模量稱為復(fù)合地基的復(fù)合壓縮模量（Esp）。一般按下列公式計算：或5.3.5復(fù)合地基承載力的確定復(fù)合地基承載力一般應(yīng)通過現(xiàn)場復(fù)合地基荷載試驗確定，初步設(shè)計時也可按復(fù)合求和法估算。關(guān)于復(fù)合地基荷載試驗確定復(fù)合地基承載力應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002）的附錄A進行。這里僅介紹計算復(fù)合地基承載力的復(fù)合求和法。復(fù)合求和法是先分別確定樁體的承載力和樁間土的承載力，再根據(jù)一定的原則疊加這兩部分承載力得到復(fù)合地基的承載力。砂石樁（散體材料樁）復(fù)合地基承載力可按下式計算：對小型工程的黏性土地基如無現(xiàn)場荷載試驗資料，初步設(shè)計時也可按下式估算：水泥土粉煤灰碎石樁（水泥土類樁、混凝土類樁）復(fù)合地基承載力可按下式計算：式中：fspk、fpk、fsk—分別為復(fù)合地基、樁體和樁間土承載力特征值（kPa）；Ra—單樁豎向承載力特征值（kN）；Ap—樁的截面積；

—樁間土承載力折減系數(shù)，宜按地區(qū)經(jīng)驗取值。5.3.6復(fù)合地基變形計算在各類計算復(fù)合地基變形的方法中，通常把復(fù)合地基沉降量分為兩部分：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)壓縮量

下臥層壓縮量

1、加固區(qū)壓縮量計算方法

（1）復(fù)合模量法（Ecs法）

（2）應(yīng)力修正法（Es法）

（3）樁身壓縮量法（Ep法）2、下臥層壓縮量計算方法（1）分層總和法

（2）應(yīng)力擴散法該法假定復(fù)合地基頂面的荷載p在復(fù)合地基加固區(qū)內(nèi)按壓力擴散角傳遞。對于寬度為b長度為L的矩形荷載，設(shè)加固區(qū)厚度為h，則作用在下臥層頂面上的附加應(yīng)力為：對寬度為b的條形荷載，僅考慮寬度方向的擴散，則：（3）等效實體法5.4排水固結(jié)法排水固結(jié)法：它是采用預(yù)壓、降低地下水位、電滲等方法促使土層排水固結(jié)，以減少地基的沉降和不均勻沉降，提高承載力。

主要用于處理軟弱粘性土地基。

排水固結(jié)法加固軟土地基是一種比較成熟、應(yīng)用廣泛的方法，它可以解決以下兩個方面問題：1．沉降問題：使地基的沉降在加載預(yù)壓期間大部分或基本完成，使建筑物在使用期間不致產(chǎn)生較大的沉降。

原理：在建筑場地上先加一個和上部結(jié)構(gòu)相同的壓力進行加載預(yù)壓使土層固結(jié)，然后卸除荷載，再施工建筑物，可以使地基沉降減少，如進行超載預(yù)壓(預(yù)壓荷載大于建筑物荷載)效果將更好，但預(yù)壓荷載不應(yīng)大于地基土的容許承載力。2．穩(wěn)定問題：加速地基土抗剪強度的增長，從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性。

原理：飽和軟粘土地基在荷載作用下，孔隙中的水慢慢排出，孔隙體積慢慢地減小，地基發(fā)生固結(jié)變形。同時，隨著超靜孔隙水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸提高，地基土的強度逐漸增長。土層的排水固結(jié)效果和它的排水邊界條件有關(guān)，粘性土固結(jié)所需的時間與排水距離的平方成正比，土層越厚，加固延續(xù)的時間越長。為加速土層的固結(jié)，最有效的方法是先增加土層的排水途徑，縮短排水距離。然后分級加載預(yù)壓(也可利用建筑物本身重)，使軟土中孔隙加快排出水，地基土固結(jié)沉降加快完成，強度也得到相應(yīng)提高，當(dāng)土質(zhì)條件較好時，也可在天然地基上直接加載預(yù)壓。一、砂井堆載預(yù)壓法軟粘土滲透系數(shù)很低，為了縮短加載預(yù)壓后排水固結(jié)的歷時，對較厚的軟土層，常在地基中設(shè)置排水通道，使土中孔隙較快排出水。可在軟粘土中設(shè)置一系列的豎向排水通道(砂井、袋裝砂井或塑料排水板)，在軟土頂層設(shè)置橫向排水砂墊層如下圖所示，借此縮短排水途程，增加排水通道，改善地基滲透性能。砂井堆載預(yù)壓砂井地基的設(shè)計1．砂井的直徑和間距：砂井的直徑和間距主要取決于土的固結(jié)特性和施工期的要求。從原則上講，為達(dá)到相同的固結(jié)度，縮短砂井間距比增加砂井直徑效果要好，即以“細(xì)而密”為佳，不過，考慮到施工的可操作性，普通砂井的直徑為300-500mm。砂井的間距可根據(jù)地基土的固結(jié)特征和預(yù)定時間內(nèi)所要求達(dá)到的固結(jié)度確定，間距可按為直徑的6-8倍選用。2．砂井深度：砂井深度主要根據(jù)土層的分布、地基中的附加應(yīng)力大小、施工期限和條件及地基穩(wěn)定性等因素確定。當(dāng)軟土不厚（一般為10-20m）時，盡量要穿過軟土層達(dá)到砂層；當(dāng)軟土過厚（超過20m）,不必打穿粘土，可根據(jù)建筑物對地基的穩(wěn)定性和變形的要求確定。對以地基抗滑穩(wěn)定性控制的工程，豎井深度應(yīng)超過最危險滑動面2.0m以上。3．砂井排列：

砂井的平面布置可采取正方形或等邊三角形，在大面積荷載作用下，認(rèn)為每個砂井均起獨立排水作用。為了簡化計算，將每個砂井平面上的排水影響面積以等面積的圓來代替，可得一根砂井的有效排水圓柱體的直徑de和砂井間距l(xiāng)的關(guān)系按下式考慮：等邊三角形布置正方形布置4．砂井的布置范圍：由于在基礎(chǔ)以外一定的范圍內(nèi)仍然存在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，所以砂井的布置范圍應(yīng)比基礎(chǔ)范圍大為好，一般由基礎(chǔ)的輪廓線向外增加2-4m。

5．砂料：砂料宜用中、粗砂，必須保證良好的透水性，含泥量不應(yīng)超過3%，滲透系數(shù)應(yīng)大于10-3cm/s。

6．砂墊層：為了使砂井有良好的排水通道，砂井頂部應(yīng)鋪設(shè)砂墊層，墊層砂料粒度和砂井砂料相同，厚度一般為0.5m-1m。二、袋裝砂井和塑料排水板預(yù)壓法用砂井法處理軟土地基如地基土變形較大或施工質(zhì)量稍差常會出現(xiàn)砂井被擠壓截斷，不能保持砂井在軟土中排水通道的暢通，影響加固效果。近年來普通在砂井的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了以袋裝砂井和塑料排水板代替普通砂井的方法，避免了砂井不連續(xù)缺點，而且施工簡便、加快了地基的固結(jié)，節(jié)約用砂，在工程中得到日益廣泛的應(yīng)用。(一)袋裝砂井預(yù)壓法目前國內(nèi)應(yīng)用的袋裝砂井直徑一般為70-120mm，間距為1.0m-2.0m(井徑比n約取15-20)。砂袋可采用聚丙烯或聚乙烯等長鏈聚合物編織制成，應(yīng)具有足夠的抗拉強度、耐腐蝕、對人體無害等特點。裝砂后砂袋的滲透系數(shù)不應(yīng)小于砂的滲透系數(shù)。灌入砂袋的砂應(yīng)為中、粗砂并振搗密實。砂袋留出孔口長度應(yīng)保證伸入砂墊層至少300mm，并不得臥倒。

袋裝砂井的設(shè)計理論、計算方法基本與普通砂井相同，它的施工已有相應(yīng)的定型埋設(shè)機械，與普通砂井相比，優(yōu)點是：施工工藝和機具簡單、用砂量少；它間距較小，排水固結(jié)效率高，井徑小，成孔時對軟土擾動也小，有利于地基土的穩(wěn)定，有利于保持其連續(xù)性。袋裝砂井多孔單一結(jié)構(gòu)型塑料排水板復(fù)合結(jié)構(gòu)塑料排水板塑料排水板塑料排水板施工施工后的塑料排水板三、天然地基堆載預(yù)壓法天然地基堆載預(yù)壓法是在建筑物施工前，用與設(shè)計荷載相等(或略大)的預(yù)壓荷載(如砂、土、石等重物)堆壓在天然地基上使地基軟土得到壓縮固結(jié)以提高其強度(也可以利用建筑物本身的重量分級緩慢施工)，減少工后的沉降量，待地基承載力、變形達(dá)到設(shè)計預(yù)期要求后，將預(yù)壓荷載撤除，在經(jīng)預(yù)壓的地基上修建建筑物。此方法費用較少，但工期較長。如軟土層不太厚，或軟土中夾有多層細(xì)、粉砂夾層滲透性能較好，不需很長時間就可獲得較好預(yù)壓效果時可考慮采用，否則排水固結(jié)時間很長，應(yīng)用就受到限制。此法設(shè)計計算可用一維固結(jié)理論。四、真空預(yù)壓法和降水位預(yù)壓法真空預(yù)壓法實質(zhì)上是以大氣壓作為預(yù)壓荷重的一種預(yù)壓固結(jié)法。在需要加固的軟土地基表面鋪設(shè)砂墊層，然后埋設(shè)垂直排水通道(普通砂井、袋裝砂井或塑料排水板)，再用不透氣的封閉薄膜覆蓋軟土地基，使其與大氣隔絕，薄膜四周埋入土中，通過砂墊層內(nèi)埋設(shè)的吸水