復合地基加固技術理論課件

第8章復合地基加固技術理論復合地基是由兩種以上不同剛度的材料組成、共同承擔上部荷載和協(xié)調變形的人工地基；目前的應用技術很先進，但理論研究仍落后于技術。第1節(jié)復合地基作用機理研究1.作用機理研究:(1)樁體作用:樁體與樁間土共同作用,樁體剛度大,基礎傳來的載荷在地基中重新分配,樁體產(chǎn)生應力集中,樁間土中應力降低,地基承載力提高,沉降量減小.(2)加速固結作用:碎石樁和砂樁都有良好的透水性能,可加速地基固結.(3)擠密作用: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。（4）加筋作用：各種復合地基除了可提高地基的承載力和整體剛度外，還可以用來提高土體的抗剪強度，增大土坡的抗滑能力。

2.破壞模式研究三種破壞形式:一是樁間土首先破壞而發(fā)生復合地基全面破壞；二是樁體首先破壞而發(fā)生全面破壞；三是同時發(fā)生破壞。實際主要是第2種。破壞模式分以下四種：如圖所示復合地基破壞模式圖

（a）刺入（b）膨脹（c）整體剪切（d）滑動（1）刺入破壞模式：樁體剛度較大，地基土強度較低時易發(fā)生；樁體發(fā)生刺入破壞后，不再承擔荷載，進而引起樁間土發(fā)生破壞。（2）膨脹破壞模式：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)生過大的側向變形，從而產(chǎn)生樁體的膨脹破壞。散體樁易發(fā)生。（3）整體剪切破壞模式：在荷載作用下，復合地基進入塑性變形，在滑動面上樁體和土體均發(fā)生剪切破壞。（4）滑動破壞模式：在荷載作用下，復合地基沿某一滑動面產(chǎn)生破壞。在滑動面上，樁體和土體均發(fā)生剪切破壞。影響破壞模式的因素：（1）不同樁型：碎石樁易膨脹破壞；混凝土樁易刺入破壞。（2）對同一樁型，樁身強度不同時會有不同的破壞形式：對水泥攪拌樁，當水泥摻入量較小（5%）時，易發(fā)生膨脹破壞；中檔（15%）時整體剪切破壞；較多（25%）時易刺入破壞。（3）對同一樁型，土層條件不同：淺層軟粘土，碎石樁發(fā)生剪切或膨脹破壞，在較深層有軟粘土層時可能發(fā)生局部膨脹破壞。如圖所示。

3.樁土應力比研究:樁土應力比是復合地基設計的重要參數(shù),關系到復合地基承載力和變形的計算。影響因素較多因此仍是有待研究的問題。主要影響因素：（1）荷載水平：樁土應力比與荷載大小存在一定關系，如圖。荷載初期樁土間應力較均勻，差別很小，隨著荷載增加，變形增大，地基中的應力逐漸向樁體集中，應力比隨荷載的增大而增大。隨著荷載的逐漸增大，樁體首先進入塑性狀態(tài)，樁體變形加大，樁上應力就會逐漸向樁間土轉移，樁土應力比減小，直至共同進入塑性狀態(tài)。（2）樁土模量比：隨著樁土模量比的增大，樁土應力比近似呈線性增加。如圖所示。（3）面積置換率：樁體橫截面積與樁體所承擔的復合地基面積的比。國內(nèi)外學者用有限元方法計算分析表明，隨著置換率的增大，應力比將減小。如圖所示。（4）原地基基土強度：強度愈高，樁樁土應力比愈愈小。（5）樁長：：如圖所示樁土應力比隨隨樁長的增大大而增加，但但當樁長達到到某一值后，，應力比幾乎乎不再增加，，即存在臨界界長度，當樁樁長超過該值值后，再增加加樁長也無助助于提高本身身的承載力。。（6）時間：：如圖所示在荷載作用下下，樁間土會會產(chǎn)生固結和和蠕變效應，，會使荷載向向樁體集中，，增大樁土間間的應力比。。荷荷載愈大，時時間影響愈明明顯。4.樁土應應力比的計算算研究：目前還沒有完完善的計算模模式，但國內(nèi)內(nèi)外學者通過過大量試驗研研究提出的計計算公式很多多，以下是典典型的幾種：：（1）模量比比公式：假定在剛性基基礎下，樁體體和土體的豎豎向應變相等等，則樁土間間的應力比可可用模量比來來表示，與實實際有出入。。（2）Baumann公公式：根據(jù)樁樁體和樁周土土的側向力及及徑向膨脹量量間的關系，，并假定樁體體總體積保持持不變，提出出碎石樁或砂砂樁復合地基基樁土應力比比計算公式：：n=Ep/（2*kp*Ln（R0/r0）*Es）+ks/kp式中r0、R0----分別別為樁半徑、、每根樁所分分擔的加固面面積折算半徑徑；ks----樁間間土側壓力系系數(shù)，介于被被動土壓力和和靜止土壓力力系數(shù)之間；；對軟土為1.25~1.5;kp----樁的的側壓力系數(shù)數(shù),對于碎碎石樁為0.40~0.45,對對于砂樁為0.35~0.4.Ep、Es----分別別為樁和樁間間土的壓縮模模量.（3）Priebe公式式：假設地基土為為各向異性，，基礎為剛性性；樁體長度度已達硬土層層。由此推導導的應力比計計算式：n=(1/2+f（，m))/(tg2(45-p/2)*f(，m))式中:p---碎石樁樁碎石的內(nèi)摩摩擦角.f(,m)=(1-2)(1-2)(1-m)/[(1--22)(1-2+m)]----地基土的泊泊松比;m----置置換率;。（4）Rowe剪脹理論論的改進公式式：國內(nèi)學者應用用Rowe應應力剪脹理論論，把碎石樁樁看成軸對稱稱的圓柱，提提出如下計算算：n=p*（kp+1）/[s*（ks+1）]如不考慮樁間間土的剪脹性性，則上式可可變?yōu)椋簄=（kp-2p）/（ks-2s）式中kp、ks----分別別為樁體和樁樁間土的被動動土壓力系數(shù)數(shù)；p、s----分別別為樁體和樁樁間土的泊松松比。第2節(jié)復合合地基承載力力和變形理論論研究1.散體樁樁承載力計算算理論在承受荷載時時,將對樁周周土產(chǎn)生水平平方向的側擠擠壓力,一旦旦側擠壓力超超過樁周土的的側限阻力,樁體將發(fā)生生破壞。因此此樁周土可能能發(fā)揮的側限限能力決定了了散體材料樁樁的極限承載載力。目前確確定的計算方方法主要是通通過荷載試驗驗或根據(jù)膨脹脹破壞模式推推導的公式。。主要有如下幾幾種：（1）側向極極限應力法：：樁體發(fā)生膨脹脹，樁周圍土土進入塑性狀狀態(tài)，由側向向極限應力即即可算出單樁樁的極限承載載力。一般表達式為：fpu=ru*kp=（z0+a*Cu）*kp=a’Cu*kp式中ru----側向極限限應力；z0----深度z處處的初始總側向應應力；Cu----樁周土不不排水抗剪強度；；a----計算算方法系數(shù)，對碎碎石樁為3~5；；kp----樁體材料料的被動土壓力系系數(shù)。式中a’、kp取值，對碎石樁，，國外取15.8~25.0,國國內(nèi)為14.0~24.0。（2）樁體材料被被動土壓力法：表達式為：fpu=[（*z+q）*ks+Cu*ks1/2]*kpks=tg2(45-s/2)式中-----土的重重度；z----樁的膨膨脹深度；q----樁間土土荷載；ks-----樁間土土的被動土壓力系系數(shù)；kp----樁體材料料被動土壓力系數(shù)數(shù)。（3）Brauns計算式：以碎石樁為研究對對象提出的，認為為在荷載作用下，，樁體產(chǎn)生膨脹變變形使樁周土進入入極限平衡狀態(tài)；；如圖。假設如下：1）樁的破壞段長長度:h=2r0*tgp，p=（45+p/2)p----為散體樁樁材料的內(nèi)摩擦角角;r0----樁半徑。。2）樁周土與樁體體間的摩擦力為零零，在極限平衡土土體中，環(huán)向應力力為零。3）不計地基土和和樁體的自重。由圖列出fr方向的平衡方程，，可得極限載荷作作用下樁周土上的的極限應力為：r0=(q+2Cu/sin2)*(tgp/tg+1)根據(jù)樁體極限平衡衡可得到樁體極限限承載力為：fpu=r0*tg2p根據(jù)極限承載力就就可由下式得出承承載力標準值：fpk=fpu/KK為安全系數(shù)；取取值為2~3。2.柔性樁樁體體承載力計算理論論目前實際工程中根根據(jù)兩種情況計算算,取其中的較較小值為樁的承載載力。（1）按樁體材料料強度計算：fpk=fpcu，k*Kkfpk----樁體承載載力標準值；fpcu，k----樁材料的的無側限抗壓強度度平均值；Kk----強度折減減系數(shù)，一般取0.35~0.5。單樁豎向承載力標標準值：Rkd=fpk*Ap式中Rkd----單樁豎向承載力標標準值；Ap----樁的截面面積。（2）按土的支持持力計算：Rkd=upqsi*Li+a*qp*Ap式中up----樁周長；；qsi---第I層樁間間土的摩擦阻力標標準值；Li----樁周第I層土的厚度；qp----樁端土的的承載力標準值；；a----樁端天天然地基土的承載載力折減系數(shù)，對對攪拌樁當樁端土土質不良時，取0.4~0.6,其它情況取1.0。3.剛性樁樁體體承載力計算復合地基中，剛性性樁多為摩擦樁，，其承載力標準值值表達式為：Rkd=upqsi*Li+qp*Ap4.復合地基的的承載力計算理論論目前有兩類方法，，一是分別確定樁樁體和樁間土的承承載力，依據(jù)一定定原則將兩者疊加加得到復合地基的的承載力，該方法法又稱為復合求和和法；另一種是復復合地基視為整體體，按整體剪切破破壞或滑動破壞來來計算復合地基的的承載力，又稱穩(wěn)穩(wěn)定分析法。（1）復合求和法法：散體樁復合地基：：仍是研究問題，，采用如下：fsp，k=fpk*m+（1-m）*fsk當fpk>=n*fsk計算式為:fsp，k=[1+m(n-1）]*fsk當fsk<=fpk/n計算式式為:fsp，k=[1+m(n-1）]/n*fsk式中：fsp，k、fpk、fsk-----分別為為復合地基、樁體體和樁間土承載力力標準值；m----樁土面面積置換率；n----樁土應應力比。對于柔性樁復合地地基：fsp，k=fpk*m+（1-m）*fsk-----樁間土土承載力折減系數(shù)數(shù)，摩擦型樁取0.5~1.0,對摩擦支支撐型樁取0.1~0.4。對剛性樁復合地基基：fsp，k=N*Rdk/A+*As/A*fskN----基礎下下樁數(shù)；Rdk----單樁承載載力標準值；A----基礎面面積；As----樁間土面面積；----樁間土承承載力折減系數(shù)，，取0.8~1.0。另一計算方法：fsp，k=*[1+m(n-1）]*fsk式中-----樁間土土承載力折減系數(shù)數(shù)，一般取0.8；（2）穩(wěn)定分析法法：通常采用圓弧分析析法，假定圓弧滑滑動面經(jīng)過加固區(qū)區(qū)和未加固區(qū)，在在滑動面上的總滑滑動力矩為Ms，總抗滑力矩為MR，則沿滑動面發(fā)生生破壞的安全系數(shù)數(shù)為：K=MR/Ms取不同的滑動面面進行計算，找找出最小的安全全系數(shù)值；判斷斷其穩(wěn)定性，確確定地基承載力力；易可按確定定的荷載計算安安全系數(shù)；由此此確定地基的承承載力。5.復合地地基變形分析研研究通常把復合地基基沉降量分為兩兩部分:即加加固區(qū)變形量和和加固區(qū)下臥層層變形量。分析析加固區(qū)：（1）復合模量量法：把樁體和和樁間土視為一一復合體，采用用復合模量：Epsi=m*Epi+（1-m）*Esi或Epsi=[1+m（（n-1）]*Esi式中Epi、Esi----分別為為第I層樁體、、樁間土的壓縮縮模量。（2）應力修正正法：由于樁體體的模量比樁間間土模量大，使使作用在樁間土土上的應力小于于復合地基的平平均應力。采用用應力修正法計計算變形時，根根據(jù)樁間土分擔擔的荷載，用分分層總和法計算算加固區(qū)土層的的變形量，表達達式為：S=psi/Esi*Hi=spi/Esi*Hi式中psi----天然地地基在荷載作用用下第I層土上上的附加應力增增量；pi----復合地地基中第I層樁樁間土中的附加加應力增量；s----修正系系數(shù)。（3）樁身壓縮縮量法：若樁體體不會發(fā)生樁底底刺入下臥層的的沉降變形，則則可通過此法計計算。若樁側摩擦阻力力為均勻分布，，樁底端承載強強度為q，則樁樁身壓縮量為：：S=L（up*q+qp）/（2*Ep）式中q----復合地地基荷載強度；；qp----樁底端端承載力強度；；L----樁身身長，等于加固固區(qū)厚度。up----樁周長長；Ep----樁的壓壓縮模量。復合地基變形現(xiàn)現(xiàn)場靜載荷試驗驗結果分析天天然地基與單樁樁復合地基對比比0100200300400500051015202530沉降量s(mm)上部載荷(kN)????????四樁復合地基變變形試驗第3節(jié)組合型型復合地基技術術理論近十多年來，地地基處理技術得得到了極大發(fā)展展。其主要表現(xiàn)現(xiàn)為多種地基處處理方法的綜合合運用。許多工程實踐證證明，當巖土工工程條件較為復復雜或建筑物對對地基要求較高高時，采用單一一的地基處理方方法處理地基，，往往滿足不了了設計要求或造造價較高，而由由兩種或多種地地基處理措施組組成的綜合處理理方法很可能是是最佳選擇。組合型復合地基基是該領域近年年來的研究熱點點,針對復雜的的地層條件和工工程需要,各各類組合方式的的合理設計和實實施都需要理論論支持.一、組合型復合合地基分類1、雙向復合合地基雙向(豎橫向增增強體亦即樁-網(wǎng))復合地基基的概念，是指指通過在地基中中聯(lián)合設置豎向向和水平向增強強體而形成的新新型復合地基。。其特點是設計時時認為雙向復合合地基的豎向和和水平向增強體體在荷載作用下下共同承擔荷載載的作用。水平向增強體不不僅可以使荷載載均勻地作用于于豎向增強體及及樁間土上，而而且設計時認為為其參與承擔荷荷載作用，是復復合地基承載能能力的來源。在在近年國內(nèi)外的的工程實踐中，，已有將此法成成功地應用于軟軟土地基處理的的工程實例。雙向復合地基組組成結構示意圖圖2、組合樁型型復合地基組合樁型復合地地基符合《建筑筑地基處理技術術規(guī)范》(JGJ79-2002)基本規(guī)規(guī)定。目前，此類復合合地基仍處于嘗嘗試、試驗研究究階段，尚無相相應的國家規(guī)范范，其名稱叫法法各異。如組合合型復合地基、、多元復合地基基、混合樁型復復合地基等?？伎紤]其加固機理理及設計理念，，長短樁復合地地基也應納入此此類。基本定義為：組組合樁型復合地地基是指由兩種種或兩種以上不不同類型的樁（（包括長短樁））與樁間土組成成的復合地基。。通常將樁身強度度較高的樁稱為為主樁(或強樁樁)，將強度較較低的樁稱為次次樁(或弱樁)。組合樁型復合地地基的類型很多多，有剛性長短短樁組成的復合合地基，剛性樁樁與柔性樁形成成的復合地基，，剛性樁與散體體材料樁形成的的復合地基，柔柔性樁與散體材材料樁形成的復復合地基。組合樁型復合地地基組成圖二、組合樁復合合地基理論1、水泥土組合合樁復合地基水泥土組合樁樁樁作為一個新興興事物，還沒有有一個統(tǒng)一的名名字，大體上存存在如下一些名名字：加芯材水水泥土樁、加芯芯水泥土復合樁樁、混凝土芯水水泥土攪拌樁、、剛芯水泥土攪攪拌樁、組合樁樁、水泥土攪拌拌組合樁、夾芯芯樁、水泥土組組合樁、勁芯水水泥土組合樁、、加芯攪拌樁。。適用于處理正常常固結的淤泥與與淤泥質土、粉粉土、飽和黃土土、素填土、粘粘性土、松散砂砂土等地基,通通過將小直徑剛剛性芯樁壓入水水泥土攪拌樁樁樁體內(nèi),或在水水泥土樁體內(nèi)成成孔并澆筑混凝凝土或鋼筋混凝凝土,形成由剛剛性芯樁外包水水泥土形成的組組合樁體結構,芯樁與水泥土土共同工作承受受上部荷載。特點是：芯樁強強度高,對樁樁身抗壓有利,外包水泥土土價廉,與土土的接觸面積大大,對樁周側側阻力增加有利利。樁體上部的荷載載傳給芯樁,芯芯樁通過水泥泥土與芯樁之間間的粘結力傳給給水泥土,然然后再傳給地基基土,這樣從從芯樁到土體通通過水泥土的過過渡形成了強、、中、弱的漸變變過程,形成成一種中間強度度高外圍強度低低的合理的樁身身結構。提前制作樁芯水泥土攪拌樁施施工插入預制樁芯進行樁體體養(yǎng)護、、成樁樁身應力力計算分分析結果果水泥土組組合樁組組合方式式力學分分析1．在滿滿足外樁樁長度大大于內(nèi)芯芯長度下下，隨著著內(nèi)芯樁樁徑的減減小，可可承擔的的最大荷荷載在減減小，樁樁芯位移移也在減減小。由由于內(nèi)芯芯的強度度高于外外樁，因因此內(nèi)芯芯半徑的的減小導導致了整整體強度度的減小小，最終終最大荷荷載減小小了。2．在滿滿足外樁樁長度等等于內(nèi)芯芯長度下下，隨著著內(nèi)芯樁樁徑的減減小，最最大荷載載在減小小，樁芯芯位移略略有增大大。分析析其中的的原因，，是因為為內(nèi)芯的的材料強強度要高高，半徑徑減小導導致了最最大承荷荷減小；；另一方方面，由由于內(nèi)芯芯的長度度與外樁樁長度相相同，在在樁端處處，內(nèi)芯芯很容易易從外樁樁中拖出出，導致致了樁芯芯處的位位移增大大。3．在滿滿足外樁樁長度小小于內(nèi)芯芯長度下下，隨著著內(nèi)芯樁樁徑的減減小，最最大荷載載在減小小，樁芯芯位移增增大。分分析其原原因，與與第一條條規(guī)律類類似，另另外該組組合樁人人為增加加了一個個軟弱面面，使得得強度減減?。挥捎捎趦?nèi)芯芯樁徑的的減小，，而且芯芯樁長度度直接到到達深部部土體，，這就導導致一個個細樁的的刺入效效應，導導致樁芯芯的位移移顯著增增大。4．內(nèi)芯芯與外樁樁的長度度相同時時的最大大承載力力要明顯顯小于其其他的情情況。分分析原因因，就是是由于內(nèi)內(nèi)芯長度度與外樁樁長度相相同，在在樁端處處，內(nèi)芯芯的底端端沒有較較強材料料的阻擋擋，內(nèi)芯芯很容易易從外樁樁中拖出出，導致致了樁芯芯處的位位移增大大；內(nèi)芯芯與外樁樁的組合合方式實實際上是是增加了了一個軟軟弱界面面（其強強度明顯顯要小于于內(nèi)芯樁樁與外樁樁的材料料強度））。5．在所所承受的的最大荷荷載上，，內(nèi)芯長長度小于于外樁長長度的情情況要優(yōu)優(yōu)于內(nèi)芯芯長度大大于外樁樁長度的的情況，，當然位位移也略略有增大大。2、長短短組合樁樁作用分分析試驗場區(qū)區(qū)內(nèi)地質質情況如如下：1)素素填土（（Q4ml）：：黃褐色色、灰色色，主要要由亞黏黏土、砂砂土組成成，局部部含少量量碎石塊塊。稍濕濕、松散散。此層層未露于于地表，，層頂和和層底標標高為5.6m和3.5m，，厚度為為2.1m。2)淤淤泥（Q4me）：此此層主要要揭露為為淤泥，，局部相相變成淤淤泥質亞亞黏土、、淤泥質質粉砂，，局部夾夾薄層亞亞黏土。。層頂和和層底標標高為3.5和和-13.2，，層厚為為16.7m。。該層土土質為深深灰色、、灰黑色色，含有有機質，，具臭味味，層間間常夾薄薄層線狀狀粉細砂砂，局部部可見少少量貝殼殼碎片、、腐木或或腐植物物。飽和和，流塑塑。3)亞亞黏土(Q3al):淺灰灰色、褐褐黃色、、灰黃色色，可塑塑。層頂頂和層底底絕對標標高為-13.2～-15.4，層層厚為2.2m。表4.2靜靜載試驗驗樁長組組合Table4.1Theunionofloadingtestsite編號長長樁（（m）短短樁（m）樁樁間距距（m））Ⅰ1181.5Ⅱ13101.5Ⅲ15121.5試驗區(qū)域域選擇在在23號號路一個個25m×6m的方形形區(qū)域，，組合樁樁間隔布布置，組組合樁均均采用正正方形布布置，樁樁徑500mm，樁心心距1500mm，單樁復合合地基四四樁樁復合地地基長短攪拌拌樁復合合地基的的承載力力計算可可用式4-15表示，，但是式式4-15中參參數(shù)較多多，物理理意義明明確，但但在工程程實踐中中不利于于應用，，故可對對其進行行轉化為為下式：：（4-19）式中：fspk——長短短樁復合合地基承承載力特特征值，，kPa；－攪拌樁樁復合地地基樁體體承載力力修正系系數(shù)；－攪拌樁樁復合地地基樁間間土承載載力修正正系數(shù)。。m——樁樁體置換換率；實測樁頂頂及樁間間土應力力～荷載載曲線1）對于樁長長為12m的的單樁復合地地基，隨著上上部載荷的不不斷增加，樁樁頂應力基本本上呈現(xiàn)直線線上升的趨勢勢當荷載達到到500kN以后，樁頂頂應力出現(xiàn)下下降的趨勢，，這說明樁頭頭已經(jīng)被壓壞壞，上部載荷荷逐漸向樁間間土體轉移。。相比樁頂應應力而言，樁樁間土體的應應力變化雖然然也一直都在在增加，但是是增加的幅度度要小的多。。2）從四樁復復合地基的樁樁土應力隨荷荷載變化曲線線很明顯地發(fā)發(fā)現(xiàn)，載荷試試驗過程中，，隨著荷載的的增大，組合合樁樁頂應力力增大速率是是不一樣的，，反映在曲線線上則表現(xiàn)為為曲線出現(xiàn)交交點。加載初初期，長樁樁樁頂?shù)膽Χ级家榷虡兜牡臉俄攽π⌒?，隨著荷載載的不斷增大大，長樁的樁樁頂應力逐漸漸超過短樁樁樁頂應力。在在上部荷