土木基础工程课件--第五章地基处理第二讲

5.3复合地基5.3.1复合地基的概念与分类5.3.2复合地基的作用机理5.3.3复合地基的破坏模式5.3.4复合地基的有关设计参数5.3.5复合地基承载力的确定5.3.6复合地基变形计算9/16/2021基础工程课件 发展概况复合地基（CompositeFoundation）一词,国外最早见于1962年。复合地基的概念已成为很多地基处理方法的理论分析及公式建立的基础和根据。它已广泛地运用于如碎石桩、砂桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩和石灰桩等加固地基的理论分析中。初期后来主要指天然地基中设置碎石桩而形成的碎石桩复合地基深层搅拌法和高压喷射注浆法的应用，人们开始重视水泥土桩复合地基的研究9/16/2021基础工程课件 ?复合地基定义的争论复合地基是指两种刚度（或模量）不同的材料（桩体和桩间土）所组成，在相对刚性基础上两者共同分担上部荷载并协调变形（包括剪切变形）的地基。砂石桩复合地基或水泥土桩复合地基根据桩体的刚度桩体与基础不相连与桩体刚度无关桩和桩间土共同承担荷载根据其工作状态9/16/2021基础工程课件 5.3.1复合地基的概念与分类一、复合地基的概念：指天然地基在地基处理过程中部分土体被增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区由基体（天然地基土体）和增强体两部分组成的人工地基。二、复合地基的两个基本特点：1.加固区是由增强体和其周围地基土两部分组成，是非均质和各向异性的；9/16/2021基础工程课件 2.增强体和其周围地基土体共同承担荷载并协调变形。9/16/2021基础工程课件 9/16/2021基础工程课件 三、复合地基的分类与形成条件（1）根据地基中增强体的方向可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。均质人工地基水平向增强复合地基竖直向增强复合地基9/16/2021基础工程课件 （2）根据复合地基工作机理可作下述分类：复合地基常用的形式水平向增强复合地基竖直向增强复合地基斜向增强复合地基长短桩复合地基9/16/2021基础工程课件 地基——复合地基——桩基的区别天然地基复合地基桩基础9/16/2021基础工程课件 四、我国复合地基技术发展：1990年河北承德，由中国建筑学会地基基础专业委员会黄熙龄院士主持召开了我国第一次以复合地基为专题的学术讨论会。应用领域高等级公路房屋建筑铁路堆场机场堤坝9/16/2021基础工程课件 工业厂房地基9/16/2021基础工程课件 堆场水泥土搅拌桩复合地基9/16/2021基础工程课件 房屋建筑粉喷桩复合地基9/16/2021基础工程课件 水下的碎石桩复合地基9/16/2021基础工程课件 桩体作用垫层作用加速固结作用挤密作用加筋作用5.3.2复合地基的作用机理9/16/2021基础工程课件 桩体作用：复合地基是由许多独立桩体与桩周土共同作用，由于桩体的刚度比周围土体大，在刚性基础底面产生等量变形时，地基中的应力将重新分配，桩体产生应力集中而桩周土应力降低，于是复合地基承载力和整体刚度高于原地基，沉降量有所减小。垫层作用：复合地基的垫层可调节桩土相对变形，避免荷载引起桩体应力集中，有效保证桩体正常工作。9/16/2021基础工程课件 加速固结作用：散体材料桩具有良好的透水性，可加速地基的固结。挤密作用：砂石桩等在施工过程中由于振动、挤压等原因，可对桩间土起到一定的密实作用。加筋作用：通过在土层中埋设强度较大的土工合成材料、拉筋、受力杆件等达到提高地基承载力和整体刚度，减小沉降，或维持建筑物稳定的作用。9/16/2021基础工程课件 5.3.3复合地基的破坏模式刚性桩柔性桩，如石灰桩、水泥搅拌桩散体材料桩9/16/2021基础工程课件 5.3.4复合地基的有关设计参数1.面积置换率在复合地基中，取一根桩及其所影响的桩周土所组成的单元体作为研究对象。桩体的横截面面积（Ap）与该桩体所承担的复合地基面积（Ae）之比为复合地基面积置换率（m），则：式中：d-桩身平均直径；de-一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径。9/16/2021基础工程课件 过大或过小的结果？9/16/2021基础工程课件 等边三角形布桩：de=1.05s正方形布桩：de=1.13ss、s1、s2分别为桩间距、纵向间距和横向间距。2.桩土应力比在荷载作用下，设复合地基中桩体的竖向平均应力为，桩间土的竖向平均应力为，则桩土应力比n为：矩形布桩：9/16/2021基础工程课件 目前复合地基桩土应力比n的计算公式很多，但还没有一个完善的计算模式。例如模量比公式，其假定在刚性基础下，桩体和桩间土的竖向应变相等，即εp=εs。于是，桩体上竖向应力σp=Ep·εp，桩间土竖向应力σs=Es·εs，桩土应力比n的表达式为：n=σp/σs=Ep/Es式中：Ep、Es——分别为桩和桩间土的压缩模量。9/16/2021基础工程课件 3.复合压缩模量复合地基加固区由桩体和桩间土两部分组成，呈非均质。在复合地基计算中，为了简化计算，将加固区视作一均质的复合土体，则与原非均质复合土体等价的均质复合土体的模量称为复合地基的复合压缩模量（Esp）。一般按下列公式计算：或9/16/2021基础工程课件 5.3.5复合地基承载力的确定复合地基承载力一般应通过现场复合地基荷载试验确定，初步设计时也可按复合求和法估算。关于复合地基荷载试验确定复合地基承载力应按现行国家标准《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）的附录A进行。这里仅介绍计算复合地基承载力的复合求和法。复合求和法是先分别确定桩体的承载力和桩间土的承载力，再根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力。9/16/2021基础工程课件 砂石桩（散体材料桩）复合地基承载力可按下式计算：对小型工程的黏性土地基如无现场荷载试验资料，初步设计时也可按下式估算：水泥土粉煤灰碎石桩（水泥土类桩、混凝土类桩）复合地基承载力可按下式计算：9/16/2021基础工程课件 式中：fspk、fpk、fsk—分别为复合地基、桩体和桩间土承载力特征值（kPa）；Ra—单桩竖向承载力特征值（kN）；Ap—桩的截面积；—桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值。9/16/2021基础工程课件 5.3.6复合地基变形计算在各类计算复合地基变形的方法中，通常把复合地基沉降量分为两部分：复合地基加固区变形量和加固区下卧层变形量。加固区压缩量下卧层压缩量9/16/2021基础工程课件 1、加固区压缩量计算方法（1）复合模量法（Ecs法）（2）应力修正法（Es法）（3）桩身压缩量法（Ep法）2、下卧层压缩量计算方法（1）分层总和法9/16/2021基础工程课件 （2）应力扩散法该法假定复合地基顶面的荷载p在复合地基加固区内按压力扩散角传递。对于宽度为b长度为L的矩形荷载，设加固区厚度为h，则作用在下卧层顶面上的附加应力为：9/16/2021基础工程课件 对宽度为b的条形荷载，仅考虑宽度方向的扩散，则：（3）等效实体法9/16/2021基础工程课件 5.4排水固结法排水固结法：它是采用预压、降低地下水位、电渗等方法促使土层排水固结，以减少地基的沉降和不均匀沉降，提高承载力。主要用于处理软弱粘性土地基。9/16/2021基础工程课件 排水固结法加固软土地基是一种比较成熟、应用广泛的方法，它可以解决以下两个方面问题：1．沉降问题：使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成，使建筑物在使用期间不致产生较大的沉降。原理：在建筑场地上先加一个和上部结构相同的压力进行加载预压使土层固结，然后卸除荷载，再施工建筑物，可以使地基沉降减少，如进行超载预压(预压荷载大于建筑物荷载)效果将更好，但预压荷载不应大于地基土的容许承载力。9/16/2021基础工程课件 2．稳定问题：加速地基土抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。原理：饱和软粘土地基在荷载作用下，孔隙中的水慢慢排出，孔隙体积慢慢地减小，地基发生固结变形。同时，随着超静孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增长。9/16/2021基础工程课件 土层的排水固结效果和它的排水边界条件有关，粘性土固结所需的时间与排水距离的平方成正比，土层越厚，加固延续的时间越长。为加速土层的固结，最有效的方法是先增加土层的排水途径，缩短排水距离。然后分级加载预压(也可利用建筑物本身重)，使软土中孔隙加快排出水，地基土固结沉降加快完成，强度也得到相应提高，当土质条件较好时，也可在天然地基上直接加载预压。9/16/2021基础工程课件 一、砂井堆载预压法软粘土渗透系数很低，为了缩短加载预压后排水固结的历时，对较厚的软土层，常在地基中设置排水通道，使土中孔隙较快排出水。可在软粘土中设置一系列的竖向排水通道(砂井、袋装砂井或塑料排水板)，在软土顶层设置横向排水砂垫层如下图所示，借此缩短排水途程，增加排水通道，改善地基渗透性能。砂井堆载预压9/16/2021基础工程课件 砂井地基的设计1．砂井的直径和间距：砂井的直径和间距主要取决于土的固结特性和施工期的要求。从原则上讲，为达到相同的固结度，缩短砂井间距比增加砂井直径效果要好，即以“细而密”为佳，不过，考虑到施工的可操作性，普通砂井的直径为300-500mm。砂井的间距可根据地基土的固结特征和预定时间内所要求达到的固结度确定，间距可按为直径的6-8倍选用。9/16/2021基础工程课件 2．砂井深度：砂井深度主要根据土层的分布、地基中的附加应力大小、施工期限和条件及地基稳定性等因素确定。当软土不厚（一般为10-20m）时，尽量要穿过软土层达到砂层；当软土过厚（超过20m）,不必打穿粘土，可根据建筑物对地基的稳定性和变形的要求确定。对以地基抗滑稳定性控制的工程，竖井深度应超过最危险滑动面2.0m以上。9/16/2021基础工程课件 3．砂井排列：砂井的平面布置可采取正方形或等边三角形，在大面积荷载作用下，认为每个砂井均起独立排水作用。为了简化计算，将每个砂井平面上的排水影响面积以等面积的圆来代替，可得一根砂井的有效排水圆柱体的直径de和砂井间距l的关系按下式考虑：等边三角形布置正方形布置9/16/2021基础工程课件 4．砂井的布置范围：由于在基础以外一定的范围内仍然存在压应力和剪应力，所以砂井的布置范围应比基础范围大为好，一般由基础的轮廓线向外增加2-4m。5．砂料：砂料宜用中、粗砂，必须保证良好的透水性，含泥量不应超过3%，渗透系数应大于10-3cm/s。6．砂垫层：为了使砂井有良好的排水通道，砂井顶部应铺设砂垫层，垫层砂料粒度和砂井砂料相同，厚度一般为0.5m-1m。9/16/2021基础工程课件 二、袋装砂井和塑料排水板预压法用砂井法处理软土地基如地基土变形较大或施工质量稍差常会出现砂井被挤压截断，不能保持砂井在软土中排水通道的畅通，影响加固效果。近年来普通在砂井的基础上，出现了以袋装砂井和塑料排水板代替普通砂井的方法，避免了砂井不连续缺点，而且施工简便、加快了地基的固结，节约用砂，在工程中得到日益广泛的应用。9/16/2021基础工程课件 (一)袋装砂井预压法目前国内应用的袋装砂井直径一般为70-120mm，间距为1.0m-2.0m(井径比n约取15-20)。砂袋可采用聚丙烯或聚乙烯等长链聚合物编织制成，应具有足够的抗拉强度、耐腐蚀、对人体无害等特点。装砂后砂袋的渗透系数不应小于砂的渗透系数。灌入砂袋的砂应为中、粗砂并振捣密实。砂袋留出孔口长度应保证伸入砂垫层至少300mm，并不得卧倒。9/16/2021基础工程课件 袋装砂井的设计理论、计算方法基本与普通砂井相同，它的施工已有相应的定型埋设机械，与普通砂井相比，优点是：施工工艺和机具简单、用砂量少；它间距较小，排水固结效率高，井径小，成孔时对软土扰动也小，有利于地基土的稳定，有利于保持其连续性。9/16/2021基础工程课件 袋装砂井9/16/2021基础工程课件 多孔单一结构型塑料排水板复合结构塑料排水板9/16/2021基础工程课件 塑料排水板9/16/2021基础工程课件 塑料排水板施工9/16/2021基础工程课件 施工后的塑料排水板9/16/2021基础工程课件 三、天然地基堆载预压法天然地基堆载预压法是在建筑物施工前，用与设计荷载相等(或略大)的预压荷载(如砂、土、石等重物)堆压在天然地基上使地基软土得到压缩固结以提高其强度(也可以利用建筑物本身的重量分级缓慢施工)，减少工后的沉降量，待地基承载力、变形达到设计预期要求后，将预压荷载撤除，在经预压的地基上修建建筑物。此方法费用较少，但工期较长。如软土层不太厚，或软土中夹有多层细、粉砂夹层渗透性能较好，不需很长时间就可获得较好预压效果时可考虑采用，否则排水固结时间很长，应用就受到限制。此法设计计算可用一维固结理论。9/16/2021基础工程课件 四、真空预压法和降水位预压法真空预压法实质上是以大气压作为预压荷重的一种预压固结法。在需要加固的软土地基表面铺设砂垫层，然后埋设垂直排水通道(普通砂井、袋装砂井或塑料排水板)，再用不透气的封闭薄膜覆盖软土地基，使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空泵进行抽气，使其形成真空，当真空泵抽气时，先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐渐形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压力差，在此压力差作用下，土体中的孔隙水不断排水，从而使土体固结。9/16/2021基础工程课件 降低水位预压法是借井点抽水降低地下水位，以增加土的自重应力，达到预压目的。其降低地下水位原理、方法和需要设备基本与井点法基坑排水相同。地下水位降低使地基中的软弱土层承受了相当于水位下降高度水柱的重量而固结，增加了土中的有效应力。这一方法最适用于渗透性较好的砂土或粉土或在软粘土层中存在砂土层的情况，使用前应摸清土层分布及地下水位情况等。9/16/2021基础工程课件