复合地基加固法

复合地基加固法

第一节复合地基基本理论

一、复合地基的定义和分类

（一）定义

复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到加强或被置换，或在天然地基中设置加筋材料。加固区是由基体（天然地基土体或被改良的天然地基土体）和增强体两部分组成的人工地基。在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载。根据地基中增强体方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基（桩体复合地基）。

复合地基通常由桩（增强体）、桩问土（基体）和褥垫层组成（如图5 -1所示）。

（二）桩体复合地基分类

桩体复合地基可以根据其增强体的不同特性进行分类如下：

1、按增强体材料：分为散体材料（砂石、矿渣、渣土等）、石灰、灰土、水泥土、混凝土及土工合成材料等。

2、按增强体黏结性：分为无黏结性（散体材料）和黏结性两大类，其中黏结性的又可根据黏结性的大小分为：低黏结强度（石灰、灰土等）、中等黏结强度（水泥土）、高黏结强度（混凝土、CFG桩等）。

3、按增强体相对刚度：分为柔性（如石灰、灰土）、半刚性（水泥土）、刚性（混凝土、CFG桩等）。

4、按增强体方向：分为竖向、斜向和水平向（如加筋土复合地基）三种。

5、按增强体形式：分为单一型（桩身材料、断面尺寸、长度相同）（如图5-1a所示）、复合型（如混凝土芯水泥土组合桩复合地基）（如图5-2a所示）、多桩型（如碎石——CFG 桩复合地基等）（如图5—2b所示）、长短桩结合型（如图5-2 c所示）。

上述分类疗法汇总见表5-l。

对于增强体刚度及黏结性大小的划分，目前工程上尚无统一的定量标准，上述定性划分原则仅供参考。如水泥土桩，桩身刚度及黏结性会因桩身水泥土强度不同而有较大变化，当水泥掺入量较低时，可能属于低黏结强度的柔性桩，而对于高强度的水泥土，力学特性又会接近于低标号混凝土，亦有文献将散体材料桩并入柔性桩进行分析，或将灰土桩、生石灰桩等低黏结强度桩视为散体材料桩。

按照复合地基增强体工程特性进行的分类表5-1

续表

注：桩的刚柔是相对的，不能只由桩体模量确定。桩的刚柔主要与桩土模量比和桩的长细比有关，可按桩土相对 刚度来进行分类。桩土相对刚度可按下式计算：

p

r K l 式中E p ——桩体压缩模量（MPa ）；

G s ——桩间土剪切模量（MPa ）；

l p ——桩长（m ）；

r ——桩体半径（m ）。

有人建议当K 大1时可视为刚性桩，小于1时可视为柔

性桩。在工程上刚性桩和柔性桩没有严格的界限。

（三）褥垫层

桩和桩间土出调变形，桩间土始终处于受力状态，桩和桩间土共同承担荷载是形成复合地基的必要条件。

散体材料桩由于受荷后产生鼓胀变形，可保证桩和桩间土共同受力；对于刚性桩及半刚性桩，应设置褥垫层，以保证桩、土共同作用。

1．刚性基础下复合地基褥垫层的作用

（1）具有应力扩散作用，减少基础底面的应力集中。

（2）调整桩、土垂直荷载和水平荷载的分担，如CFG 桩，褥垫层越厚，桩所承担的垂直和水平荷载占总荷载的百分比越小。

（3）排水固结作用：砂石垫层具有较好的透水性，可以起到水平排水的作用，有利于施工后土层加快固结，土的抗剪强度增长。

（4）保证桩间土受力：对于刚性桩和半刚性桩，桩体变形模量远大于土的变形模量，设置褥垫层可以通过流动补偿和桩的上刺入来调整基底压力分布，使荷载通过垫层传到桩和桩间土上，保证桩间土承载力的发挥．并可改善桩体上端受力状态。

（5）整平增密：对于散体材料桩，桩顶往往密实度较差，设置褥垫层可整平增密、改善桩顶受力状况及施工条件。

2．设置要求

为了充分发挥褥垫层的上述作用，工程巾要保证合理的褥垫层厚度，厚度太小，桩间土承载力不能充分发挥，桩对基础将产生显著的应力集中，导致基础加厚，造成经济上的浪费；厚度太大，会导致桩土应力比减小，桩承担荷载减小，增强体的作用不明显，复合曲基承载力提高不明显，建筑物变形也大，所以要确定合理的、最佳的褥垫层厚度，根据工程经验，常用褥垫层厚度为200～300mm，垫层材料以砂石料为主，应夯压密实。其夯填度（夯实厚度与虚铺厚度比值）不应大于0.90。柔性基础（如路堤）复合地基，应设置刚度大的垫层，如土工格栅加筋垫层。为防止褥垫层侧向挤出，基础底面两侧褥垫尺寸应适当加宽，每边超出基础外边缘的宽度宜为200～300mm。当混凝土基础下复合地基桩土相对刚度较小，或桩体强度足够时，也可不没褥垫层，如石灰桩复合地基。

二、复合地基加固机理和破坏模式

（一）加固机理（效用）

复合地基中桩间土的性状不同，桩体材料不同，成桩工艺不同，复合地基的加固机理也不相同，了解复合地基的加固机理，对认识复合地基，选择合理的处理方法和施工工艺都是很重要的。综合各种桩型的复合地基的加固机理，主要有以下8个方面：

1．置换作用（桩体效应）

复合地基中桩体的强度和模量比桩问土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间土表面应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层巾传递并相应减少了桩间土承担的荷载。这样，由于桩的作用使复合地基承载力提高、变形减小，工程中称之为置换作用或桩体效应。

工程实践表明，复合地基置换作用的大小，主要取决于桩体材料的组成。散体桩置换作用最小．高黏结强度桩置换作用最大。散体桩，增加桩的长度，对复合地基置换作用影响不大；黏结强度桩，特别是高黏结强度桩，加大桩长可使复合地基置换作用明显提高。

2．垫层作用

桩与桩间土复合形成的复合地基，在加固深度范围内形成复合层，它可起到类似垫层的换土、均匀地基应力和增大应力扩散角等作用，在桩体没有贯穿整个软弱土层的地基中，垫层的作用尤其明显。

3．挤密、振密作用

对松散填土、松散粉细砂、粉土，采用非排土和振动成桩工艺，可使桩间土孔隙比减小、密实度增加，提高桩间土的强度和模量。如振动沉管挤密砂石桩、振冲碎石桩、振动沉管CFG桩、柱锤冲扩桩等，对上述类型的士具有挤密、振密效果。处在地下水位以上的湿陷性黄土、素填土等地基采