复合地基的概念

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1.复合地基的类型

自1962年国外首次开始使用“复合地基”一词以来，复合地基已成为很多地基处理方法的分析及理论公式建立的基础和依据。它已广泛地应用于如碎石桩、砂桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩、石灰桩、树根桩和CFG桩等加固地基的理论分析中。近年来，复合地基的研究已引起国内外岩土工程界的重视。

复合地基是指由两种刚度(或模量)不同的材料(桩体和桩间土)所组成，在相对刚性基础下，两者共同分担上部荷载并协调变形(包括剪切变形)的人工地基。

图7-1 复合地基与桩基受力特性对比

复合地基属于地基范畴，而桩基属于基础范畴，两者间有内在联系，但又有本质区别。二者都是采用以桩的形式处理地基，但复合地基中桩体与基础往往不是直接相连的，它们之间通过垫层来过渡;而桩基中桩体与基础直接相连，两者形成一个整体。因此，它们的受力特性也存在着明显差异。如图7-1所示，复合地基的主要受力层在加固体范围内，而桩基的主要受力层是在桩尖以下一定范围内。

复合地基犹似钢筋混凝土，其中地基中的桩体犹如混凝土中的钢筋。它的实质就是考虑桩、土的共同作用，这比仅仅认为荷载由桩体来承担要经济和合理。

在复合地基的桩和桩间土中，桩的作用是主要的，而地基处理中桩的类型较多，性能变化较大。复合地基的类型一般按桩的类型进行划分，按成桩所采用的材料不同，可分为:

1)散体材料桩复合地基，如碎石桩复合地基、砂桩复合地基、矿渣桩复合地基等;

2)柔性桩复合地基，如水泥土搅拌桩复合地基、旋喷桩复合地基、灰土桩复合地基等;

3)刚性桩复合地基，如树根桩复合地基、CFG桩复合地基等。

2.复合地基的作用

复合地基的作用机理主要有以下几种。

(1)桩体作用

复合地基中桩的刚度较周围土体大，在刚性基础下等量变形时，桩体上产生应力集中现象，大部分荷载将由桩体承担，桩间土上应力相应减小，从而使得复合地基承载力较原地基有所提高，沉降量有所减少。随着桩体刚度增加，其桩体作用发挥得更加明显。

(2)加速固结作用

碎石桩、砂桩具有良好的透水特性，可加速地基的固结。另外，水泥土类和混凝土类桩在某种程度上也可加速地基固结。因为地基的固结不仅与地基土的排水性能有关，而且还与地基的变形特性有关。水泥土类桩会降低地基土的渗透系数，但它也会减少地基土的压缩系数，而且压缩系数的减少幅度比渗透系数的减少幅度要大，因而使加固后的水泥土的固结系数大于加固前原地基土的系数，起到加速固结的作用。

(3)挤密作用

砂桩、土桩、石灰桩、碎石桩等在施工过程中由于振动、挤压、排土等原因，可对桩间土起到一定的密实作用。另外，采用生石灰桩时，由于生石灰具有吸水、发热和膨胀等作用，对桩间土同样起到挤密作用。

(4)加筋作用

各种桩土复合地基除了可提高地基的承载力外，还可用来提高土体的抗剪强度，增加土坡的抗滑能力。如用于基坑开挖时的支护、路基或路堤的加固等，都利用了复合地基中桩体的加筋作用。

图7-2 复合地基破坏模式

3.复合地基的破坏形式

复合地基的破坏形式可分为三种情况:第一种是桩间土首先破坏进而发生复合地基全面破坏;第二种是桩体首先破坏进而发生复合地基全面破坏;第三种是桩体和桩间土同时发生破坏。在实际工程中，第一种、第三种情况较少见，一般都是桩体先破坏，继而引起复合地基全面破坏。复合地基破坏的模式可分成四种形式:刺入破坏、鼓胀破坏、整体剪切破坏和滑动破坏，如图7-2所示。

桥梁基础分类及修建方法：

1、明挖基础

也称扩大基础，系由块石或混凝土砌筑而成的大块实体基础，其埋置深度可较其他类型基础浅，故为浅基础。它的构造简单，由于所用材料不能承受较大的拉应力，故基础的厚、宽比要足够大，使之形成所谓刚性基础，受力时不致产生挠曲变形。为了节省材料，这类基础的立面往往砌成台阶形，平面将根据墩台截面形状而采用矩形、圆形、T形或多边形等。建造这种基础多用明挖基坑的方法施工。在陆地开挖基坑，将视基坑深浅、土质好坏和地下水位高低等因素，来判断是否采用坑壁支持结构──衬板或板桩。在水中开挖则应先筑围堰。

明挖基础适用于浅层土较坚实，且水流冲刷不严重的浅水地区。由于它的构造简单,埋深浅，施工容易,加上可以就地取材，故造价低廉，广泛用于中小桥涵及旱桥。中国赵州桥就是在亚粘土地基上采用了这种桥基。

2、桩基础

由许多根打入或沉入土中的桩和连接桩顶的承台所构成的基础。外力通过承台分配到各桩头，再通过桩身及桩端把力传递到周围土及桩端深层土中，故属于深基础。

桩基础适用于土质深厚处。在所有深基础中，它的结构最轻，施工机械化程度较高，施工进度较快，是一种较经济的基础结构。有些桥梁基础要承受较大的水平力，如桥墩基础要承受来自左右方向的水平荷载，其桩基多采用双向斜桩；而一些梁式桥的桥台主要承受来自一侧的土压力，多采用单向斜桩。如桩径很大，像常用的大直径钻孔桩，具有相当大的刚度，则可不加斜桩而做成垂直桩基。

桥梁基础多置于水中，故要求桩材不仅强度高，而且要耐腐蚀。在桥梁中常用的桩材为木材、钢筋混凝土和钢材。由于木材长度有限，强度和耐腐蚀性较低，故木桩多用于中小桥梁，且桩顶必须埋在低水位以下，才能长期保存。钢筋混凝土桩的强度和耐久性均较木桩为优，多用于较大或重要桥梁，但当遇到含盐量较高的水文地质条件，也有腐蚀问题，应采取防护措施。中国在1908～1912年修建津浦（天津—浦口）铁路洛口黄河桥时，其基础就采用了外接圆直径为50厘米的正五边形钢筋混凝土预制桩，桩长15～17米。自50年代以后，曾广泛采用工厂预制的钢筋混凝土空心的管桩、桩外径多为40和55厘米，如1953～1954年在武汉修建的汉水铁路桥和公路桥，以及60年代修建的南京长江桥引桥的大部分基础均采用这种桩基。此外,钢筋混凝土钻孔灌注桩(也称钻孔桩),近几十年在世界范围内发展很快，如1972年在中国山东北镇建成的黄河公路桥,采用直径1.5米、最大入土深达107米的钢筋混凝土钻孔桩;70年代末在阿根廷建成跨巴拉那河的两座斜张桥,全部采用直径达2.0米，最大入土深达73米的钢筋混凝土钻孔桩。至于钢桩主要是钢管桩及H形钢桩,其强度甚高,在土中穿透能力强,在工业发达国家使用较多，在中国有少数桥梁（如上海黄浦江桥）也使用过。

3、沉井基础

是一种古老而且常见的深基础类型，它的刚性大，稳定性好，与桩基相比，在荷载作用下变位甚微,具有较好的抗震性能,尤其适用于对基础承载力要求较高，对基础变位敏感的桥梁。如大跨度悬索桥、拱桥、连续梁桥等。

4、沉箱基础

在桥梁工程中主要指气压沉箱基础。它主要用于大型桥梁，当水下土层中有障碍物而沉井无法下沉，桩无法穿透时；或地基为不平整的基岩且风化严重，需要人员直接检验或处理时，常采用沉箱基础。但沉箱工程需要复杂的施工设备，人在高气压下工作，既不安全,效率也低，其水下下沉深度也受到一定限制,故现今一般较少采用。

5、管柱基础

是主要用于桥梁的一种深基础，管柱外形类似管桩，其区别在于：管柱一般直径较大，最下端一节制成开口状，在一般情况下，靠专门设备强迫振动或扭动，并辅以管内排土而下沉，如落于基岩，可以通过凿岩使锚固于岩盘；而管桩直径一般较小，桩尖制成闭合端，常用打桩机具打入土中，一般较难通过硬层或障碍，更不能锚固于基岩。大型管柱的外形又类似圆形沉井，但沉井主要是靠自重下沉，其壁较厚，而管柱是靠外力强迫下沉，其壁较薄。

管柱基础适用于较复杂的水文地质条件，尤其在某些特殊条件下，更能显示其广泛适应性。如中国武汉长江桥桥址的水文地质条件为：持力层在水面之下深达40米而洪水期长达8个月,显然对气压沉箱不利；河床覆盖层很浅，不能用管桩基础；基岩表面不平，在同一墩位处高差达5～6米，也不能用沉井基础。在此情况下，以管柱基础最为适宜，它不受水深限制，且下端可锚固于岩盘，无需较厚的覆盖层维持柱体稳定，而基础是由分散的柱体支承于岩面，故岩面不平也易于处理。

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