作用机理和破坏模式

7.2.2　作用机理和破坏模式

1）作用机理

不论何种复合地基，都具备以下一种或多种作用，它们是桩体作用、垫层作用、加速固结作用、挤密作用和加筋作用。

（1）桩体作用

由于复合地基中桩体的刚度较周围土体为大，在荷载作用下，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少。这样就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）垫层作用

调整桩土应力，减小底面应力集中，较好地发挥桩间土的作用。桩与桩间土复合形成的复合地基或称复合层，由于其性能优于原天然地基，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）加速固结作用

除碎石桩、砂桩具有良好的透水特性，可加速地基的固结外，水泥土类和混凝土类桩在某种程度上也可加速地基固结。

（4）挤密作用

如砂桩、土桩、石灰桩、砂石桩等在施工过程中由于振动、挤压、排土等原因，可使桩间土起到一定的密实作用。如图7.2所示，陈环（1990）给出了桩间土强度因振冲碎石桩加固而增加的百分数ΔR／R（R为天然土强度，ΔR为强度增加值）随土性变化的曲线。

图7.2　振冲碎石桩对各种土的加固效果

（5）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。目前在国内的深层搅拌桩、粉体喷搅桩和旋喷桩等已被广泛地用作基坑开挖时的支护。在国外，对碎石桩和砂桩常用于高速公路等路基或路堤的加固，这都利用了复合地基中桩体的加筋作用。

2）破坏模式

复合地基中，桩体存在四种可能的破坏模式，如图7.3所示。

图7.3　复合地基中桩体可能的破坏模式

但是这种“可能”是相对的，主要表现为：

（1）对于不同的桩型，有不同的破坏模式。如碎石桩可能的破坏模式是鼓胀破坏，而CFG短桩则是刺入破坏。

（2）对于同一桩型，当其桩身强度不同时，也会有不同的破坏模式。当水泥土搅拌桩的水泥掺入量较小（a_w＝5%）时，水泥土轴向应变很大（4%～9%），应力才达到峰值并产生塑性破坏，此后在较大应变范围内缓慢下降，这就表现了桩体鼓胀破坏的特性。但当a_w＝15%时，水泥土在较小应变的情况下应力就达到峰值，随即发生脆性破坏，这又类似于桩体整体剪切破坏的特性，以上两种均使桩体浅层发生破坏。黄自彬等人（1990）通过深层搅拌单桩载荷试验中多点位移测试资料，以及现场开挖的桩身破坏状态证明了上述观点，即桩体破坏主要发生在（3～5）D（D为桩径）范围内。然而当桩体为高水泥含量（a_w＝25%）时，水泥土变形及膨胀量均很小。为此，这种高强度的水泥土桩体在下卧软弱土层就会发生刺入破坏。林琼等人（1991）也通过室内模型试验得出与此类似的结论，即当桩体水泥掺入量较小（a_w＝10%）时，桩的承载力基本上与桩长无关，而当掺入量较大（a_w≥20%时）桩的承载力随桩长的增加而提高。

（3）对于同一桩型，当土层条件不同时，也将发生不同的破坏模式。对浅层存在有非常软的黏土情况（图7.4（a）），碎石桩将在浅层发生剪切或鼓胀破坏；对较深层存在有局部非常软的黏土情况（图7.4（b）），碎石桩将在较深层发生局部鼓胀；对较深层存在有较厚非常软的黏土情况（图7.4（c）），碎石桩将在较深层发生鼓胀破坏，而其上的碎石桩将发生刺入破坏。实际上，对水泥土桩也存在类似问题，因为对相同水泥掺入量的桩体，当其处于不同土层中其桩身强度也是不同的。

图7.4　非均质黏性土中碎石桩破坏机理

综上所述，由于复合地基的破坏模式比较复杂，一般可认为取决于桩体和桩间土的破坏特性，其中桩体的破坏特性是主要的。对散体土类桩复合地基，由于桩和桩间土的模量和破坏时应变值等一般相差不大，往往近乎同时进入破坏状态；对水泥土类桩复合地基，由于水泥土的模量较大，破坏应变较小，在同等应变条件下，水泥土桩率先进入破坏状态（图7.5）。但在工程实践中，搅拌桩载荷试验有时存在着二次屈服现象，如图7.6所示，叶观宝等人（1992）认为，在荷载施加的前一阶段，桩承担了较大的荷载，并首先进入屈服状态，即出现第一次屈服，此后施加的荷载将主要由桩间土承担，直至桩间土进入屈服状态，即出现第二次屈服，此时复合地基进入极限状态。

图7.5　水泥土桩体与桩间土应力应变关系

图7.6　复合地基的二次屈服现象