8.2 复合地基的形成条件
前面已经谈到，在荷载作用下，增强体和地基土体共同承担上部结构传来的荷载，这是复合地基的本质。然而如何设置增强体以保证增强体与天然
地基土体能够共同承担上部结构荷载是有条件的，这也是在地基中设置增强体能否形成复合地基的条件。在荷载作用下，增强体与天然地基土体通过变形协调共同承担荷载作用是形成复合地基的基本条件。在图8.2.1a）和b）中Ep>Es1，Ep>Es2，其中Ep为桩体模量，Es1为桩间土模量，图8.2.1a）中Es2为加固区下卧层土体模量，图8.2.1 b）中Es2为加固区垫层土体模量。当增强体为散体材料桩，图8.2.1中各种情况均可满足增强体和土体共同承担上部荷载，因为散体材料桩在荷载作用下产生侧向鼓胀变形。当增强体为粘结材料桩时情况就不同了。在图8.2.1a）中，在荷载作用下，桩和桩间土沉降量相同，可保证桩和土共同承担荷载。在图8.2.1b）中，通过垫层的协调，也可保证桩和桩间土共同承担荷载。刚性基础下的垫层是散体材料组成，且具一定厚度，因此在图8.2.1a）和b）中，在承台传递的荷载作用下，通过增强体和桩间土体变形协调可以达到增强体和桩间土体共同承担荷载作用，形成复合地基。图8.2.1c）中，Ep>Es1，在承台荷载作用下，开始时增强体和桩间土体中竖向应力大小大致上按两者的模量比分配，但是随着土体产生蠕变，土中应力不断减小，而增强体中应力逐渐增大，荷载向增强体上转移；若Ep>>Es1，桩间土承担的荷载比例极小，特别是若遇地下水位下降等因素，桩间土体进一步压缩，桩间土可能不再承担荷载。在这种情况下增强体与桩间土体难以形成复合地基共同承担上部荷载。在实际工程中，为了有效减小沉降，复合地基中增强体设置一般都穿透最薄弱土层，落在相对好的土层上，如图8.2.1d）所示。如何保证增强体与桩间土体形成复合地基共同承担上部荷载是设计中应该注意的。图8.2.1d）中，Ep>Es1，Es2> Es1，工程师应重视Ep、Es1和Es2之间的关系，以保证在荷载作用下通过桩体和桩间土变形协调来保证桩和桩间土典同承担荷载。因此采用粘结材料桩，特别是采用刚性桩形成复合地基需要重视复合地基的形成条件。在实际工程中不能满足形成复合地基的条件，而以复合地基进行设计是不安全的，在这种情况下高估了桩间土的承载能力，降低了复合地基的安全度，可能造成工程事故，应引起设计人员充分重视。
顺便指出，理论研究和试验研究表明，如图8. 2.1 b）中所示基础和复合地基加固区之间设置垫层不仅可保证各类增强体与桩间土形成复合地基共
同承担上部荷载，而且可以有效改善复合地基中浅层的受力状态，如减小桩土荷载分担比、提高桩间土的抗剪强度、提高增强体承受竖向荷载的能力等。
图8.2.1 复合地基形成条件示意图
8.3 复合地基与复合桩基
在深厚软粘土地基上按桩基理论设计摩擦桩基础时，为了节省投资，采用稀疏布置的摩擦桩基（桩距一般在5—6倍桩径以上），称为疏桩基础。疏桩基础比按桩基理论设计的常规摩擦桩基础，沉降量大，但考虑了桩间土对承载力的直接贡献，以较大的沉降换取工程投资的节约。事实上桩基础的功能主要有两方面，一可以提高承载力，二可以减小沉降。以前人们往往侧重利用桩基解决地基承载力不足的问题，忽略采用桩基可以减小地基沉降的功能。一般将用于以减小沉降量为目的桩基础称为减少沉降量桩基，减小沉降量桩基设计中考虑了桩土共同作用，这里减小沉降量桩基一般是指摩擦桩基。在疏桩基础和减小沉降量两类桩基础中，均考虑了桩和土共同承担荷载。事实上，筏板基础下的摩擦桩基，桩间土必定直接承担一部分荷载，在经典桩基理论中只不过是主观上不考虑而已。以前主观上不予考虑的原因可能认为桩间土承担荷载比例小，不值得考虑，也可能是主动将其作为一种安全储备。还有一种可能是考虑到计算较困难，不确定因素较多而不予考虑，而且不考虑在工程上是偏安全的。
近年来发展起来的桩土共同作用分析，主要也是考虑桩间土直接承担荷载。在疏桩基础、减小沉降量桩基和考虑桩土共同作用的思路中都是主动考虑摩擦桩基础中客观上存在的桩间土直接承担荷载的性状。考虑桩土共同直接承担荷载的桩基称为复合桩基。是否可以说复合桩基实质上是主动考虑桩间土直接承担荷载的摩擦桩基，而在经典桩基理论中，摩擦桩基中是不考虑桩间土直接承担荷载的。
前面已经谈过，复合地基的木质就是考虑桩间土和桩体共同直接承担荷载。由上面分析可知，复合桩基的本质也是考虑桩土共同直接承担荷载，因此可以认为复合桩基是复合地基的一种。因此可将复合桩基归为刚性桩复合地基范畴，是一种类型的刚性桩复合地基，并有助于对复合桩基荷载传递规律的认识，也有益于复合桩基理论的发展。
8.4 复合地基作用机理
本节所论复合地基是指桩体复合地基。不论何种复合地基，都具备以下一种或多种作用，它们是：
8.4.1 桩体作用
由于复合地基中桩体的刚度较周围土体为大，在刚性基础下等量变形时，地基中应力将按材料模量进行分布。因此，桩体上产生应力集中现象，大部分荷载由桩体承担，桩间土上应力和应变减小，这样就使得复合地基承载力较原地基有所提高，沉降量有所减小，随着桩体刚度的增加，其桩体作用发挥得更加明显。
8.4.2 垫层作用
由于复合地基形成的复合土体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。
8.4.3 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。因为地基固结不仅与地基土的排水性能有关，而且还与地基土的变形特性有关。从固结系数Cv的计算式反映出来：
虽然水泥土类桩会降低地基土的渗透系数k，但它同样会减小地基土的压缩系数α，而且通常后者的减小幅度还要较前者为大。为此，使加固后水泥土的固结系数Cv大于加固前原地基土的系数，同样起到了加速固结的作用。
8.4.4 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。
采用生石灰桩，由于其材料具有吸水、发热和膨胀等作用，对桩间土同样可起到挤密作用。
对深层搅拌桩，有资料报道，日本横滨泵厂建设工程在深层搅拌施工过程中，对距施工点4.5m处的地基土侧向位移进行测量，其结果发现深层搅拌桩同样存在排土问题。粉体喷射法施工过程中使桩周土强度产生瞬时下降，然后随着时间推延，会重新得到恢复，在达30d时强度可恢复到80%，因而水泥土搅拌法在施工过程中的排土效应还应进一步探讨。
8.4.5 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、粉体喷射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。
8.5 复合地基的破坏模式
竖向增强体复合地基和水平向增强体复合地基破坏模式是不同的，现分别加以讨论分析。
对竖向增强体复合地基，刚性基础下和柔性基础下破坏模式也有区别。
竖向增体体复合地基的破坏首先可以分成下述两种情况：一种是桩间土首先破坏进而发生复合地基全面破坏，另一种是桩体首先破坏进而发生复合地基全面破坏。在实际工程中，桩间土和桩体同时达到破坏是很难遇到的。大多数情况下，桩体复合地基都是桩体先破坏，继而引起复合地基全面破坏。
竖向增强体复合地基中桩体破坏的模式可以分成下述4种型式：刺人破坏，鼓胀破坏，桩体剪切破坏和滑动剪切破坏。如图8.5.1所示。
图8.5.1竖向增强体复合地基破坏模式
（a）刺人破坏；（b）鼓胀破坏；（c）桩体剪切破坏；（d）滑动剪切破坏
桩体发生刺人破坏如图8.5.1（a）所示。桩体刚体较大，地基上承载力较低的情况下较易发生桩体刺入破坏。桩体发生刺人破坏，承担荷载大幅度降低，进而引起复合地基桩间土破坏，造成复合地基全面破坏。刚性桩复合地基较易发生刺人破坏模式。特别是柔性基础下（填土路堤下）刚性桩复合地基更容易发生刺人破坏模式。若处在刚性基础下，则可能产生较大沉降，造成复合地基失效。
桩体鼓胀破坏模式如图8.5.1（b）所示。在荷载作用下，桩周土不能提供桩体足够的围压，以防止桩体发生过大的侧向变形，产生桩体鼓胀破坏。桩体发生鼓胀破坏造成复合地基全面破坏，散体材料桩复合地基较易发生鼓胀破坏模式。在刚性基础下和柔性基础下散体材料桩复合地基均可能发生桩体鼓胀破坏。
桩体剪切破坏模式如图8.5.1（c）所不。在荷载作用下，复合地基中桩体发生剪切破坏，进而引起复合地基全面破坏。低强度的柔性桩较容易产生桩体剪切破坏。刚性基础下和柔性基础下低强度柔性桩复合地基均可产生桩体剪切破坏。相比较柔性基础下发生可能性更大。
滑动剪切破坏模式如图8.5.1（d）所示。在荷载作用下，复合地基沿某一滑动面产生滑动破坏。在滑动面上，桩体和桩间土均发生剪切破坏。各种复合地基均可能发生滑动破坏模式。柔性基础下的比刚性基础下的发生可能性更大。
在荷载作用下，一种复合地基的破坏究竟取什么模式，影啊因素很多。
从上面分析可知，它不仅与复合地基中增强体材料性质有关，还与复合地基上基础结构形式有关。除此外，还与荷载形式有关。竖向增强体本身的刚度对竖向增强体复合地基的破坏模式有较大影响。桩间土的性质与增强体的性质的差异程度会对复合地基的破坏模式产生影响。若两者相对刚度较大，较易发生桩体刺人破坏/但筏形基础卜的刚性桩复合地基，由于筏形基础的作用，复合地基中的桩体也不易发生桩体刺人破坏。显然复合地基上基础结构形式对复合地基破坏模式也有较大影响。总之，对于具体的桩体复合地基的破坏模式应考虑上述各种影响因素，通过综合分析加以估计。
水平向增强体复合地基通常的破坏模式是整体破坏。受天然地基土体强度、加筋体强度和刚度以及加筋体的布置形式等因素影响而具有多种破坏形式。
图8.5.2 水平向增强体复合地基破坏模式
（a） ；（b） ，N<2或3；（c） ，N>4
（1）加筋体以上土体剪切破坏
如图8.5.2（a）所示，在荷载作用下，最上层加筋体以上土体发生剪切破坏。也有人把它称为薄层挤出破坏。这种破坏多发生在第一层加筋体埋置较深、加筋体强度大，且具有足够锚固长度，加筋层上部土体强度较弱的情况。这种情况下，上部土体中的剪切破坏无法通过加筋层，剪切破坏局限于加筋体上部土体中。若基础宽度为B，第一层加筋体埋深为u，当 时，发生这种破坏形式可能性较大。
（2）加筋体在剪切过程中被拉出、或与上体产生过大相对滑动产生破坏
如图8.5.2（b）所示，在荷载作用下，加筋体与土体间产生过大的相对滑动，甚至加筋体被拉出，加筋体复合土体发生破坏而引起整体剪切破坏。这种破坏形式多发生在加筋体埋置较浅，加筋层较少，加筋体强度高但锚固长度过短，两端加筋体与上体界面不能提供足够的摩擦力防止加筋体拉出的情况。试验表明，这种破坏形式多发生在 和加筋层数N小于2或3的情况。
（3）加筋体在剪切过程中被拉断而产生剪切破坏
如图8.5.2（c）所示，在荷载作用下，剪切过程中加筋体被绷断，引起整体剪切破坏。这种破坏形式多发生在加筋体埋置较浅，加筋层数较多，并且加筋体足够长，两端加筋体与上体界面能够提供足够的摩擦力防止加筋体被拉出的情况。这种情况下，最上层加筋体首先被绷断，然后一层一层逐步向下发展。试验结果表明加筋体绷断破坏形式多发生 , 且加筋体较长，加筋体层数N大于4的情况。
