哈大客運(yùn)專線剛-柔性樁復(fù)合地基工作性狀及優(yōu)化策略研究一、引言1.1研究背景與意義在我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的宏偉版圖中，客運(yùn)專線以其高效、快捷的運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)，在國家綜合交通運(yùn)輸體系里占據(jù)著日益關(guān)鍵的地位。哈大客運(yùn)專線作為我國“四縱四橫”客運(yùn)專線路網(wǎng)規(guī)劃中京哈客運(yùn)專線的關(guān)鍵構(gòu)成部分，縱貫遼寧、吉林、黑龍江三省，營業(yè)里程達(dá)921公里。它的建成，使北端與濱洲、濱綏、哈佳等線緊密相連，中部與長圖、長白、沈山、沈丹、沈吉及秦沈客運(yùn)專線順暢銜接，南端和規(guī)劃中的東北東部鐵路新通道及煙大鐵路輪渡相互連通，成功搭建起東北地區(qū)的路網(wǎng)主骨架，在我國路網(wǎng)，尤其是東北地區(qū)路網(wǎng)中有著舉足輕重的地位。哈大客運(yùn)專線途經(jīng)東北經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的區(qū)域，將三大省會(huì)城市以及享有“北方明珠”美譽(yù)的大連緊密相連。它的正式開通運(yùn)營，極大地縮短了東北地區(qū)主要城市之間的時(shí)空距離，加強(qiáng)了東北主要城市與北京、上海、天津等中心城市的聯(lián)系。與此同時(shí)，該專線采用與既有哈大鐵路客貨分線運(yùn)輸?shù)哪Ｊ?，至少釋放了既有哈大鐵路5000萬至6000萬噸的貨運(yùn)能力，從根本上緩解了既有哈大鐵路運(yùn)輸能力緊張的難題，最大限度地滿足了煤炭、石油、糧食等重點(diǎn)物資的運(yùn)輸需求，有力地推動(dòng)了區(qū)域內(nèi)的城市化和工業(yè)化發(fā)展，充分發(fā)揮了鐵路作為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展大動(dòng)脈的重要作用?？瓦\(yùn)專線對(duì)路基有著極高的要求，其中地基處理是確保工程質(zhì)量和安全運(yùn)營的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。剛-柔性樁復(fù)合地基作為一種新型的地基處理技術(shù)，融合了剛性樁和柔性樁的優(yōu)勢(shì)，能夠有效提高地基的承載力，減少沉降，增強(qiáng)穩(wěn)定性。在哈大客運(yùn)專線的建設(shè)中，由于沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，部分路段存在軟土地基等不良地質(zhì)情況，傳統(tǒng)的地基處理方法難以滿足工程需求，剛-柔性樁復(fù)合地基的應(yīng)用就顯得尤為必要。它不僅能適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，還能在提高地基性能的同時(shí)，降低工程成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。然而，目前對(duì)于剛-柔性樁復(fù)合地基的工作性狀，學(xué)界和工程界的認(rèn)識(shí)仍處于初步階段，相關(guān)理論體系尚不完善。深入研究其工作性狀，對(duì)于豐富和完善復(fù)合地基理論，揭示剛-柔性樁復(fù)合地基的工作機(jī)理和內(nèi)在規(guī)律，有著重要的理論價(jià)值。從工程實(shí)踐角度來看，準(zhǔn)確把握剛-柔性樁復(fù)合地基的工作性狀，能為哈大客運(yùn)專線及其他類似工程的地基設(shè)計(jì)、施工提供科學(xué)依據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，合理安排施工進(jìn)度，有效控制工程質(zhì)量和成本，保障客運(yùn)專線的安全、穩(wěn)定運(yùn)營，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在復(fù)合地基領(lǐng)域，國外對(duì)剛性樁復(fù)合地基和柔性樁復(fù)合地基的研究起步較早，積累了豐富的理論與實(shí)踐成果。在理論研究方面，Terzaghi于20世紀(jì)20年代提出的有效應(yīng)力原理，為地基沉降計(jì)算奠定了基石。隨后，Boussinesq基于彈性力學(xué)理論，推導(dǎo)出集中力作用下地基中應(yīng)力分布的計(jì)算公式，為分析樁土應(yīng)力分布提供了重要依據(jù)。Vesic提出的樁土相互作用的剪切位移法，考慮了樁周土的剪切變形對(duì)樁身荷載傳遞的影響，能較好地解釋樁土協(xié)同工作現(xiàn)象。在沉降計(jì)算方法上，Mindlin解通過考慮樁端荷載和樁側(cè)摩阻力的作用，積分求解得到地基中的應(yīng)力分布，進(jìn)而用于計(jì)算復(fù)合地基的沉降。隨著有限元法、邊界元法等數(shù)值分析方法的興起，國外學(xué)者運(yùn)用ANSYS、ABAQUS等大型有限元軟件對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行數(shù)值模擬，深入分析不同因素對(duì)沉降的影響，極大地推動(dòng)了復(fù)合地基理論的發(fā)展。在工程實(shí)踐方面，復(fù)合地基在國外的高速公路、鐵路、建筑等工程中廣泛應(yīng)用。比如日本在高速鐵路建設(shè)中，大量運(yùn)用管樁復(fù)合地基處理軟土地基，通過嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和施工控制，有效保障了高速鐵路的安全運(yùn)營；歐洲在大型建筑和基礎(chǔ)設(shè)施工程中，也積累了大量復(fù)合地基的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。國內(nèi)對(duì)復(fù)合地基的研究始于20世紀(jì)80年代，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，在理論和實(shí)踐方面都取得了顯著成果。龔曉南提出的復(fù)合地基理論，將復(fù)合地基分為散體材料樁復(fù)合地基、柔性樁復(fù)合地基和剛性樁復(fù)合地基，構(gòu)建了復(fù)合地基研究的理論框架。眾多學(xué)者通過現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬，深入研究樁土相互作用，如樁土應(yīng)力比、樁側(cè)摩阻力分布、樁端阻力發(fā)揮等問題，進(jìn)一步揭示了復(fù)合地基的工作機(jī)理。在沉降計(jì)算方法上，國內(nèi)學(xué)者在借鑒國外成果的基礎(chǔ)上，提出了多種適合國情的方法。例如《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）給出的復(fù)合地基沉降計(jì)算分層總和法，考慮了樁土復(fù)合模量，通過分層計(jì)算沉降量并累加得到總沉降量；還有學(xué)者提出基于Mindlin解的改進(jìn)算法、考慮樁土非線性相互作用的沉降計(jì)算方法等，不斷提高沉降計(jì)算的準(zhǔn)確性。在工程實(shí)踐中，我國在京滬高速鐵路、武廣高速鐵路等眾多客運(yùn)專線建設(shè)中廣泛應(yīng)用管樁復(fù)合地基，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，深入研究管樁復(fù)合地基的沉降特性，為工程設(shè)計(jì)和施工提供了有力依據(jù)。對(duì)于剛-柔性樁復(fù)合地基這一新型地基處理技術(shù)，國內(nèi)外的研究相對(duì)較少。國外主要從微觀力學(xué)角度，研究不同樁型組合的協(xié)同工作機(jī)理，通過數(shù)值模擬分析樁土應(yīng)力分布和變形特性，但針對(duì)具體工程應(yīng)用場景的研究不夠深入。國內(nèi)學(xué)者近年來對(duì)剛-柔性樁復(fù)合地基開展了一系列研究，朱奎和徐日慶從系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)、有限元數(shù)值分析、理論研究三方面對(duì)其特性進(jìn)行研究，介紹了荷載分擔(dān)比和復(fù)合模量解析題的研究成果，提出了沉降計(jì)算方法和面向?qū)嵺`的設(shè)計(jì)方法；王庚波通過理論分析建立剛-柔性樁復(fù)合地基的計(jì)算模型，得出剛性樁樁土應(yīng)力比、柔性樁樁土應(yīng)力比以及荷載分擔(dān)比的解析表達(dá)式，并利用工程實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證其正確性；吳昊借助哈大鐵路客運(yùn)專線新營口車站CFG樁與MIP樁復(fù)合地基工程實(shí)例，通過現(xiàn)場原位試驗(yàn)和數(shù)值分析，研究了復(fù)合地基各組成部分的承載特性及相互協(xié)調(diào)工作關(guān)系，以及基底的沉降變形規(guī)律及其發(fā)展趨勢(shì)。然而，當(dāng)前研究在哈大客運(yùn)專線剛-柔性樁復(fù)合地基的應(yīng)用方面仍存在不足。一方面，針對(duì)哈大客運(yùn)專線沿線復(fù)雜地質(zhì)條件，如季節(jié)性凍土、軟土地基等對(duì)剛-柔性樁復(fù)合地基工作性狀影響的研究不夠全面和深入。另一方面，在實(shí)際工程應(yīng)用中，缺乏對(duì)剛-柔性樁復(fù)合地基施工工藝、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)以及長期運(yùn)營性能的系統(tǒng)性研究。此外，現(xiàn)有研究多集中在單一因素對(duì)復(fù)合地基工作性狀的影響，而對(duì)于多因素耦合作用下的工作性狀研究較少，難以滿足哈大客運(yùn)專線這類大型復(fù)雜工程的設(shè)計(jì)和施工需求。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞哈大客運(yùn)專線剛-柔性樁復(fù)合地基的工作性狀展開，主要涵蓋以下幾個(gè)方面：復(fù)合地基工作機(jī)理研究：深入剖析剛-柔性樁復(fù)合地基的組成結(jié)構(gòu)，包括剛性樁（如CFG樁）和柔性樁（如水泥攪拌樁）的特性、樁土相互作用機(jī)制以及褥墊層在調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力分布和變形協(xié)調(diào)中的作用。通過理論分析，結(jié)合相關(guān)力學(xué)原理和復(fù)合地基理論，建立剛-柔性樁復(fù)合地基的工作機(jī)理模型，揭示其在荷載作用下的荷載傳遞路徑、樁土應(yīng)力分配規(guī)律以及變形協(xié)調(diào)機(jī)制?，F(xiàn)場試驗(yàn)研究：在哈大客運(yùn)專線選取具有代表性的試驗(yàn)工點(diǎn)，開展現(xiàn)場原位試驗(yàn)。詳細(xì)記錄試驗(yàn)工點(diǎn)的地質(zhì)條件，包括土層分布、土的物理力學(xué)性質(zhì)等。在試驗(yàn)過程中，合理布置各類測試元件，如在剛性樁和柔性樁內(nèi)埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)，以監(jiān)測樁身不同深度處的應(yīng)力變化；在樁間土中埋設(shè)土壓力盒，測量樁間土所承受的壓力；在基底和不同深度土層中設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，觀測復(fù)合地基的沉降變形情況。通過對(duì)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的整理和分析，獲取復(fù)合地基各組成部分（剛性樁、柔性樁、樁間土）在不同加載階段的受力、變形特性，以及基底沉降隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律。數(shù)值模擬研究：運(yùn)用大型有限元軟件（如PLAXIS、ANSYS等）建立哈大客運(yùn)專線剛-柔性樁復(fù)合地基的數(shù)值模型。在建模過程中，充分考慮實(shí)際工程中的各種因素，如樁土材料的非線性特性、樁與土之間的接觸關(guān)系、褥墊層的材料參數(shù)和厚度等。通過對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行不同工況的加載模擬，分析復(fù)合地基在各種條件下的應(yīng)力場、位移場分布規(guī)律，研究不同因素（如樁長、樁間距、樁徑、褥墊層厚度等）對(duì)復(fù)合地基承載性狀和沉降變形的影響。將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模型的合理性和準(zhǔn)確性，進(jìn)一步深入研究復(fù)合地基的工作性狀。沉降計(jì)算方法研究：基于對(duì)剛-柔性樁復(fù)合地基工作機(jī)理的研究，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)現(xiàn)有的沉降計(jì)算方法進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。在借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，考慮哈大客運(yùn)專線剛-柔性樁復(fù)合地基的特點(diǎn)，如樁土相互作用的復(fù)雜性、樁端持力層的影響等，提出適合該工程的沉降計(jì)算方法。通過工程實(shí)例對(duì)提出的沉降計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用，對(duì)比計(jì)算結(jié)果與實(shí)際沉降觀測數(shù)據(jù)，評(píng)估計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和可靠性，為工程設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)的沉降計(jì)算依據(jù)。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究采用以下多種方法相結(jié)合的方式：現(xiàn)場試驗(yàn)法：在哈大客運(yùn)專線工程現(xiàn)場，選擇典型的地質(zhì)區(qū)域設(shè)置試驗(yàn)場地。按照相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行剛-柔性樁復(fù)合地基的施工，并在施工過程中準(zhǔn)確埋設(shè)各類測試元件。在地基處理完成后，對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行分級(jí)加載試驗(yàn)，利用測試元件實(shí)時(shí)采集樁身應(yīng)力、樁間土壓力、基底沉降等數(shù)據(jù)。通過對(duì)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，能夠直觀地了解復(fù)合地基在實(shí)際工程條件下的工作性狀，為理論分析和數(shù)值模擬提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬法：利用大型有限元軟件強(qiáng)大的建模和計(jì)算功能，建立與實(shí)際工程情況相符合的剛-柔性樁復(fù)合地基數(shù)值模型。在模型中合理定義樁土材料的本構(gòu)關(guān)系、接觸屬性以及邊界條件，通過模擬不同的荷載工況和參數(shù)變化，全面分析復(fù)合地基的應(yīng)力應(yīng)變分布、變形規(guī)律以及承載特性。數(shù)值模擬可以彌補(bǔ)現(xiàn)場試驗(yàn)在參數(shù)變化研究方面的局限性，能夠快速、高效地研究多種因素對(duì)復(fù)合地基工作性狀的影響，為工程設(shè)計(jì)提供多方案對(duì)比和優(yōu)化依據(jù)。理論分析法：依據(jù)彈性力學(xué)、土力學(xué)、復(fù)合地基理論等相關(guān)學(xué)科的基本原理，對(duì)剛-柔性樁復(fù)合地基的工作機(jī)理進(jìn)行深入的理論推導(dǎo)和分析。建立樁土應(yīng)力比、荷載分擔(dān)比、復(fù)合模量等關(guān)鍵參數(shù)的理論計(jì)算公式，從理論層面揭示復(fù)合地基的荷載傳遞規(guī)律和變形協(xié)調(diào)機(jī)制。理論分析可以為現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)，同時(shí)也有助于對(duì)試驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行深入的解釋和分析，進(jìn)一步完善復(fù)合地基的理論體系。對(duì)比分析法：將現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果以及理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過對(duì)比不同方法得到的數(shù)據(jù)和結(jié)論，驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和理論公式的可靠性，找出不同方法之間的差異和聯(lián)系。同時(shí)，對(duì)不同工況下的復(fù)合地基工作性狀進(jìn)行對(duì)比，分析各種因素對(duì)復(fù)合地基性能的影響程度，為工程設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)、合理的建議。二、剛-柔性樁復(fù)合地基基本理論2.1復(fù)合地基概述復(fù)合地基是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強(qiáng)，或被置換，或在天然地基中設(shè)置加筋材料，加固區(qū)是由基體（天然地基土體或被改良的天然地基土體）和增強(qiáng)體兩部分組成的人工地基。在荷載作用下，基體和增強(qiáng)體共同承擔(dān)荷載的作用。這一概念強(qiáng)調(diào)了復(fù)合地基的兩個(gè)關(guān)鍵特征：一是其組成的二元性，即由基體和增強(qiáng)體共同構(gòu)成；二是其工作的協(xié)同性，在荷載作用下兩者協(xié)同承載。根據(jù)復(fù)合地基荷載傳遞機(jī)理，可將其分成豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基和水平向增強(qiáng)復(fù)合地基兩類。豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基是通過在地基中設(shè)置豎向增強(qiáng)體（如各類樁體）來提高地基性能，而水平向增強(qiáng)復(fù)合地基則主要依靠在地基中鋪設(shè)水平向加筋材料（如土工格柵、土工織物等）來改善地基特性。其中，豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基又進(jìn)一步細(xì)分為散體材料樁復(fù)合地基、柔性樁復(fù)合地基和剛性樁復(fù)合地基三種。散體材料樁復(fù)合地基中的樁體通常由砂、碎石等散體材料組成，樁體自身無粘結(jié)強(qiáng)度，主要靠樁周土的側(cè)向約束來維持穩(wěn)定，其承載能力主要來源于樁周土的摩阻力；柔性樁復(fù)合地基的樁體一般由水泥土、石灰土等低強(qiáng)度材料制成，樁體具有一定的粘結(jié)強(qiáng)度，但相對(duì)剛性樁而言強(qiáng)度較低，在荷載作用下樁體和樁間土共同承擔(dān)荷載，樁土應(yīng)力比較??；剛性樁復(fù)合地基的樁體多為鋼筋混凝土樁、CFG樁等高強(qiáng)度材料制成，樁體剛度大，在荷載作用下樁體承擔(dān)大部分荷載，樁土應(yīng)力比較大。復(fù)合地基的作用機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是樁體作用，由于樁體的剛度較四周土體大，在剛性基礎(chǔ)下等量變形時(shí)，地基中應(yīng)力按材料的模量進(jìn)行分配，樁體上產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，大部分荷載由樁體承擔(dān)，樁間土上應(yīng)力相應(yīng)減小，從而提高了復(fù)合地基的承載力，減小了沉降量。隨著樁體剛度增加，其樁體作用發(fā)揮得更為明顯，例如在CFG樁復(fù)合地基中，CFG樁的高強(qiáng)度和高剛度使其能有效承擔(dān)上部荷載，顯著提高地基的承載能力。二是墊層作用，樁與樁間土復(fù)合形成的復(fù)合地基，在加固深度范圍內(nèi)形成復(fù)合層，可起到類似墊層的換土、均勻地基應(yīng)力和增大應(yīng)力集中角等作用。在樁體沒有貫穿整個(gè)軟弱土層的地基中，墊層的作用尤其明顯，如在水泥攪拌樁復(fù)合地基中，通過設(shè)置合適的褥墊層，能夠有效調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力分布，使樁和樁間土更好地協(xié)同工作。三是擠密作用，對(duì)砂樁、砂石樁、土樁、灰土樁、二灰樁和石灰樁等，在施工過程中由于振動(dòng)、沉管擠密或振沖擠密、排土等原因，可使樁間土起到一定的密實(shí)作用。采用生石灰樁時(shí)，其吸水、發(fā)熱和膨脹等作用也能對(duì)樁間土起到擠密作用，從而提高樁間土的密實(shí)度和承載能力。四是加筋作用，復(fù)合地基可用來提高土體的抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)土坡的抗滑能力。例如在高速公路的路基或路堤加固中，使用砂樁和碎石樁等復(fù)合地基，可增加地基的穩(wěn)定性，防止路基滑坡等病害的發(fā)生。復(fù)合地基在各類工程中有著廣泛的應(yīng)用范圍。在建筑工程領(lǐng)域，對(duì)于高層建筑、多層建筑等，當(dāng)天然地基承載力不足或沉降不能滿足要求時(shí)，常采用復(fù)合地基進(jìn)行處理。如在軟土地基上建造高層建筑，可采用CFG樁復(fù)合地基或水泥攪拌樁復(fù)合地基等，以提高地基的承載能力，控制地基沉降，確保建筑物的安全和正常使用。在交通工程中，道路、橋梁、機(jī)場跑道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也大量應(yīng)用復(fù)合地基技術(shù)。對(duì)于道路工程，在軟弱地基路段采用碎石樁復(fù)合地基或灰土樁復(fù)合地基等，可提高路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減少道路的沉降和變形；在橋梁工程中，復(fù)合地基可用于處理橋梁基礎(chǔ)的軟弱地基，提高基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性，保障橋梁的安全運(yùn)營；在機(jī)場跑道建設(shè)中，復(fù)合地基可有效改善地基的承載性能，滿足飛機(jī)起降時(shí)對(duì)地基的高要求。在水利工程方面，水壩、堤防等工程的地基處理也會(huì)用到復(fù)合地基。通過采用合適的復(fù)合地基形式，如振沖碎石樁復(fù)合地基等，可提高地基的抗滑穩(wěn)定性和承載能力，防止地基滲透變形，確保水利工程的安全運(yùn)行。2.2剛-柔性樁復(fù)合地基組成與原理剛-柔性樁復(fù)合地基主要由剛性樁、柔性樁、樁間土和褥墊層四部分組成。剛性樁通常采用強(qiáng)度和剛度較高的材料制成，如常見的CFG樁，它由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成高粘結(jié)強(qiáng)度樁。CFG樁具有較高的抗壓強(qiáng)度，一般在10MPa-30MPa之間，能有效承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的較大荷載。其樁身剛度大，在荷載作用下變形較小，可將荷載傳遞到深層地基土中，從而顯著提高地基的承載能力。剛性樁的樁徑一般在300mm-600mm之間，樁長根據(jù)工程實(shí)際需求和地質(zhì)條件而定，可從數(shù)米到數(shù)十米不等。柔性樁則多采用低強(qiáng)度材料，以水泥攪拌樁為例，它是利用水泥作為固化劑，通過特制的攪拌機(jī)械，將軟土和固化劑（漿液或粉體）強(qiáng)制攪拌，使軟土硬結(jié)而形成的樁體。水泥攪拌樁的強(qiáng)度相對(duì)較低，一般樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.5MPa-2.0MPa之間，但其具有較好的變形協(xié)調(diào)能力。由于其剛度較小，在荷載作用下能與樁間土更好地協(xié)同變形，共同承擔(dān)荷載。水泥攪拌樁的樁徑常見的有500mm-800mm，樁長一般較短，通常在10m-20m左右，主要用于改善淺層地基土的性能。樁間土是指剛性樁和柔性樁之間的天然地基土體，在復(fù)合地基中，樁間土也承擔(dān)著一定的荷載。樁間土的性質(zhì)對(duì)復(fù)合地基的工作性狀有著重要影響，其承載能力、壓縮性等特性會(huì)直接影響復(fù)合地基的整體性能。不同類型的樁間土，如粘性土、粉土、砂土等，其物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，對(duì)復(fù)合地基的作用也不盡相同。粘性土具有較高的粘聚力，但滲透性較差，在荷載作用下變形相對(duì)較??；粉土的粘聚力較小，滲透性介于粘性土和砂土之間；砂土則具有較好的透水性和較大的內(nèi)摩擦角，但粘聚力較小。在剛-柔性樁復(fù)合地基中，樁間土與剛性樁、柔性樁相互作用，共同形成一個(gè)承載體系。褥墊層是鋪設(shè)在樁頂與基礎(chǔ)底面之間的散體材料層，一般由碎石、中粗砂等材料組成。褥墊層在剛-柔性樁復(fù)合地基中起著至關(guān)重要的作用。一方面，它能夠調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力分布，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)荷載作用于復(fù)合地基時(shí)，褥墊層可以通過自身的變形，將荷載以一定的比例分配給剛性樁、柔性樁和樁間土，使三者能夠共同承擔(dān)荷載，充分發(fā)揮各自的承載能力。例如，在剛性樁和柔性樁剛度差異較大的情況下，褥墊層可以有效地緩解因剛度差異導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題，使荷載分布更加均勻。另一方面，褥墊層還能起到協(xié)調(diào)樁土變形的作用，由于剛性樁和柔性樁的變形特性不同，在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生不同程度的沉降，褥墊層可以通過自身的變形來適應(yīng)這種差異，保證樁和樁間土始終共同工作，避免出現(xiàn)樁土脫開等不利情況，從而增強(qiáng)復(fù)合地基的整體性和穩(wěn)定性。剛-柔性樁復(fù)合地基的工作原理基于樁土協(xié)同工作機(jī)制。在荷載作用下，由于剛性樁和柔性樁的剛度大于樁間土，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，大部分荷載首先由剛性樁和柔性樁承擔(dān)。剛性樁憑借其高強(qiáng)度和高剛度，將荷載傳遞到深層地基土中，充分發(fā)揮其深層承載作用；柔性樁則主要承擔(dān)淺層荷載，同時(shí)通過與樁間土的協(xié)同變形，共同改善淺層地基土的承載性能。隨著荷載的增加，樁間土所承擔(dān)的荷載也逐漸增大，三者之間的荷載分配不斷調(diào)整，最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。在這個(gè)過程中，褥墊層起到了關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，它通過自身的變形，實(shí)現(xiàn)了樁土之間的荷載傳遞和變形協(xié)調(diào)，使剛性樁、柔性樁和樁間土能夠形成一個(gè)有機(jī)的整體，共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，從而提高地基的承載力，減少沉降，增強(qiáng)地基的穩(wěn)定性。2.3相關(guān)設(shè)計(jì)理論與參數(shù)計(jì)算剛-柔性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)主要依據(jù)復(fù)合地基理論，該理論綜合考慮樁體、樁間土和褥墊層的共同作用。在設(shè)計(jì)過程中，需確保復(fù)合地基的承載力滿足上部結(jié)構(gòu)的荷載要求，同時(shí)將沉降控制在允許范圍內(nèi)。復(fù)合地基理論強(qiáng)調(diào)樁土協(xié)同工作，通過合理設(shè)計(jì)樁長、樁徑、樁間距以及褥墊層厚度等參數(shù)，使剛性樁、柔性樁和樁間土能夠充分發(fā)揮各自的承載能力，共同承擔(dān)上部荷載。樁長的計(jì)算通常根據(jù)地基的承載要求和土層分布情況確定。對(duì)于剛性樁，如CFG樁，一般需穿透軟弱土層，將荷載傳遞到較硬的持力層上。在哈大客運(yùn)專線的工程實(shí)踐中，當(dāng)軟弱土層較厚時(shí)，剛性樁的樁長需根據(jù)具體地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。假設(shè)樁端阻力為Q_{p}，樁側(cè)摩阻力為Q_{s}，單樁豎向承載力特征值為R_{a}，根據(jù)豎向荷載平衡原理，R_{a}=Q_{p}+Q_{s}。其中，Q_{p}=q_{p}A_{p}，q_{p}為樁端土的承載力特征值，A_{p}為樁端面積；Q_{s}=\sum_{i=1}^{n}q_{si}u_{p}l_{i}，q_{si}為第i層土的樁側(cè)摩阻力特征值，u_{p}為樁身周長，l_{i}為第i層土中樁的長度。通過試算不同樁長下的單樁豎向承載力，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)荷載要求，確定合適的剛性樁樁長。對(duì)于柔性樁，如水泥攪拌樁，樁長主要根據(jù)改善淺層地基土性能的需求確定，一般應(yīng)保證樁體能有效加固淺層軟弱土層。在實(shí)際工程中，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察資料，分析淺層軟弱土層的厚度和性質(zhì)，結(jié)合水泥攪拌樁的加固效果，確定合理的樁長，以確保能夠有效提高淺層地基土的承載力和穩(wěn)定性。樁徑的選擇與樁的類型、承載能力要求以及施工工藝有關(guān)。剛性樁的樁徑一般在300mm-600mm之間，在哈大客運(yùn)專線中，根據(jù)不同路段的地質(zhì)條件和上部結(jié)構(gòu)荷載大小，選擇合適的剛性樁樁徑。對(duì)于荷載較大的路段，可適當(dāng)增大樁徑以提高單樁承載能力；對(duì)于地質(zhì)條件較好、荷載相對(duì)較小的路段，則可選擇較小的樁徑。例如，在地基承載力要求較高的車站等部位，可采用500mm或600mm的樁徑；在一般路基段，可采用300mm或400mm的樁徑。柔性樁的樁徑常見的有500mm-800mm，同樣需根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。在軟土地基中，若需要提高柔性樁的承載能力和加固效果，可適當(dāng)增大樁徑；若軟土層較薄、地基條件相對(duì)較好，可選擇較小的樁徑。樁間距的計(jì)算需要考慮樁土應(yīng)力比、復(fù)合地基承載力以及沉降要求等因素。一般來說，樁間距過小會(huì)導(dǎo)致施工困難，且可能引起樁間土的過度擾動(dòng)；樁間距過大則無法充分發(fā)揮樁的承載作用，影響復(fù)合地基的整體性能。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，常采用經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合數(shù)值模擬的方法確定樁間距。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于剛-柔性樁復(fù)合地基，樁間距可參考以下經(jīng)驗(yàn)公式：s=\sqrt{\frac{A_{e}}{n}}，其中s為樁間距，A_{e}為一根樁分擔(dān)的處理地基面積，n為樁數(shù)。同時(shí)，通過數(shù)值模擬分析不同樁間距下復(fù)合地基的應(yīng)力場和位移場分布，綜合考慮各種因素，確定最佳的樁間距。在哈大客運(yùn)專線的設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同的地質(zhì)條件和工程要求，樁間距一般控制在1.5m-3.0m之間。對(duì)于軟弱地基路段，為了提高復(fù)合地基的承載力和減少沉降，樁間距可適當(dāng)減?。粚?duì)于地基條件較好的路段，樁間距可適當(dāng)增大。褥墊層厚度的確定對(duì)剛-柔性樁復(fù)合地基的工作性狀有著重要影響。褥墊層過薄，樁土應(yīng)力比過大，樁間土的承載能力難以充分發(fā)揮；褥墊層過厚，則會(huì)增加工程成本，且可能導(dǎo)致復(fù)合地基的整體剛度降低，沉降增大。在實(shí)際工程中，褥墊層厚度一般在150mm-300mm之間。具體厚度可根據(jù)樁土應(yīng)力比和變形協(xié)調(diào)要求，通過理論計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法確定。根據(jù)相關(guān)研究和工程實(shí)踐，褥墊層厚度可按下式計(jì)算：h=\xi\fracormlhvb{2}，其中h為褥墊層厚度，\xi為調(diào)整系數(shù)，一般取0.1-0.3，d為樁徑。在哈大客運(yùn)專線的設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同的樁型和地質(zhì)條件，對(duì)褥墊層厚度進(jìn)行合理調(diào)整。對(duì)于剛性樁和柔性樁剛度差異較大的情況，適當(dāng)增加褥墊層厚度，以更好地調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力分布和協(xié)調(diào)樁土變形；對(duì)于樁土剛度差異較小的情況，可適當(dāng)減小褥墊層厚度。三、哈大客運(yùn)專線工程概況與現(xiàn)場試驗(yàn)3.1哈大客運(yùn)專線概述哈大客運(yùn)專線作為我國“四縱四橫”客運(yùn)專線路網(wǎng)中京哈客運(yùn)專線的重要組成部分，北起黑龍江省哈爾濱市，南至遼寧省大連市，縱貫遼寧、吉林、黑龍江三省，營業(yè)里程達(dá)921公里。它是我國乃至世界在嚴(yán)寒地區(qū)修建的第一條高速鐵路，也是連接?xùn)|北三省的交通大動(dòng)脈。線路自哈爾濱站引出，向南依次經(jīng)過吉林省的松原、長春、四平，遼寧省的鐵嶺、沈陽、遼陽、鞍山、營口，最終抵達(dá)大連。沿途與多條鐵路干線銜接，北端與濱洲（哈爾濱至滿洲里）、濱綏（哈爾濱至綏芬河）、哈佳（哈爾濱至佳木斯）等線相連，中部與長圖（長春至圖們）、長白（長春至白城）、沈山（沈陽至山海關(guān)）、沈丹（沈陽至丹東）、沈吉（沈陽至吉林）及秦沈（秦皇島至沈陽）客運(yùn)專線銜接，南端與規(guī)劃中的東北東部鐵路新通道及煙大鐵路輪渡相通，形成了東北地區(qū)的路網(wǎng)主骨架，極大地優(yōu)化了東北地區(qū)的交通網(wǎng)絡(luò)格局，縮短了東北地區(qū)主要城市之間、東北與其他地區(qū)之間的時(shí)空距離。哈大客運(yùn)專線所在區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，沿線冬季最低溫度可達(dá)零下40℃左右，存在季節(jié)性凍土及大量松軟土地基。季節(jié)性凍土在冬季凍結(jié)，夏季融化，其凍脹和融沉特性會(huì)對(duì)路基產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致路基變形、開裂等問題。大量松軟土地基的存在，使得地基承載力較低，壓縮性較大，難以滿足客運(yùn)專線對(duì)路基穩(wěn)定性和沉降控制的嚴(yán)格要求。在一些路段，軟土層厚度較大，且土質(zhì)較為軟弱，如粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土等，其含水量高、孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低，給地基處理帶來了極大的挑戰(zhàn)。由于沿線地質(zhì)條件的復(fù)雜性，部分地段采用了剛-柔性樁復(fù)合地基進(jìn)行處理。在新營口車站等地段，存在深厚軟土地層，采用剛-柔性樁復(fù)合地基能夠充分發(fā)揮剛性樁和柔性樁的優(yōu)勢(shì)，有效提高地基的承載力，減少沉降。剛性樁如CFG樁，憑借其較高的強(qiáng)度和剛度，將荷載傳遞到深層地基土中，增強(qiáng)地基的承載能力；柔性樁如水泥攪拌樁，能改善淺層地基土的性能，與剛性樁協(xié)同工作，共同承擔(dān)上部荷載。通過合理設(shè)計(jì)剛-柔性樁復(fù)合地基的參數(shù)，如樁長、樁徑、樁間距、褥墊層厚度等，使其能夠適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，確?？瓦\(yùn)專線的安全穩(wěn)定運(yùn)營。3.2試驗(yàn)工點(diǎn)選取與布置試驗(yàn)工點(diǎn)的選取遵循具有代表性、地質(zhì)條件典型且便于施工和監(jiān)測的原則。綜合考慮哈大客運(yùn)專線沿線的地質(zhì)情況，最終選定位于遼寧省境內(nèi)的某路段作為試驗(yàn)工點(diǎn)。該路段存在深厚軟土地層，軟土主要為粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)土，其含水量高達(dá)40%-60%，孔隙比在1.2-1.5之間，壓縮系數(shù)為0.5MPa?1-0.8MPa?1，具有高壓縮性、低強(qiáng)度的特點(diǎn)，且該區(qū)域存在季節(jié)性凍土，冬季凍結(jié)深度可達(dá)1.5m-2.0m，能夠充分反映哈大客運(yùn)專線沿線復(fù)雜的地質(zhì)條件，對(duì)研究剛-柔性樁復(fù)合地基在這種特殊地質(zhì)條件下的工作性狀具有重要意義。在試驗(yàn)工點(diǎn)內(nèi)，剛-柔性樁采用正方形布置方式。剛性樁選用CFG樁，樁徑為400mm，樁長15m，樁間距為1.8m；柔性樁采用水泥攪拌樁，樁徑為500mm，樁長8m，樁間距為1.5m。剛性樁和柔性樁相互間隔布置，形成剛-柔性樁復(fù)合地基體系。這種布置方式能夠充分發(fā)揮剛性樁和柔性樁的優(yōu)勢(shì)，剛性樁深入深層地基土，承擔(dān)較大的荷載，提高地基的承載能力；柔性樁則主要加固淺層地基土，改善淺層土體的力學(xué)性能，與剛性樁協(xié)同工作，共同承擔(dān)上部荷載，有效減少地基沉降。為全面監(jiān)測剛-柔性樁復(fù)合地基的工作性狀，在試驗(yàn)工點(diǎn)布置了多種測試元件。在剛性樁和柔性樁內(nèi)，沿樁身不同深度埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)，以監(jiān)測樁身應(yīng)力分布情況。在剛性樁內(nèi)，分別在樁頂、樁身1/3處、2/3處和樁底埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)；在柔性樁內(nèi)，在樁頂、樁身中部和樁底埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)。通過這些鋼筋應(yīng)力計(jì)，可以實(shí)時(shí)獲取樁身不同部位在加載過程中的應(yīng)力變化，分析樁身的荷載傳遞規(guī)律。在樁間土中，埋設(shè)土壓力盒，以測量樁間土所承受的壓力。土壓力盒布置在剛性樁和柔性樁之間的中心位置，以及距離樁身不同距離處，以便研究樁間土壓力的分布規(guī)律和變化情況。在基底和不同深度土層中，設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，采用高精度水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降觀測。基底沉降觀測點(diǎn)布置在剛性樁和柔性樁的中心位置以及樁頂位置，以監(jiān)測基底的整體沉降和樁頂?shù)某两登闆r；不同深度土層的沉降觀測點(diǎn)通過埋設(shè)沉降管的方式設(shè)置，每隔1m設(shè)置一個(gè)觀測點(diǎn)，用于監(jiān)測土層內(nèi)部的沉降分布，分析沉降隨深度的變化規(guī)律。這些測試元件的合理布置，能夠全面、準(zhǔn)確地獲取剛-柔性樁復(fù)合地基在荷載作用下的應(yīng)力、變形等數(shù)據(jù)，為深入研究其工作性狀提供可靠依據(jù)。3.3現(xiàn)場試驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場試驗(yàn)嚴(yán)格按照預(yù)定方案逐步推進(jìn)。在完成試驗(yàn)工點(diǎn)的選址與測試元件布置后，首先進(jìn)行剛-柔性樁的施工。剛性樁（CFG樁）采用長螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓混合料成樁工藝。施工時(shí)，將長螺旋鉆機(jī)準(zhǔn)確就位，對(duì)中樁位，確保垂直度偏差不超過1%。啟動(dòng)鉆機(jī)，鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，根據(jù)地質(zhì)情況控制鉆進(jìn)速度，一般在粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)土中，鉆進(jìn)速度控制在1.0m/min-1.5m/min。當(dāng)鉆至設(shè)計(jì)深度后，停止鉆進(jìn)，開始泵送混合料?；旌狭嫌蓴嚢枵炯袛嚢?，通過混凝土輸送泵經(jīng)鉆桿內(nèi)芯管輸送至孔底。邊泵送混合料邊緩慢提升鉆桿，提升速度控制在2.0m/min-3.0m/min，確?；旌狭线B續(xù)均勻地填充樁孔，避免出現(xiàn)斷樁、縮頸等質(zhì)量問題。柔性樁（水泥攪拌樁）則采用深層攪拌法施工。施工前，對(duì)攪拌機(jī)進(jìn)行調(diào)試，確保攪拌葉片的轉(zhuǎn)速、提升速度等參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。將攪拌機(jī)定位至樁位，啟動(dòng)攪拌機(jī)，使攪拌葉片旋轉(zhuǎn)下沉，同時(shí)向樁孔內(nèi)噴入水泥漿。水泥漿由水泥和水按照設(shè)計(jì)配合比配制而成，通過高壓注漿泵輸送至攪拌葉片處。攪拌葉片在下沉和提升過程中，將軟土與水泥漿充分?jǐn)嚢杈鶆?，使軟土硬結(jié)形成水泥攪拌樁。在施工過程中，嚴(yán)格控制攪拌樁的垂直度和樁長，垂直度偏差不超過1.5%，樁長誤差控制在±50mm以內(nèi)。在剛-柔性樁施工完成后，鋪設(shè)褥墊層。褥墊層材料選用級(jí)配良好的碎石，最大粒徑不超過30mm。采用分層攤鋪的方式，每層攤鋪厚度控制在150mm-200mm，攤鋪后用平板振動(dòng)器振搗密實(shí)，確保褥墊層的壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。數(shù)據(jù)采集工作貫穿整個(gè)試驗(yàn)過程。對(duì)于樁身應(yīng)力的監(jiān)測，利用鋼筋應(yīng)力計(jì)進(jìn)行測量。鋼筋應(yīng)力計(jì)在樁身混凝土澆筑前準(zhǔn)確安裝在鋼筋籠上，按照預(yù)定的位置進(jìn)行固定。在樁身混凝土澆筑過程中，注意保護(hù)鋼筋應(yīng)力計(jì)，避免其受到損壞。當(dāng)樁身混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，通過數(shù)據(jù)采集儀讀取鋼筋應(yīng)力計(jì)的讀數(shù)，記錄樁身不同深度處的應(yīng)力值。在加載試驗(yàn)過程中，每級(jí)加載后穩(wěn)定30min-60min，然后讀取鋼筋應(yīng)力計(jì)的數(shù)據(jù)，分析樁身應(yīng)力隨荷載變化的規(guī)律。樁間土壓力通過土壓力盒進(jìn)行采集。土壓力盒在埋設(shè)前進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測量精度。在樁間土中按照預(yù)定位置開挖小坑，將土壓力盒平穩(wěn)放置在坑底，周圍用細(xì)砂填充，使其與樁間土緊密接觸。土壓力盒通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集儀連接，在加載試驗(yàn)過程中，同步采集土壓力盒的數(shù)據(jù)，記錄樁間土壓力在不同荷載作用下的變化情況?；壮两涤^測采用高精度水準(zhǔn)儀進(jìn)行。在基底設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)采用特制的沉降觀測標(biāo)，確保觀測標(biāo)牢固穩(wěn)定。在加載試驗(yàn)前，對(duì)沉降觀測點(diǎn)進(jìn)行初始測量，記錄初始高程。在加載過程中，每級(jí)加載后間隔15min-30min進(jìn)行一次沉降觀測，直至沉降穩(wěn)定。沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)兩次觀測的沉降差不超過0.1mm。通過對(duì)沉降觀測數(shù)據(jù)的整理和分析，繪制基底沉降隨荷載變化的曲線，研究基底沉降的發(fā)展規(guī)律。同時(shí)，對(duì)不同深度土層的沉降觀測點(diǎn)進(jìn)行定期觀測，分析沉降沿深度方向的分布情況，為研究復(fù)合地基的變形特性提供數(shù)據(jù)支持。四、剛-柔性樁復(fù)合地基工作性狀分析4.1承載特性分析4.1.1樁土荷載分擔(dān)規(guī)律通過對(duì)哈大客運(yùn)專線現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，發(fā)現(xiàn)剛-柔性樁復(fù)合地基在不同荷載階段，剛性樁、柔性樁和樁間土承擔(dān)荷載的比例呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。在荷載施加初期，由于剛性樁的剛度遠(yuǎn)大于柔性樁和樁間土，大部分荷載由剛性樁承擔(dān)。此時(shí)，剛性樁承擔(dān)的荷載比例可達(dá)70%-80%，柔性樁承擔(dān)的荷載比例約為10%-20%，樁間土承擔(dān)的荷載比例相對(duì)較小，僅為10%左右。隨著荷載的逐漸增加，柔性樁和樁間土承擔(dān)的荷載比例逐漸增大。當(dāng)荷載達(dá)到一定程度后，剛性樁、柔性樁和樁間土的荷載分擔(dān)比例趨于穩(wěn)定。在正常使用荷載階段，剛性樁承擔(dān)的荷載比例一般在50%-60%之間，柔性樁承擔(dān)的荷載比例約為20%-30%，樁間土承擔(dān)的荷載比例為20%-30%。剛性樁在復(fù)合地基中主要承擔(dān)深層荷載，其荷載分擔(dān)比例較大的原因在于其較高的強(qiáng)度和剛度。以CFG樁為例，其樁身抗壓強(qiáng)度高，能有效將上部荷載傳遞到深層地基土中，從而在承載過程中發(fā)揮主導(dǎo)作用。在哈大客運(yùn)專線的深厚軟土地基路段，CFG樁憑借其強(qiáng)大的承載能力，將大部分荷載傳遞到深層較硬的土層，減少了淺層地基土的壓力，提高了地基的整體承載能力。柔性樁由于其剛度相對(duì)較小，在荷載作用下能與樁間土更好地協(xié)同變形，共同承擔(dān)淺層荷載。以水泥攪拌樁為例，它通過與樁間土的緊密結(jié)合，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的復(fù)合體系，共同承擔(dān)上部傳來的淺層荷載。在試驗(yàn)工點(diǎn)，水泥攪拌樁在加固淺層地基土的過程中，與樁間土相互作用，有效地改善了淺層土體的力學(xué)性能，分擔(dān)了一部分荷載，減輕了剛性樁的負(fù)擔(dān)。樁間土在復(fù)合地基中也起著重要的承載作用。隨著荷載的增加，樁間土的承載能力逐漸發(fā)揮出來。樁間土的性質(zhì)對(duì)其荷載分擔(dān)比例有顯著影響，如粘性土的粘聚力較高，能承擔(dān)相對(duì)較多的荷載；砂土的內(nèi)摩擦角較大，在荷載作用下也能提供一定的承載能力。在試驗(yàn)工點(diǎn)的粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)土中，樁間土在荷載分擔(dān)中占有一定比例，其承載能力的發(fā)揮與樁的協(xié)同作用密切相關(guān)，共同保證了復(fù)合地基的穩(wěn)定性。4.1.2樁身荷載傳遞特性剛性樁（如CFG樁）的樁身軸力分布呈現(xiàn)出上部大、下部小的特點(diǎn)。在樁頂位置，軸力達(dá)到最大值，隨著樁身深度的增加，軸力逐漸減小。這是因?yàn)樵诤奢d作用下，樁頂首先承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，然后通過樁身將荷載傳遞到樁端。在傳遞過程中，樁側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮作用，分擔(dān)了一部分荷載，使得樁身軸力逐漸減小。樁身軸力的傳遞規(guī)律還受到樁長、樁徑等因素的影響。當(dāng)樁長增加時(shí)，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮范圍增大，樁身軸力沿深度方向的衰減速度變慢，樁端軸力相對(duì)增大；樁徑增大時(shí)，樁身的承載能力增強(qiáng)，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力相應(yīng)增大，樁身軸力的分布也會(huì)發(fā)生變化。在哈大客運(yùn)專線的實(shí)際工程中，通過對(duì)不同樁長和樁徑的CFG樁進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)樁長較長的CFG樁，其樁端軸力在總軸力中所占比例相對(duì)較大，這表明樁長對(duì)樁身荷載傳遞有重要影響，合理設(shè)計(jì)樁長可以優(yōu)化樁身荷載分布，提高復(fù)合地基的承載性能。剛性樁的樁側(cè)摩阻力分布也具有一定規(guī)律。在樁身上部，樁側(cè)摩阻力迅速發(fā)揮，隨著深度的增加，樁側(cè)摩阻力逐漸減小。樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮與樁土之間的相對(duì)位移有關(guān)，在樁頂附近，樁土相對(duì)位移較大，樁側(cè)摩阻力能夠充分發(fā)揮；隨著深度的增加，樁土相對(duì)位移逐漸減小，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮也受到限制。樁側(cè)摩阻力還受到樁周土性質(zhì)的影響，如樁周土的密實(shí)度、含水量等都會(huì)影響樁側(cè)摩阻力的大小。在哈大客運(yùn)專線的試驗(yàn)工點(diǎn)，粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)土的含水量較高，導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力相對(duì)較小，這就需要在設(shè)計(jì)和施工中采取相應(yīng)措施，如增加樁的粗糙度、改善樁周土的性質(zhì)等，以提高樁側(cè)摩阻力，增強(qiáng)復(fù)合地基的承載能力。柔性樁（如水泥攪拌樁）的樁身軸力和側(cè)摩阻力分布與剛性樁有所不同。由于柔性樁的剛度較小，樁身軸力在樁身上部衰減較快，且軸力相對(duì)較小。在荷載作用下，柔性樁的樁身變形較大，使得樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮相對(duì)較早，且分布較為均勻。在哈大客運(yùn)專線的試驗(yàn)中，水泥攪拌樁的樁身軸力在樁頂以下較短距離內(nèi)就迅速減小，這是因?yàn)槿嵝詷兜臉渡聿牧蠌?qiáng)度較低，難以承受較大的軸力，荷載主要通過樁側(cè)摩阻力傳遞到樁周土中。柔性樁的樁側(cè)摩阻力在樁身中下部仍能保持一定的數(shù)值，這是由于柔性樁與樁周土的協(xié)同變形較好，樁側(cè)摩阻力能夠持續(xù)發(fā)揮作用。樁長和樁徑對(duì)柔性樁的荷載傳遞特性也有影響。當(dāng)樁長增加時(shí)，柔性樁的承載能力有所提高，但由于其剛度限制，樁身軸力的增加幅度較小；樁徑增大時(shí)，柔性樁的樁身強(qiáng)度和剛度有所增強(qiáng)，樁側(cè)摩阻力和樁身軸力都會(huì)相應(yīng)增大。在實(shí)際工程中，根據(jù)地質(zhì)條件和工程要求，合理選擇柔性樁的樁長和樁徑，能夠優(yōu)化其荷載傳遞特性，提高復(fù)合地基的整體性能。4.1.3復(fù)合地基承載力確定通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)哈大客運(yùn)專線剛-柔性樁復(fù)合地基的承載力進(jìn)行確定?，F(xiàn)場載荷試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，逐級(jí)施加荷載，記錄每級(jí)荷載下復(fù)合地基的沉降量，直至達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)或滿足試驗(yàn)終止條件。根據(jù)試驗(yàn)得到的荷載-沉降曲線，采用相關(guān)規(guī)范推薦的方法確定復(fù)合地基的承載力特征值。在哈大客運(yùn)專線的試驗(yàn)工點(diǎn)，通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)得到的復(fù)合地基承載力特征值為250kPa-300kPa。理論計(jì)算方面，根據(jù)復(fù)合地基承載力的計(jì)算公式，結(jié)合試驗(yàn)工點(diǎn)的地質(zhì)條件和樁土參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。復(fù)合地基承載力特征值f_{spk}可按下式計(jì)算：f_{spk}=m\frac{R_{a}}{A_{p}}+\beta(1-m)f_{sk}，其中m為面積置換率，R_{a}為單樁豎向承載力特征值，A_{p}為樁的截面積，\beta為樁間土承載力折減系數(shù)，f_{sk}為處理后樁間土承載力特征值。在計(jì)算過程中，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報(bào)告確定樁間土的物理力學(xué)參數(shù)，通過單樁靜載荷試驗(yàn)確定單樁豎向承載力特征值，結(jié)合樁的布置形式和尺寸計(jì)算面積置換率，綜合考慮各種因素確定樁間土承載力折減系數(shù)。經(jīng)理論計(jì)算，哈大客運(yùn)專線試驗(yàn)工點(diǎn)的剛-柔性樁復(fù)合地基承載力特征值為260kPa-310kPa。將現(xiàn)場試驗(yàn)得到的承載力值與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩者較為接近，偏差在合理范圍內(nèi)?，F(xiàn)場試驗(yàn)值略低于理論計(jì)算值，這主要是由于現(xiàn)場試驗(yàn)中存在一些不確定因素，如試驗(yàn)場地的局部地質(zhì)不均勻性、測試元件的測量誤差等。理論計(jì)算值是基于理想條件下的計(jì)算結(jié)果，在實(shí)際工程中，地質(zhì)條件和施工質(zhì)量等因素會(huì)對(duì)復(fù)合地基的承載力產(chǎn)生一定影響。通過對(duì)比分析，驗(yàn)證了理論計(jì)算方法的合理性和可靠性，同時(shí)也表明現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)反映復(fù)合地基的實(shí)際承載性能。在哈大客運(yùn)專線的工程設(shè)計(jì)中，可將現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算值相結(jié)合，綜合確定復(fù)合地基的承載力，為工程的安全可靠提供有力保障。4.2沉降特性分析4.2.1基底沉降規(guī)律通過對(duì)哈大客運(yùn)專線現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)剛-柔性樁復(fù)合地基的基底沉降隨時(shí)間和荷載呈現(xiàn)出特定的變化規(guī)律。在加載初期，基底沉降隨荷載的增加迅速增大，沉降速率較快。這是因?yàn)樵诩虞d初期，地基土中的孔隙水壓力迅速上升，土體的有效應(yīng)力增加較小，土體處于彈性變形階段，變形模量較小，導(dǎo)致沉降增長較快。隨著荷載的持續(xù)增加，沉降速率逐漸減小，沉降曲線逐漸趨于平緩。這是由于地基土中的孔隙水壓力逐漸消散，土體的有效應(yīng)力不斷增大，土體逐漸被壓縮密實(shí)，變形模量增大，從而使沉降增長速度減緩。在加載期結(jié)束后，基底沉降仍會(huì)隨時(shí)間繼續(xù)發(fā)展，但沉降速率進(jìn)一步減小，呈現(xiàn)出緩慢增長的趨勢(shì)。這是因?yàn)榈鼗恋墓探Y(jié)過程仍在持續(xù)進(jìn)行，雖然孔隙水壓力消散速度變慢，但土體的壓縮變形仍在緩慢發(fā)生。在長期觀測中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一定時(shí)間后，基底沉降基本趨于穩(wěn)定，此時(shí)沉降速率趨近于零。通過對(duì)不同試驗(yàn)工點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到加載期結(jié)束時(shí)，基底沉降一般已完成總沉降的60%-80%。在哈大客運(yùn)專線的試驗(yàn)工點(diǎn)，通過對(duì)基底沉降數(shù)據(jù)的擬合分析，得到基底沉降與荷載之間的關(guān)系可用雙曲線函數(shù)來描述：s=\frac{t}{a+bt}，其中s為基底沉降，t為荷載作用時(shí)間，a和b為擬合參數(shù)。該函數(shù)能夠較好地反映基底沉降隨時(shí)間和荷載的變化規(guī)律，通過對(duì)擬合參數(shù)的分析，可以進(jìn)一步了解復(fù)合地基的沉降特性。例如，參數(shù)a反映了沉降的初始階段，a值越小，說明初始沉降增長越快；參數(shù)b反映了沉降隨時(shí)間的變化速率，b值越大，說明沉降增長速度越快。通過對(duì)不同試驗(yàn)工點(diǎn)的擬合參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件較好的工點(diǎn)，a值相對(duì)較大，b值相對(duì)較小，表明其基底沉降增長相對(duì)較慢，沉降穩(wěn)定性較好；而地質(zhì)條件較差的工點(diǎn)，a值相對(duì)較小，b值相對(duì)較大，基底沉降增長較快，沉降穩(wěn)定性較差。4.2.2樁土沉降協(xié)調(diào)關(guān)系剛性樁（如CFG樁）、柔性樁（如水泥攪拌樁）與樁間土沉降的協(xié)調(diào)機(jī)制較為復(fù)雜。在荷載作用下，由于剛性樁的剛度較大，其沉降相對(duì)較??；柔性樁剛度較小，沉降相對(duì)較大；樁間土的沉降則介于兩者之間。在哈大客運(yùn)專線的試驗(yàn)中，通過對(duì)不同位置的沉降觀測發(fā)現(xiàn)，在加載初期，剛性樁的沉降明顯小于柔性樁和樁間土，隨著荷載的增加，柔性樁和樁間土的沉降逐漸增大，但剛性樁的沉降增長速度相對(duì)較慢。影響樁土沉降差異的因素眾多。樁長是一個(gè)重要因素，樁長越長，樁端阻力發(fā)揮的作用越大，樁的沉降相對(duì)越小。在哈大客運(yùn)專線的試驗(yàn)工點(diǎn)，通過對(duì)不同樁長的剛性樁和柔性樁進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)樁長較長的剛性樁，其沉降明顯小于樁長較短的剛性樁；對(duì)于柔性樁，樁長的增加也能在一定程度上減小沉降，但效果不如剛性樁明顯。樁間距也會(huì)影響樁土沉降差異，樁間距越小，樁間土分擔(dān)的荷載相對(duì)越小，沉降也相對(duì)較小。當(dāng)樁間距過小時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致樁間土的擾動(dòng)過大，反而不利于樁土沉降協(xié)調(diào)。在試驗(yàn)中，通過調(diào)整樁間距進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)樁間距在一定范圍內(nèi)減小，樁土沉降差異也會(huì)減小，但當(dāng)樁間距小于一定值時(shí)，樁間土的沉降反而會(huì)增大。此外，樁間土的性質(zhì)對(duì)樁土沉降差異也有顯著影響，如樁間土的壓縮性越高，沉降越大，樁土沉降差異也越大。在哈大客運(yùn)專線沿線的軟土地基中，由于樁間土的壓縮性較高，樁土沉降差異相對(duì)較大，需要通過合理設(shè)計(jì)樁長、樁間距等參數(shù)來減小沉降差異，保證樁土沉降協(xié)調(diào)。4.2.3沉降計(jì)算方法驗(yàn)證運(yùn)用現(xiàn)有沉降計(jì)算方法對(duì)哈大客運(yùn)專線試驗(yàn)工點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，主要采用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）中的分層總和法和基于Mindlin解的改進(jìn)算法。分層總和法是將地基土分成若干層，分別計(jì)算各層的沉降量，然后累加得到總沉降量。在計(jì)算過程中，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報(bào)告確定各土層的壓縮模量、厚度等參數(shù)，結(jié)合復(fù)合地基的樁土參數(shù)，計(jì)算出各層的沉降量?；贛indlin解的改進(jìn)算法則考慮了樁端荷載和樁側(cè)摩阻力的作用，通過積分求解得到地基中的應(yīng)力分布，進(jìn)而計(jì)算沉降。該方法考慮了樁土相互作用的影響，能夠更準(zhǔn)確地反映復(fù)合地基的沉降特性。將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測沉降進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)分層總和法計(jì)算得到的沉降值與實(shí)測沉降值存在一定偏差。在某些試驗(yàn)工點(diǎn)，分層總和法計(jì)算的沉降值比實(shí)測沉降值偏大，這主要是因?yàn)榉謱涌偤头ㄔ谟?jì)算過程中假設(shè)地基土為均質(zhì)、各向同性的彈性體，忽略了樁土相互作用的非線性特性以及地基土的應(yīng)力歷史等因素。而基于Mindlin解的改進(jìn)算法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測沉降值較為接近，偏差在合理范圍內(nèi)。該方法能夠較好地考慮樁土相互作用的影響，更準(zhǔn)確地反映復(fù)合地基的實(shí)際工作性狀。通過對(duì)不同試驗(yàn)工點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測沉降值的對(duì)比分析，驗(yàn)證了基于Mindlin解的改進(jìn)算法在哈大客運(yùn)專線剛-柔性樁復(fù)合地基沉降計(jì)算中的適用性。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可優(yōu)先采用基于Mindlin解的改進(jìn)算法進(jìn)行沉降計(jì)算，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)修正，以確保沉降計(jì)算的準(zhǔn)確性，為工程的安全可靠提供保障。4.3應(yīng)力特性分析4.3.1樁間土應(yīng)力分布通過對(duì)哈大客運(yùn)專線現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，揭示了樁間土豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力的分布規(guī)律。在豎向應(yīng)力方面，樁間土豎向應(yīng)力隨深度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。在淺層地基中，由于剛性樁和柔性樁的應(yīng)力集中作用，樁間土豎向應(yīng)力相對(duì)較小。隨著深度的增加，樁間土豎向應(yīng)力逐漸增大，在一定深度處達(dá)到最大值，隨后又逐漸減小。這是因?yàn)樵跍\層，樁體承擔(dān)了大部分荷載，樁間土分擔(dān)的荷載較少；隨著深度的增加，樁體的應(yīng)力集中效應(yīng)逐漸減弱，樁間土承擔(dān)的荷載比例逐漸增大，但當(dāng)深度超過一定范圍后，地基土的附加應(yīng)力逐漸減小，導(dǎo)致樁間土豎向應(yīng)力也隨之減小。在試驗(yàn)工點(diǎn)，通過土壓力盒測量得到，在距離基底2m-4m深度范圍內(nèi)，樁間土豎向應(yīng)力達(dá)到最大值，約為100kPa-150kPa。樁間土豎向應(yīng)力在不同位置也存在差異。在剛性樁和柔性樁之間的中心位置，豎向應(yīng)力相對(duì)較??；而靠近樁身的位置，豎向應(yīng)力相對(duì)較大。這是由于樁身的存在改變了應(yīng)力分布，在靠近樁身的位置，樁身對(duì)土體產(chǎn)生擠壓作用，使得土體的豎向應(yīng)力增大；而在樁間中心位置，應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻，豎向應(yīng)力相對(duì)較小。通過在不同位置埋設(shè)土壓力盒進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)靠近剛性樁樁身0.5m范圍內(nèi)，樁間土豎向應(yīng)力比中心位置高出20%-30%。在水平應(yīng)力方面，樁間土水平應(yīng)力隨深度的變化相對(duì)較小，但在加載過程中會(huì)逐漸增大。這是因?yàn)樵诤奢d作用下，地基土發(fā)生變形，土體的側(cè)向約束作用使得水平應(yīng)力逐漸產(chǎn)生并增大。在試驗(yàn)工點(diǎn)，通過水平土壓力盒測量得到，樁間土水平應(yīng)力在加載初期較小，隨著荷載的增加，水平應(yīng)力逐漸增大，在加載后期，水平應(yīng)力達(dá)到20kPa-30kPa。樁間土水平應(yīng)力在不同位置也有變化?？拷鼧渡淼奈恢?，水平應(yīng)力相對(duì)較大；遠(yuǎn)離樁身的位置，水平應(yīng)力相對(duì)較小。這是因?yàn)闃渡淼拇嬖趯?duì)周圍土體產(chǎn)生側(cè)向擠壓作用，靠近樁身的土體受到的擠壓作用更明顯，導(dǎo)致水平應(yīng)力增大；而遠(yuǎn)離樁身的土體受到的擠壓作用較弱，水平應(yīng)力相對(duì)較小。通過在不同位置埋設(shè)水平土壓力盒進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)靠近剛性樁樁身0.5m范圍內(nèi)，樁間土水平應(yīng)力比遠(yuǎn)離樁身1m處高出30%-40%。4.3.2褥墊層對(duì)應(yīng)力調(diào)整的作用褥墊層在剛-柔性樁復(fù)合地基中對(duì)樁土應(yīng)力分布起著至關(guān)重要的調(diào)整作用。隨著褥墊層厚度的增加，樁土應(yīng)力比逐漸減小。在哈大客運(yùn)專線的試驗(yàn)中，當(dāng)褥墊層厚度從150mm增加到300mm時(shí)，樁土應(yīng)力比從4.5減小到3.0左右。這是因?yàn)槿靿|層厚度增加，其變形能力增強(qiáng)，能夠更好地將荷載傳遞到樁間土上，使樁間土承擔(dān)的荷載比例增大，從而降低了樁土應(yīng)力比。通過數(shù)值模擬分析也驗(yàn)證了這一規(guī)律，當(dāng)褥墊層厚度增大時(shí)，樁身應(yīng)力減小，樁間土應(yīng)力增大，樁土應(yīng)力比明顯降低。褥墊層模量對(duì)樁土應(yīng)力分布也有顯著影響。隨著褥墊層模量的增大，樁土應(yīng)力比逐漸增大。在試驗(yàn)中，當(dāng)褥墊層模量從20MPa增大到50MPa時(shí)，樁土應(yīng)力比從3.0增大到3.5左右。這是因?yàn)槿靿|層模量增大，其剛度增加，荷載更容易傳遞到剛性樁上，導(dǎo)致剛性樁承擔(dān)的荷載比例增大，樁土應(yīng)力比相應(yīng)增大。通過數(shù)值模擬進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，褥墊層模量的變化會(huì)影響樁土之間的荷載傳遞路徑和應(yīng)力分布，模量較大時(shí)，樁身承擔(dān)的荷載更多，樁間土承擔(dān)的荷載相對(duì)減少。褥墊層在協(xié)調(diào)樁土變形方面也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。由于剛性樁和柔性樁的剛度不同，在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生不同程度的沉降。褥墊層可以通過自身的變形來適應(yīng)這種差異，保證樁和樁間土始終共同工作。在哈大客運(yùn)專線的試驗(yàn)中，通過對(duì)樁頂和樁間土表面的沉降觀測發(fā)現(xiàn)，設(shè)置合適厚度和模量的褥墊層后，樁頂和樁間土表面的沉降差明顯減小，有效避免了樁土脫開等不利情況的發(fā)生，增強(qiáng)了復(fù)合地基的整體性和穩(wěn)定性。通過數(shù)值模擬分析不同褥墊層參數(shù)下樁土的變形情況，也進(jìn)一步證實(shí)了褥墊層在協(xié)調(diào)樁土變形方面的重要作用，合理的褥墊層參數(shù)能夠使樁土變形更加協(xié)調(diào)，提高復(fù)合地基的工作性能。五、數(shù)值模擬分析5.1數(shù)值模擬模型建立本研究選用大型通用有限元軟件PLAXIS3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析。該軟件在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具備強(qiáng)大的材料模型庫和分析功能，能夠準(zhǔn)確模擬樁土相互作用、地基沉降等復(fù)雜力學(xué)行為，為研究剛-柔性樁復(fù)合地基的工作性狀提供了有力工具。在模型建立過程中，首先進(jìn)行單元類型選擇。土體采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元，這種單元能夠較好地模擬土體的復(fù)雜幾何形狀和變形特性，準(zhǔn)確反映土體在荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變分布。剛性樁（CFG樁）和柔性樁（水泥攪拌樁）選用梁單元進(jìn)行模擬，梁單元可以有效模擬樁的軸向和彎曲變形，準(zhǔn)確傳遞樁身的荷載和應(yīng)力。褥墊層采用實(shí)體單元，能夠精確模擬其在荷載作用下的變形和應(yīng)力傳遞特性。材料參數(shù)設(shè)定依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報(bào)告和室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果。土體的彈性模量、泊松比、重度等參數(shù)根據(jù)不同土層的實(shí)際情況進(jìn)行賦值。例如，對(duì)于粉質(zhì)黏土，彈性模量取15MPa，泊松比取0.35，重度取18kN/m3；對(duì)于淤泥質(zhì)土，彈性模量取8MPa，泊松比取0.4，重度取17kN/m3。剛性樁（CFG樁）的彈性模量取25GPa，泊松比取0.2，重度取25kN/m3；柔性樁（水泥攪拌樁）的彈性模量取500MPa，泊松比取0.3，重度取20kN/m3。褥墊層材料采用碎石，彈性模量取80MPa，泊松比取0.3，重度取22kN/m3。這些參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定，能夠真實(shí)反映材料的力學(xué)性能，為數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性提供保障。邊界條件處理方面，模型底部施加固定約束，限制其在x、y、z三個(gè)方向的位移，模擬地基底部的實(shí)際約束情況。模型四周側(cè)面施加水平約束，限制其在x和y方向的位移，僅允許在z方向發(fā)生沉降，以模擬地基在實(shí)際工程中的邊界條件。在模型頂部施加均布荷載，模擬上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，荷載大小根據(jù)哈大客運(yùn)專線的實(shí)際設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行取值，確保模擬工況與實(shí)際工程相符。5.2模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證將數(shù)值模擬得到的復(fù)合地基承載性狀、沉降性狀和應(yīng)力性狀結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。在承載性狀方面，對(duì)比單樁豎向承載力和復(fù)合地基承載力特征值。數(shù)值模擬得到的剛性樁（CFG樁）單樁豎向承載力為500kN-550kN，與現(xiàn)場單樁靜載荷試驗(yàn)得到的520kN-540kN相近，偏差在5%以內(nèi)。復(fù)合地基承載力特征值的模擬結(jié)果為260kPa-310kPa，現(xiàn)場載荷試驗(yàn)結(jié)果為250kPa-300kPa，兩者偏差在10%以內(nèi)，處于合理范圍，表明數(shù)值模擬能夠較好地反映復(fù)合地基的承載性能。在沉降性狀方面，對(duì)比基底沉降隨荷載變化曲線和樁土沉降協(xié)調(diào)關(guān)系。數(shù)值模擬得到的基底沉降隨荷載變化曲線與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，在加載初期，沉降增長較快，隨著荷載增加，沉降速率逐漸減小。在相同荷載作用下，數(shù)值模擬的基底沉降量與現(xiàn)場實(shí)測值偏差在15%以內(nèi)。對(duì)于樁土沉降協(xié)調(diào)關(guān)系，數(shù)值模擬結(jié)果顯示剛性樁沉降小于柔性樁和樁間土，與現(xiàn)場試驗(yàn)觀測結(jié)果相符，且樁土沉降差異的模擬值與實(shí)測值偏差在10%-20%之間，驗(yàn)證了數(shù)值模型對(duì)沉降性狀模擬的準(zhǔn)確性。在應(yīng)力性狀方面，對(duì)比樁間土豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力分布。數(shù)值模擬得到的樁間土豎向應(yīng)力隨深度變化規(guī)律與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果一致，在淺層地基中豎向應(yīng)力較小，隨著深度增加先增大后減小，在2m-4m深度范圍內(nèi)達(dá)到最大值。樁間土水平應(yīng)力隨深度變化相對(duì)較小，且在加載過程中逐漸增大，與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果相符。在相同位置處，樁間土豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力的模擬值與實(shí)測值偏差在15%-20%之間，表明數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地反映樁間土的應(yīng)力分布情況。通過以上對(duì)比驗(yàn)證，充分證明了數(shù)值模型的合理性和準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步深入研究剛-柔性樁復(fù)合地基的工作性狀提供了可靠依據(jù)。5.3參數(shù)敏感性分析5.3.1樁長對(duì)工作性狀的影響通過數(shù)值模擬，分別改變剛性樁和柔性樁的樁長，深入研究其對(duì)復(fù)合地基承載力、沉降和應(yīng)力分布的影響規(guī)律。在模擬過程中，保持其他參數(shù)不變，將剛性樁樁長從12m逐步增加到18m，柔性樁樁長從6m增加到10m。隨著剛性樁樁長的增加，復(fù)合地基的承載力顯著提高。這是因?yàn)閯傂詷稑堕L的增加，使其能夠?qū)⒑奢d傳遞到更深層的地基土中，充分利用深層地基土的承載能力。當(dāng)剛性樁樁長從12m增加到18m時(shí)，復(fù)合地基的承載力特征值從260kPa提高到320kPa，增長幅度約為23%。剛性樁樁長的增加還能有效減小復(fù)合地基的沉降。通過模擬分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)剛性樁樁長增加時(shí)，基底沉降明顯減小。這是因?yàn)闃堕L增加，樁端阻力發(fā)揮的作用更大，樁身的承載能力增強(qiáng)，從而減少了地基的壓縮變形。在模擬工況下，剛性樁樁長從12m增加到18m，基底沉降量從120mm減小到80mm，減小幅度約為33%。在應(yīng)力分布方面，剛性樁樁長的變化對(duì)樁身軸力和樁側(cè)摩阻力分布有顯著影響。隨著樁長的增加，樁身軸力沿深度方向的衰減速度變慢，樁端軸力相對(duì)增大。這是因?yàn)闃堕L增加，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮范圍增大，更多的荷載能夠傳遞到樁端。樁側(cè)摩阻力在樁身上部的發(fā)揮更加充分，且沿樁身的分布更加均勻。在模擬結(jié)果中，當(dāng)剛性樁樁長為12m時(shí)，樁身軸力在樁身中部就出現(xiàn)了明顯的衰減；而當(dāng)樁長增加到18m時(shí)，樁身軸力在樁身下部才開始明顯衰減，樁側(cè)摩阻力在樁身上部的峰值也有所增加。柔性樁樁長的增加對(duì)復(fù)合地基承載力也有一定的提升作用，但提升幅度相對(duì)較小。當(dāng)柔性樁樁長從6m增加到10m時(shí)，復(fù)合地基的承載力特征值從260kPa提高到280kPa，增長幅度約為8%。這是因?yàn)槿嵝詷吨饕袚?dān)淺層荷載，樁長的增加對(duì)深層地基土的承載能力利用有限。柔性樁樁長的增加能在一定程度上減小基底沉降，從模擬結(jié)果來看，柔性樁樁長從6m增加到10m，基底沉降量從120mm減小到100mm，減小幅度約為17%。在應(yīng)力分布方面，柔性樁樁長的增加使得樁身軸力在樁身上部的衰減速度變慢，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮范圍增大，樁側(cè)摩阻力在樁身中部和下部的數(shù)值有所增加。這表明柔性樁樁長的增加能更好地發(fā)揮其與樁間土的協(xié)同作用，共同承擔(dān)淺層荷載。5.3.2樁間距對(duì)工作性狀的影響在數(shù)值模擬中，通過調(diào)整樁間距，研究其對(duì)復(fù)合地基工作性狀的作用。保持其他參數(shù)不變，將剛性樁樁間距從1.5m逐步增大到2.1m，柔性樁樁間距從1.2m增大到1.8m。隨著樁間距的增大，復(fù)合地基的承載力逐漸降低。這是因?yàn)闃堕g距增大，單位面積內(nèi)的樁數(shù)減少，樁承擔(dān)的荷載比例相對(duì)減小，樁間土承擔(dān)的荷載比例相對(duì)增大。當(dāng)剛性樁樁間距從1.5m增大到2.1m時(shí)，復(fù)合地基的承載力特征值從300kPa降低到240kPa，降低幅度約為20%。樁間距的增大還會(huì)導(dǎo)致復(fù)合地基的沉降增加。在模擬過程中，發(fā)現(xiàn)樁間距增大，基底沉降明顯增大。這是由于樁數(shù)減少，樁對(duì)地基土的加固作用減弱，地基土的壓縮變形增大。當(dāng)剛性樁樁間距從1.5m增大到2.1m時(shí)，基底沉降量從80mm增加到120mm，增加幅度約為50%。在應(yīng)力分布方面，樁間距的變化對(duì)樁間土應(yīng)力和樁身應(yīng)力有顯著影響。隨著樁間距的增大，樁間土豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力都有所增大。這是因?yàn)闃堕g距增大，樁對(duì)樁間土的約束作用減弱，樁間土承擔(dān)的荷載增加，導(dǎo)致其應(yīng)力增大。樁身軸力和樁側(cè)摩阻力都有所減小。這是因?yàn)闃堕g距增大，單位面積內(nèi)的樁數(shù)減少，每根樁承擔(dān)的荷載相對(duì)減小，樁身的受力也相應(yīng)減小。在模擬結(jié)果中，當(dāng)剛性樁樁間距從1.5m增大到2.1m時(shí)，樁間土豎向應(yīng)力在距離基底2m處從120kPa增加到150kPa，樁身軸力在樁頂處從400kN減小到300kN。通過對(duì)不同樁間距下復(fù)合地基工作性狀的分析，確定合理的樁間距范圍對(duì)于哈大客運(yùn)專線剛-柔性樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)荷載等因素，綜合考慮樁間距的取值。對(duì)于地質(zhì)條件較差、荷載較大的路段，樁間距應(yīng)適當(dāng)減小，以提高復(fù)合地基的承載力和穩(wěn)定性；對(duì)于地質(zhì)條件較好、荷載較小的路段，樁間距可適當(dāng)增大，以降低工程成本。在哈大客運(yùn)專線的設(shè)計(jì)中，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，剛性樁樁間距一般控制在1.5m-1.8m之間，柔性樁樁間距控制在1.2m-1.5m之間較為合理。5.3.3褥墊層參數(shù)對(duì)工作性狀的影響在數(shù)值模擬中，通過改變?nèi)靿|層厚度和模量，深入分析其對(duì)樁土荷載分擔(dān)、沉降和應(yīng)力分布的影響，以優(yōu)化褥墊層設(shè)計(jì)。保持其他參數(shù)不變，將褥墊層厚度從150mm逐步增加到300mm，模量從20MPa增加到50MPa。隨著褥墊層厚度的增加，樁土應(yīng)力比逐漸減小。這是因?yàn)槿靿|層厚度增加，其變形能力增強(qiáng)，能夠更好地將荷載傳遞到樁間土上，使樁間土承擔(dān)的荷載比例增大，從而降低了樁土應(yīng)力比。當(dāng)褥墊層厚度從150mm增加到300mm時(shí)，樁土應(yīng)力比從4.0減小到3.0左右。褥墊層厚度的增加還能有效減小基底沉降。在模擬過程中，發(fā)現(xiàn)隨著褥墊層厚度的增加，基底沉降逐漸減小。這是因?yàn)槿靿|層厚度增加，其對(duì)樁土變形的協(xié)調(diào)作用增強(qiáng)，使得樁和樁間土的變形更加均勻，從而減少了地基的不均勻沉降。當(dāng)褥墊層厚度從150mm增加到300mm時(shí)，基底沉降量從100mm減小到80mm，減小幅度約為20%。在應(yīng)力分布方面，褥墊層厚度的增加會(huì)使樁身應(yīng)力減小，樁間土應(yīng)力增大。這是因?yàn)槿靿|層厚度增加，荷載更多地傳遞到樁間土上，樁身承擔(dān)的荷載相對(duì)減小。在模擬結(jié)果中，當(dāng)褥墊層厚度為150mm時(shí)，樁身軸力在樁頂處為400kN，樁間土豎向應(yīng)力在距離基底2m處為100kPa；當(dāng)褥墊層厚度增加到300mm時(shí)，樁身軸力在樁頂處減小到350kN，樁間土豎向應(yīng)力在距離基底2m處增大到120kPa。隨著褥墊層模量的增大，樁土應(yīng)力比逐漸增大。這是因?yàn)槿靿|層模量增大，其剛度增加，荷載更容易傳遞到剛性樁上，導(dǎo)致剛性樁承擔(dān)的荷載比例增大，樁土應(yīng)力比相應(yīng)增大。當(dāng)褥墊層模量從20MPa增加到50MPa時(shí)，樁土應(yīng)力比從3.0增大到3.5左右。褥墊層模量的增大對(duì)基底沉降的影響較小，但會(huì)使樁身應(yīng)力增大，樁間土應(yīng)力減小。在模擬過程中，發(fā)現(xiàn)褥墊層模量增大，樁身軸力和樁側(cè)摩阻力都有所增大，樁間土豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力都有所減小。這是因?yàn)槿靿|層模量增大，其對(duì)荷載的傳遞能力增強(qiáng)，更多的荷載傳遞到剛性樁上，樁間土承擔(dān)的荷載相對(duì)減少。在模擬結(jié)果中，當(dāng)褥墊層模量為20MPa時(shí)，樁身軸力在樁頂處為350kN，樁間土豎向應(yīng)力在距離基底2m處為120kPa；當(dāng)褥墊層模量增加到50MPa時(shí)，樁身軸力在樁頂處增大到380kN，樁間土豎向應(yīng)力在距離基底2m處減小到100kPa。通過對(duì)不同褥墊層參數(shù)下復(fù)合地基工作性狀的分析，為優(yōu)化褥墊層設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。在哈大客運(yùn)專線剛-柔性樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)樁土應(yīng)力比和沉降控制要求，合理選擇褥墊層厚度和模量。對(duì)于樁土剛度差異較大的情況，可適當(dāng)增加褥墊層厚度，減小模量，以更好地調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力分布和協(xié)調(diào)樁土變形；對(duì)于樁土剛度差異較小的情況，可適當(dāng)減小褥墊層厚度，增大模量，以提高復(fù)合地基的整體剛度。一般來說，褥墊層厚度在200mm-250mm之間，模量在30MPa-40MPa之間較為合適。六、工程應(yīng)用與優(yōu)化建議6.1哈大客運(yùn)專線剛-柔性樁復(fù)合地基應(yīng)用效果評(píng)估在哈大客運(yùn)專線的建設(shè)中，剛-柔性樁復(fù)合地基在多個(gè)路段得到了成功應(yīng)用，取得了顯著的效果。通過對(duì)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)和長期運(yùn)營監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)剛-柔性樁復(fù)合地基有效地提高了地基的承載能力，滿足了客運(yùn)專線對(duì)路基穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求。在新營口車站等軟土地基路段，剛-柔性樁復(fù)合地基的應(yīng)用使得地基承載力特征值達(dá)到了250kPa-300kPa，相比天然地基有了大幅提升，確保了車站等重要設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在沉降控制方面，剛-柔性樁復(fù)合地基也表現(xiàn)出良好的性能。通過合理設(shè)計(jì)樁長、樁間距和褥墊層參數(shù)，有效地減小了基底沉降和不均勻沉降。根據(jù)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，基底沉降在運(yùn)營初期增長較快，但隨著時(shí)間的推移逐漸趨于穩(wěn)定，最終沉降量控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。在一些軟土地基路段，基底最終沉降量控制在150mm以內(nèi)，滿足了客運(yùn)專線對(duì)路基沉降的嚴(yán)格要求，保證了軌道的平順性，減少了列車運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲，提高了乘客的舒適度。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。部分路段的樁身完整性檢測發(fā)現(xiàn)，存在少量樁身缺陷的情況，如樁身縮頸、斷樁等。這可能是由于施工過程中混凝土澆筑不連續(xù)、樁身垂直度控制不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е碌?。這些樁身缺陷會(huì)影響樁的承載能力和復(fù)合地基的整體性能，需要在后續(xù)工程中加強(qiáng)施工質(zhì)量控制。在一些地質(zhì)條件復(fù)雜的路段，如土層分布不均勻、存在孤石等情況，剛-柔性樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)和施工難度較大，容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)不合理、施工質(zhì)量難以保證等問題，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和施工工藝。6.2基于工作性狀研究的設(shè)計(jì)與施工優(yōu)化建議在樁型選擇方面，應(yīng)根據(jù)哈大客運(yùn)專線沿線的地質(zhì)條件和工程要求，合理確定剛性樁和柔性樁的類型。對(duì)于軟土地基深厚、荷載較大的路段，剛性樁優(yōu)先選用CFG樁，其強(qiáng)度和剛度高，能有效將荷載傳遞到深層地基土中，提高地基承載能力。在哈大客運(yùn)專線的新營口車站等地段，軟土層厚度大，采用CFG樁作為剛性樁，顯著增強(qiáng)了地基的承載性能。柔性樁可選用水泥攪拌樁，其能有效改善淺層地基土的性能，與剛性樁協(xié)同工作，共同承擔(dān)上部荷載。在軟土性質(zhì)較差、含水量高的路段，水泥攪拌樁通過與樁間土的緊密結(jié)合，形成穩(wěn)定的復(fù)合體系，提高了淺層地基的穩(wěn)定性。在參數(shù)設(shè)計(jì)上，根據(jù)復(fù)合地基的工作性狀，優(yōu)化樁長、樁間距和褥墊層參數(shù)。樁長的確定應(yīng)綜合考慮地基土的性質(zhì)、荷載大小以及沉降要求等因素。對(duì)于剛性樁，在軟土地基中，樁長應(yīng)穿透軟弱土層，將荷載傳遞到較硬的持力層上。在哈大客運(yùn)專線的試驗(yàn)中，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)分析，當(dāng)剛性樁樁長從12m增加到18m時(shí)，復(fù)合地基的承載力顯著提高，基底沉降明顯減小。對(duì)于柔性樁，樁長應(yīng)根據(jù)淺層地基土的加固需求確定，以有效改善淺層地基土的力學(xué)性能。樁間距的設(shè)計(jì)應(yīng)在保證樁間土承載能力充分發(fā)揮的同時(shí)，避免樁間土過度擾動(dòng)。通過數(shù)值模擬分析不同樁間距下復(fù)合地基的工作性狀，確定合理的樁間距范圍。在哈大客運(yùn)專線的設(shè)計(jì)中，剛性樁樁間距一般控制在1.5m-1.8m之間，柔性樁樁間距控制在1.2m-1.5m之間，可使復(fù)合地基的承載性能和沉降控制達(dá)到較好的平衡。褥墊層厚度和模量的選擇對(duì)樁土應(yīng)力分布和變形協(xié)調(diào)有重要影響。根據(jù)樁土剛度差異和沉降控制要求，合理調(diào)整褥墊層參數(shù)。一般來說，褥墊層厚度在200mm-250mm之間，模量在30MPa-40MPa之間，能較好地調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力比，減小基底沉降。在施工工藝方面，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，確保樁身的完整性和均勻性。剛性樁（如CFG樁）施工時(shí)，采用長螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓混合料成樁工藝，應(yīng)注意控制鉆進(jìn)速度、泵送混合料速度和提升鉆桿速度，防止出現(xiàn)斷樁、縮頸等質(zhì)量問題。在哈大客運(yùn)專線的施工中，通過加強(qiáng)施工過程控制，對(duì)鉆進(jìn)速度、泵送混合料速度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整，有效保證了CFG樁的施工質(zhì)量。柔性樁（如水泥攪拌樁）施工時(shí)，采用深層攪拌法，應(yīng)確保攪拌均勻，水泥漿與軟土充分混合。在施工前，對(duì)攪拌機(jī)進(jìn)行調(diào)試，確保攪拌葉片的轉(zhuǎn)速、提升速度等參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求；在施工過程中，嚴(yán)格控制攪拌樁的垂直度和樁長，保證施工質(zhì)量。在質(zhì)量控制方面，加強(qiáng)對(duì)樁身質(zhì)量和復(fù)合地基整體性能的檢測。采用低應(yīng)變法對(duì)樁身完整性進(jìn)行檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)樁身缺陷。在哈大客運(yùn)專線的工程中，對(duì)樁身完整性進(jìn)行全面檢測，對(duì)發(fā)現(xiàn)的樁身缺陷及時(shí)進(jìn)行處理，如對(duì)樁身縮頸部位進(jìn)行局部加固，對(duì)斷樁進(jìn)行重新施工等，確保樁身的承載能力。通過靜載荷試驗(yàn)對(duì)復(fù)合地基的承載力進(jìn)行檢驗(yàn)，確保復(fù)合地基滿足設(shè)計(jì)要求。在試驗(yàn)工點(diǎn)，按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，對(duì)復(fù)合地基的承載力進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，為工程的安全可靠提供保障。建立完善的質(zhì)量控制體系，加強(qiáng)對(duì)施工過程的監(jiān)督和管理，確保各項(xiàng)施工參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。在施工過程中，安排專業(yè)的質(zhì)量管理人員，對(duì)施工的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督，對(duì)不符合要求的施工行為及時(shí)糾正，保證施工質(zhì)量。6.3未來研究方向展望未來針對(duì)哈大客運(yùn)專線剛-柔性樁復(fù)合地基工作性狀的研究，可從以下幾個(gè)重點(diǎn)方向展開。在考慮環(huán)境因素影響方面，進(jìn)一步深入研究季節(jié)性凍土、地震等環(huán)境因素對(duì)剛-柔性樁復(fù)合地基長期性能的影響。針對(duì)季節(jié)性凍土，開展不同凍融循環(huán)次數(shù)下復(fù)合地基的現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究凍脹和融沉對(duì)樁土相互作用、樁身完整性以及地基沉降的影響規(guī)律，建立考慮季節(jié)性凍土特性的復(fù)合地基設(shè)計(jì)方法和長期性能評(píng)估模型。對(duì)于地震作用，通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析地震荷載作用下復(fù)合地基的動(dòng)力響應(yīng)特性，研究樁土應(yīng)力分布的變化、樁身的動(dòng)力穩(wěn)定性以及地基的抗震性能，提出適用于地震區(qū)的剛-柔性樁復(fù)合地基抗震設(shè)計(jì)方法和抗震加固措施。在多因素耦合作用研究上，開展多因素耦合作用下復(fù)合地基工作性狀的研究?？紤]樁長、樁間距、樁徑、褥墊層參數(shù)以及地質(zhì)條件等多種因素的相互作用，通過現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，建立多因素耦合作用下復(fù)合地基的力學(xué)模型，深入研究各因素之間的耦合關(guān)系對(duì)復(fù)合地基承載性狀、沉降性狀和應(yīng)力性狀的影響規(guī)律。運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析等方法，確定各因素對(duì)復(fù)合地基性能的影響權(quán)重，為復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。在監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備研發(fā)方面，研發(fā)更加先進(jìn)、準(zhǔn)確的監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合地基工作性狀