成層地基中不排水樁復(fù)合地基固結(jié)特性及影響因素的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進(jìn)程的加速，各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和高層建筑不斷涌現(xiàn)，對(duì)地基的承載能力和穩(wěn)定性提出了更高要求。在實(shí)際工程中，常常會(huì)遇到軟土地基等不良地質(zhì)條件，其強(qiáng)度低、壓縮性高、透水性差等特點(diǎn)，給工程建設(shè)帶來了極大的挑戰(zhàn)。為了提高地基的承載能力和穩(wěn)定性，減少地基沉降，復(fù)合地基技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。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。不排水樁復(fù)合地基作為復(fù)合地基的一種重要形式，具有獨(dú)特的工程特性和優(yōu)勢(shì)。不排水樁復(fù)合地基是指樁體的滲透性遠(yuǎn)低于樁周土，或者樁根本不透水的復(fù)合地基。在這類復(fù)合地基中，樁間土中孔隙水不會(huì)向樁體的徑向滲流，而荷載作用下樁中的超靜孔隙水徑向流向樁周土體，不會(huì)產(chǎn)生固結(jié)，其固結(jié)機(jī)理最為復(fù)雜。水泥土樁、CFG樁和低強(qiáng)度混凝土樁復(fù)合地基都屬于不排水樁復(fù)合地基。在許多實(shí)際工程場(chǎng)景中，如沿海地區(qū)的高層建筑、道路橋梁工程、大型工業(yè)廠房建設(shè)等，由于地基土多為軟黏土、淤泥質(zhì)土等軟弱土層，不排水樁復(fù)合地基憑借其能有效提高地基承載力、減小沉降量、增強(qiáng)地基穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，成為了常用的地基處理方式。在某沿海城市的高層建筑群建設(shè)中，采用了不排水樁復(fù)合地基技術(shù)，選用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，直徑1.0m，樁長25m，采用梅花形布置，樁間距3.0m，排距2.5m，并在樁頂設(shè)置承臺(tái)，采用注漿、高壓旋噴等工藝對(duì)樁周土進(jìn)行加固。通過對(duì)比分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)采用不排水樁復(fù)合地基后，地基沉降明顯減小，承載力得到提高，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確保了建筑物的安全穩(wěn)定。然而，成層地基中不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)過程受到多種因素的綜合影響，包括樁土模量比、滲透系數(shù)比、樁徑、樁間距、加載方式、排水條件以及土性參數(shù)等。這些因素相互作用，使得其固結(jié)機(jī)理極為復(fù)雜。傳統(tǒng)的固結(jié)理論基于線性假設(shè)，難以準(zhǔn)確描述不排水樁復(fù)合地基的非線性固結(jié)行為，無法滿足實(shí)際工程的高精度要求。在深厚軟土地基中，不排水樁常常未能打穿軟土而形成懸浮樁復(fù)合地基，其整體固結(jié)速率主要取決于下臥層土的固結(jié)速率，但目前尚未有較為簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確的計(jì)算方法對(duì)下臥層土的固結(jié)速率進(jìn)行估計(jì)。因此，深入研究成層地基中不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)分析具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義。準(zhǔn)確把握其固結(jié)特性和規(guī)律，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供更為科學(xué)、合理的理論依據(jù)，優(yōu)化不排水樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)參數(shù)，如樁長、樁徑、樁間距等，從而提高地基的承載能力和穩(wěn)定性，有效減少地基沉降和不均勻沉降，保障建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的安全可靠運(yùn)行，降低工程事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。精確的固結(jié)分析有助于合理安排施工進(jìn)度和工期。通過對(duì)固結(jié)過程的模擬和預(yù)測(cè)，可以確定地基達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度和穩(wěn)定性所需的時(shí)間，避免因過早加載或施工不當(dāng)導(dǎo)致地基失穩(wěn)或產(chǎn)生過大變形。這對(duì)于提高工程建設(shè)效率、降低工程成本具有重要作用。對(duì)成層地基中不排水樁復(fù)合地基固結(jié)分析的研究，能夠進(jìn)一步豐富和完善復(fù)合地基理論體系，推動(dòng)巖土工程學(xué)科的發(fā)展，為解決更多復(fù)雜地基問題提供理論支持和技術(shù)參考。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀復(fù)合地基技術(shù)自20世紀(jì)60年代起在國內(nèi)外得到廣泛研究和應(yīng)用。國外對(duì)復(fù)合地基的研究起步較早，在理論和實(shí)踐方面都取得了豐碩的成果。1962年，荷蘭的Koppejan提出了砂樁加固軟土地基的理論，奠定了散體材料樁復(fù)合地基的理論基礎(chǔ)。隨后，Bergado等學(xué)者對(duì)砂樁復(fù)合地基的加固機(jī)理、設(shè)計(jì)方法和工程應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，揭示了砂樁在軟土地基中的擠密、排水和增強(qiáng)作用，為砂樁復(fù)合地基的工程應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。在剛性樁復(fù)合地基方面，國外學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究。Priebe提出了復(fù)合地基的等應(yīng)變假設(shè)，并基于此建立了復(fù)合地基的承載力和沉降計(jì)算方法，該方法在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法逐漸成為研究復(fù)合地基的重要手段。Ghaboussi等學(xué)者利用有限元方法對(duì)復(fù)合地基的受力和變形特性進(jìn)行了模擬分析，研究了樁土相互作用、荷載傳遞規(guī)律以及各種因素對(duì)復(fù)合地基性能的影響，為復(fù)合地基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有力的工具。國內(nèi)對(duì)復(fù)合地基的研究始于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過多年的發(fā)展，在理論研究、工程應(yīng)用和規(guī)范制定等方面都取得了顯著的成就。在理論研究方面，龔曉南教授對(duì)復(fù)合地基的概念、分類和設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，提出了復(fù)合地基承載力和沉降計(jì)算的實(shí)用方法，推動(dòng)了復(fù)合地基理論的發(fā)展。此后，許多學(xué)者圍繞復(fù)合地基的固結(jié)理論、樁土相互作用機(jī)理、承載力和沉降計(jì)算方法等方面展開了深入研究，取得了一系列重要成果。在不排水樁復(fù)合地基固結(jié)分析方面，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究工作。Barron基于太沙基一維固結(jié)理論，考慮了井阻和涂抹效應(yīng)，推導(dǎo)了砂井地基的固結(jié)解析解，為不排水樁復(fù)合地基固結(jié)理論的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨后，許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和完善，考慮了更多的影響因素，如樁土模量比、滲透系數(shù)比、加載方式等，使固結(jié)理論更加符合實(shí)際工程情況。楊濤等學(xué)者針對(duì)深厚軟土地基中懸浮不排水樁復(fù)合地基下臥層固結(jié)問題，基于懸浮不排水樁復(fù)合地基平均超靜孔隙水壓力解答，推導(dǎo)出復(fù)合地基下臥層固結(jié)度的解析解，并利用該解析解進(jìn)行參數(shù)分析，研究了不排水樁的貫入比、置換率和樁土壓縮模量比對(duì)復(fù)合地基下臥層固結(jié)速率的影響。然而，現(xiàn)有研究在理論模型的建立和參數(shù)的確定方面仍存在一定的局限性。在理論模型方面，雖然考慮了多種因素的影響，但由于實(shí)際工程中地質(zhì)條件和施工過程的復(fù)雜性，理論模型往往難以完全準(zhǔn)確地描述不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)行為。在參數(shù)確定方面，一些關(guān)鍵參數(shù)，如樁土間的相互作用參數(shù)、土體的滲透系數(shù)等，難以通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試或室內(nèi)試驗(yàn)準(zhǔn)確獲取，這也在一定程度上影響了固結(jié)分析的準(zhǔn)確性。數(shù)值模擬方法在不排水樁復(fù)合地基固結(jié)分析中也得到了廣泛應(yīng)用。有限元法、有限差分法等數(shù)值方法能夠考慮復(fù)雜的邊界條件和材料非線性特性，對(duì)不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)過程進(jìn)行較為全面的模擬。但數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于模型的合理性和參數(shù)的選取，如何建立更加合理的數(shù)值模型和準(zhǔn)確選取參數(shù)，仍然是需要進(jìn)一步研究的問題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容理論分析：基于Biot固結(jié)理論，充分考慮樁土相互作用、非線性滲透特性以及成層地基的特點(diǎn)，建立成層地基中不排水樁復(fù)合地基的非線性固結(jié)控制方程。運(yùn)用數(shù)學(xué)變換和分離變量法等數(shù)學(xué)手段，對(duì)控制方程進(jìn)行求解，推導(dǎo)不排水樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力及孔隙水壓力的解析解。通過迭代計(jì)算，精確確定樁土界面處的連續(xù)條件，進(jìn)而得到復(fù)合地基整體固結(jié)的解析解。數(shù)值模擬：利用有限元軟件，如ABAQUS、ANSYS等，建立成層地基中不排水樁復(fù)合地基的三維數(shù)值模型。模型中全面考慮樁、土、墊層等組成部分的材料特性和相互作用，以及復(fù)雜的邊界條件。通過數(shù)值模擬，深入研究不同工況下不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)過程，詳細(xì)分析樁土應(yīng)力分布、孔隙水壓力消散以及沉降變形等特性。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行全面分析，深入探討各參數(shù)對(duì)不排水樁復(fù)合地基固結(jié)性能的影響規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。參數(shù)分析：確定影響成層地基中不排水樁復(fù)合地基固結(jié)性狀的關(guān)鍵參數(shù)，如樁土模量比、滲透系數(shù)比、樁徑、樁間距、加載方式、排水條件以及土性參數(shù)等。采用控制變量法，即保持其他參數(shù)不變，單獨(dú)改變某一參數(shù)，系統(tǒng)研究各參數(shù)對(duì)不排水樁復(fù)合地基固結(jié)度、沉降量、樁土應(yīng)力比等關(guān)鍵指標(biāo)的影響規(guī)律。通過參數(shù)分析，明確各參數(shù)的影響程度和敏感性，為不排水樁復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵參數(shù)依據(jù)。案例分析：收集實(shí)際工程中的成層地基不排水樁復(fù)合地基案例，詳細(xì)獲取工程的地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)參數(shù)、施工過程以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息。運(yùn)用建立的理論模型和數(shù)值模型，對(duì)實(shí)際工程案例進(jìn)行模擬分析，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。通過案例分析，檢驗(yàn)理論模型和數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工提供有益的參考和借鑒。1.3.2研究方法理論推導(dǎo)：依據(jù)非線性彈性力學(xué)和滲流力學(xué)的基本原理，結(jié)合成層地基的實(shí)際特性，建立不排水樁復(fù)合地基的非線性固結(jié)控制方程。運(yùn)用數(shù)學(xué)變換和分離變量法等數(shù)學(xué)工具，對(duì)控制方程進(jìn)行嚴(yán)格求解，得到樁土應(yīng)力及孔隙水壓力的解析解。通過迭代計(jì)算，準(zhǔn)確確定樁土界面處的連續(xù)條件，從而獲得復(fù)合地基整體固結(jié)的解析解。通過理論推導(dǎo)，深入揭示不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)機(jī)理和規(guī)律，為數(shù)值模擬和工程應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬：運(yùn)用有限元軟件，如ABAQUS、ANSYS等，構(gòu)建成層地基中不排水樁復(fù)合地基的三維數(shù)值模型。在模型中，充分考慮樁、土、墊層等組成部分的材料特性和相互作用，以及復(fù)雜的邊界條件。通過數(shù)值模擬，全面研究不同工況下不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)過程，詳細(xì)分析樁土應(yīng)力分布、孔隙水壓力消散以及沉降變形等特性。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析，探討各參數(shù)對(duì)不排水樁復(fù)合地基固結(jié)性能的影響規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。案例分析：收集實(shí)際工程中的成層地基不排水樁復(fù)合地基案例，全面獲取工程的地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)參數(shù)、施工過程以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息。運(yùn)用建立的理論模型和數(shù)值模型，對(duì)實(shí)際工程案例進(jìn)行模擬分析，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。通過案例分析，檢驗(yàn)理論模型和數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工提供有益的參考和借鑒。二、成層地基與不排水樁復(fù)合地基基本理論2.1成層地基的特點(diǎn)與分類2.1.1成層地基的定義和構(gòu)成成層地基是指在一定深度范圍內(nèi)，由多層不同性質(zhì)的土層相互疊置而構(gòu)成的地基結(jié)構(gòu)。這種地基在自然界中廣泛存在，其形成與地質(zhì)歷史時(shí)期的沉積環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及風(fēng)化作用等密切相關(guān)。在河流沖積平原地區(qū)，由于河水的搬運(yùn)和沉積作用，往往會(huì)形成由砂層、粉質(zhì)土層和粘土層等交替組成的成層地基；在濱海地區(qū)，海洋的潮汐作用和波浪侵蝕會(huì)導(dǎo)致海相沉積物的堆積，形成具有不同特性的成層地基。成層地基中的各土層在物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)等方面存在顯著差異。這些差異使得成層地基的工程特性與單一土層地基相比更為復(fù)雜，給工程建設(shè)帶來了諸多挑戰(zhàn)。不同土層的顆粒組成不同，會(huì)導(dǎo)致其孔隙比、密度等物理性質(zhì)不同。砂層通常顆粒較大，孔隙比相對(duì)較小，密度較大；而粘土層顆粒細(xì)小，孔隙比大，密度相對(duì)較小。這種物理性質(zhì)的差異會(huì)直接影響地基的承載能力和變形特性。力學(xué)性質(zhì)方面，各土層的壓縮模量、抗剪強(qiáng)度等參數(shù)也各不相同。壓縮模量較大的土層，在荷載作用下的壓縮變形相對(duì)較??；而抗剪強(qiáng)度較高的土層，能夠承受更大的剪切力，對(duì)地基的穩(wěn)定性起到重要作用。在水理性質(zhì)上，不同土層的滲透系數(shù)、飽和度等存在差異。滲透系數(shù)大的土層，孔隙水的流動(dòng)速度較快，在地基固結(jié)過程中，孔隙水壓力的消散速度也較快；而飽和度高的土層，在荷載作用下，孔隙水的排出難度較大，可能會(huì)導(dǎo)致地基沉降的延遲和增大。這些土層的差異分布對(duì)地基的承載能力、沉降變形以及穩(wěn)定性等工程特性產(chǎn)生重要影響。當(dāng)荷載作用于成層地基時(shí)，由于各土層的力學(xué)性質(zhì)不同，會(huì)導(dǎo)致地基中的應(yīng)力分布不均勻，進(jìn)而引起不均勻沉降。若上層土的壓縮模量較小，而下層土的壓縮模量較大，在荷載作用下，上層土的壓縮變形會(huì)相對(duì)較大，從而導(dǎo)致地基表面出現(xiàn)較大的沉降差，影響建筑物的正常使用。土層的差異分布還會(huì)影響地基的穩(wěn)定性。如果地基中存在軟弱土層，且該土層的抗剪強(qiáng)度較低，在外部荷載或其他因素的作用下，軟弱土層可能會(huì)發(fā)生剪切破壞，進(jìn)而引發(fā)地基的整體失穩(wěn)。在地震等動(dòng)力荷載作用下，成層地基中不同土層的動(dòng)力響應(yīng)特性不同，可能會(huì)導(dǎo)致地基的振動(dòng)放大效應(yīng)，增加建筑物遭受破壞的風(fēng)險(xiǎn)。2.1.2成層地基的分類及特性差異根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，成層地基可以分為多種類型，每種類型都具有獨(dú)特的特性差異。按土層的組合形式，成層地基可分為勻質(zhì)成層地基和非勻質(zhì)成層地基。勻質(zhì)成層地基是指各土層的性質(zhì)相對(duì)均勻，在水平方向上變化較小，如由多層性質(zhì)相近的砂層組成的地基。這種地基在荷載作用下，其應(yīng)力分布和變形特性相對(duì)較為規(guī)則，分析和計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單。非勻質(zhì)成層地基則是指各土層的性質(zhì)在水平方向上存在明顯變化，如在山區(qū)，地基可能由巖石層和土層交替組成，且土層的厚度和性質(zhì)在短距離內(nèi)變化較大。這種地基的應(yīng)力分布和變形特性較為復(fù)雜，對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工提出了更高的要求。按土層的力學(xué)性質(zhì)，成層地基可分為硬殼層下臥軟土層地基、軟土層上覆硬土層地基和軟硬交替地基。硬殼層下臥軟土層地基中，硬殼層具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠承擔(dān)一定的荷載，起到擴(kuò)散應(yīng)力的作用；而軟土層則強(qiáng)度低、壓縮性高，是地基沉降的主要來源。在這種地基上進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，需要充分考慮硬殼層的承載能力和軟土層的壓縮變形，合理設(shè)計(jì)基礎(chǔ)形式和尺寸，以確保地基的穩(wěn)定性和建筑物的正常使用。軟土層上覆硬土層地基的特性與硬殼層下臥軟土層地基相反，軟土層在上部，硬土層在下部。由于軟土層的存在，地基的初始沉降較大，且沉降持續(xù)時(shí)間較長。在工程實(shí)踐中，需要對(duì)軟土層進(jìn)行加固處理，以提高地基的承載能力和減小沉降量。軟硬交替地基中，軟硬土層交替出現(xiàn)，其應(yīng)力分布和變形特性更為復(fù)雜。在這種地基上進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，需要特別注意軟硬土層界面處的應(yīng)力集中和變形協(xié)調(diào)問題，防止因界面處的破壞而導(dǎo)致地基失穩(wěn)。不同類型成層地基在土體剛度、滲透系數(shù)等特性上存在顯著差異。土體剛度方面，硬土層的剛度通常遠(yuǎn)大于軟土層。例如，巖石層的彈性模量可以達(dá)到幾十吉帕甚至更高，而軟粘土的彈性模量可能僅為幾兆帕。這種剛度差異會(huì)導(dǎo)致在荷載作用下，硬土層和軟土層的變形量不同，從而引起地基的不均勻沉降。滲透系數(shù)方面，砂層等透水性較好的土層，其滲透系數(shù)可以達(dá)到10^-3-10^-1cm/s，而粘土層等透水性較差的土層，滲透系數(shù)可能低至10^-7-10^-5cm/s。滲透系數(shù)的差異會(huì)影響地基中孔隙水的排出速度，進(jìn)而影響地基的固結(jié)過程和沉降發(fā)展。在軟土層上覆硬土層地基中，由于軟土層滲透系數(shù)小，孔隙水排出困難，地基的固結(jié)時(shí)間較長，沉降穩(wěn)定所需的時(shí)間也相應(yīng)增加。這些特性差異對(duì)不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)分析產(chǎn)生重要影響。土體剛度差異會(huì)改變樁土之間的荷載分擔(dān)比例和應(yīng)力傳遞路徑。在硬殼層下臥軟土層地基中，由于硬殼層的剛度較大，在荷載作用下，硬殼層會(huì)承擔(dān)較大比例的荷載，使得樁土應(yīng)力比發(fā)生變化。滲透系數(shù)差異會(huì)影響孔隙水壓力的消散速度和分布規(guī)律。在滲透系數(shù)較小的軟土層中，孔隙水壓力消散緩慢，會(huì)導(dǎo)致地基的固結(jié)速率降低，進(jìn)而影響不排水樁復(fù)合地基的整體固結(jié)效果。在分析成層地基中不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)時(shí)，必須充分考慮這些特性差異，以建立準(zhǔn)確的理論模型和計(jì)算方法。2.2不排水樁復(fù)合地基的工作原理與類型2.2.1不排水樁復(fù)合地基的組成與作用機(jī)制不排水樁復(fù)合地基主要由樁體、樁間土和墊層三部分組成。樁體是復(fù)合地基的重要增強(qiáng)體，通常采用水泥土樁、CFG樁、低強(qiáng)度混凝土樁等材料制成。這些樁體具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠有效地承擔(dān)上部荷載，并將荷載傳遞到深層地基中。樁間土是復(fù)合地基中的基體，其力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較弱，但在復(fù)合地基中也起著重要的作用。樁間土能夠與樁體共同承擔(dān)荷載，通過樁土相互作用，提高地基的整體承載能力和穩(wěn)定性。墊層設(shè)置在樁頂與基礎(chǔ)之間，一般采用砂石、灰土等材料。墊層的主要作用是調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力分布，使樁頂和樁間土的應(yīng)力更加均勻，同時(shí)也能增強(qiáng)樁土之間的協(xié)同工作能力，提高復(fù)合地基的整體性能。在荷載作用下，不排水樁復(fù)合地基中樁體與樁間土通過相互作用共同承擔(dān)荷載。當(dāng)上部荷載施加到復(fù)合地基上時(shí)，由于樁體的剛度遠(yuǎn)大于樁間土，樁體首先承擔(dān)大部分荷載，樁間土承擔(dān)的荷載相對(duì)較小。隨著荷載的增加，樁體產(chǎn)生一定的壓縮變形，樁間土也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變形。在這個(gè)過程中，樁體與樁間土之間會(huì)產(chǎn)生摩擦力和剪切力，這些力使得樁體和樁間土能夠協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載。樁體與樁間土的共同作用對(duì)地基承載能力和變形產(chǎn)生重要影響。樁體的存在增加了地基的承載能力，使地基能夠承受更大的荷載。樁體將荷載傳遞到深層地基中，減小了淺層地基的應(yīng)力，從而降低了地基的沉降量。樁土相互作用還能增強(qiáng)地基的穩(wěn)定性，提高地基抵抗水平荷載和地震作用的能力。在地震作用下，樁體能夠約束樁間土的變形，減少地基的側(cè)向位移，防止地基失穩(wěn)。2.2.2常見不排水樁復(fù)合地基的類型及特點(diǎn)常見的不排水樁復(fù)合地基類型包括水泥土樁復(fù)合地基、CFG樁復(fù)合地基和低強(qiáng)度混凝土樁復(fù)合地基等，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)。水泥土樁復(fù)合地基是通過將水泥等固化劑與軟土在原位進(jìn)行攪拌，使軟土硬結(jié)形成具有一定強(qiáng)度和整體性的樁體，與樁間土共同組成復(fù)合地基。其特點(diǎn)是施工工藝簡(jiǎn)單，對(duì)周圍環(huán)境影響小，成本相對(duì)較低。水泥土樁的強(qiáng)度相對(duì)較低，一般適用于處理淺層軟弱地基，對(duì)地基承載力提高幅度有限。在一些小型建筑工程中，如農(nóng)村自建房的地基處理，采用水泥土樁復(fù)合地基，施工方便，成本低廉，能夠滿足工程的基本要求。CFG樁復(fù)合地基是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水?dāng)嚢栊纬傻母哒辰Y(jié)強(qiáng)度樁，與樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基。CFG樁具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠顯著提高地基的承載能力，減小地基沉降。該類型復(fù)合地基適用范圍廣，可用于處理各種類型的軟弱地基，尤其適用于對(duì)地基承載力和沉降要求較高的高層建筑、大型工業(yè)廠房等工程。CFG樁施工過程中可能會(huì)產(chǎn)生一定的噪音和振動(dòng)，對(duì)周圍環(huán)境有一定影響，且成本相對(duì)較高。低強(qiáng)度混凝土樁復(fù)合地基是采用強(qiáng)度等級(jí)較低的混凝土制成樁體，與樁間土和墊層組成復(fù)合地基。低強(qiáng)度混凝土樁的強(qiáng)度介于水泥土樁和CFG樁之間，具有較好的承載能力和變形性能。該類型復(fù)合地基施工工藝成熟，施工速度快，成本相對(duì)較低，適用于一般的工業(yè)與民用建筑地基處理。但低強(qiáng)度混凝土樁的耐久性相對(duì)較差，在一些對(duì)耐久性要求較高的工程中應(yīng)用受到一定限制。2.3地基固結(jié)理論基礎(chǔ)2.3.1傳統(tǒng)固結(jié)理論概述傳統(tǒng)固結(jié)理論以太沙基（Terzaghi）一維固結(jié)理論為代表，是地基固結(jié)分析的重要基礎(chǔ)。太沙基一維固結(jié)理論建立在一系列基本假設(shè)之上，這些假設(shè)在一定程度上簡(jiǎn)化了實(shí)際的地基固結(jié)過程，使得理論分析成為可能。該理論假設(shè)土體是均質(zhì)、各向同性的飽和土體，這意味著土體在各個(gè)方向上的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)相同，且土體孔隙中完全充滿水。同時(shí)，假設(shè)土顆粒和水均不可壓縮，即土體的壓縮變形完全是由于孔隙水的排出引起的。在滲流方面，假設(shè)孔隙水的滲流服從達(dá)西定律，即滲流速度與水力梯度成正比，且滲流過程中土體的滲透系數(shù)保持不變。此外，還假設(shè)荷載是一次瞬時(shí)施加的，在固結(jié)過程中不發(fā)生變化?；谶@些假設(shè)，太沙基一維固結(jié)理論的核心是有效應(yīng)力原理和固結(jié)微分方程。有效應(yīng)力原理是太沙基固結(jié)理論的基石，它指出土體所受的總應(yīng)力等于有效應(yīng)力與孔隙水壓力之和，即\sigma=\sigma'+u，其中\(zhòng)sigma為總應(yīng)力，\sigma'為有效應(yīng)力，u為孔隙水壓力。在地基固結(jié)過程中，總應(yīng)力保持不變，而隨著孔隙水的排出，孔隙水壓力逐漸減小，有效應(yīng)力相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致土體發(fā)生壓縮變形。固結(jié)微分方程描述了孔隙水壓力隨時(shí)間和深度的變化規(guī)律。對(duì)于一維固結(jié)問題，在上述假設(shè)條件下，太沙基建立了如下固結(jié)微分方程：\frac{\partialu}{\partialt}=C_v\frac{\partial^2u}{\partialz^2}，其中u為孔隙水壓力，t為時(shí)間，z為深度，C_v為固結(jié)系數(shù)，C_v=\frac{k(1+e_0)}{\gamma_wa}，k為滲透系數(shù)，e_0為初始孔隙比，\gamma_w為水的重度，a為壓縮系數(shù)。通過求解該固結(jié)微分方程，并結(jié)合初始條件和邊界條件，可以得到孔隙水壓力、有效應(yīng)力和土體變形隨時(shí)間的變化關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算地基的固結(jié)度和沉降量。在初始時(shí)刻（t=0），土體中各點(diǎn)的孔隙水壓力等于總應(yīng)力，即u=\sigma；在邊界條件方面，當(dāng)z=0（透水邊界）時(shí)，孔隙水壓力u=0；當(dāng)z=H（不透水邊界）時(shí)，\frac{\partialu}{\partialz}=0，H為土層厚度。利用這些條件，采用傅里葉級(jí)數(shù)等數(shù)學(xué)方法對(duì)固結(jié)微分方程進(jìn)行求解，可得到孔隙水壓力的表達(dá)式為u=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{2\sigma}{\pin}\sin(\frac{n\piz}{H})e^{-\frac{n^2\pi^2C_vt}{H^2}}。根據(jù)孔隙水壓力的解，可以進(jìn)一步計(jì)算有效應(yīng)力\sigma'=\sigma-u，以及土體的沉降量s(t)=\int_{0}^{H}\frac{a\sigma'(z,t)}{1+e_0}dz。地基的固結(jié)度U(t)定義為某一時(shí)刻t地基的沉降量s(t)與最終沉降量s_{\infty}之比，即U(t)=\frac{s(t)}{s_{\infty}}。太沙基一維固結(jié)理論在地基固結(jié)分析中具有重要的地位，它為工程實(shí)踐提供了一種簡(jiǎn)單而有效的計(jì)算方法，能夠初步估算地基的固結(jié)時(shí)間和沉降量，在許多常規(guī)地基處理工程中得到了廣泛應(yīng)用。然而，該理論也存在一定的局限性，它僅考慮了一維滲流和壓縮情況，無法準(zhǔn)確描述實(shí)際工程中復(fù)雜的三維滲流和變形問題。對(duì)于非飽和土、成層地基以及存在樁土相互作用的復(fù)合地基等情況，太沙基一維固結(jié)理論的適用性受到限制，需要進(jìn)一步拓展和改進(jìn)。除太沙基一維固結(jié)理論外，還有比奧（Biot）三維固結(jié)理論。比奧三維固結(jié)理論考慮了土體的三維變形和孔隙水的三維滲流，同時(shí)考慮了土骨架的變形和孔隙水壓力的相互作用，能夠更全面地描述地基的固結(jié)過程。該理論基于彈性力學(xué)和滲流力學(xué)的基本原理，建立了更為復(fù)雜的控制方程，其基本方程包括平衡方程、幾何方程、本構(gòu)方程和滲流連續(xù)方程。平衡方程表示土體單元在各個(gè)方向上的力的平衡關(guān)系，即\sigma_{ij,j}+F_i=0，其中\(zhòng)sigma_{ij}為應(yīng)力分量，F(xiàn)_i為單位體積的體力分量，j為坐標(biāo)方向。幾何方程描述了土體的應(yīng)變與位移之間的關(guān)系，如\varepsilon_{ij}=\frac{1}{2}(u_{i,j}+u_{j,i})，\varepsilon_{ij}為應(yīng)變分量，u_i為位移分量。本構(gòu)方程反映了土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，對(duì)于線彈性體，采用廣義胡克定律\sigma_{ij}=2G\varepsilon_{ij}+\lambda\varepsilon_{kk}\delta_{ij}，G為剪切模量，\lambda為拉梅常數(shù)，\varepsilon_{kk}為體積應(yīng)變，\delta_{ij}為克羅內(nèi)克符號(hào)。滲流連續(xù)方程描述了孔隙水的流動(dòng)和孔隙水壓力的變化關(guān)系，即k_{ij}\frac{\partial^2u}{\partialx_i\partialx_j}=\frac{\partial}{\partialt}(\frac{\partialu}{\partialx_i}\frac{\partialu}{\partialx_j})，k_{ij}為滲透系數(shù)張量。比奧三維固結(jié)理論雖然更符合實(shí)際情況，但由于其控制方程較為復(fù)雜，求解難度較大，在實(shí)際工程應(yīng)用中受到一定限制，通常需要借助數(shù)值方法如有限元法進(jìn)行求解。2.3.2適用于不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)理論拓展傳統(tǒng)固結(jié)理論在應(yīng)用于不排水樁復(fù)合地基時(shí)存在諸多局限性。傳統(tǒng)固結(jié)理論多基于土體的線性假設(shè)，認(rèn)為土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和滲透特性是線性的。然而，在不排水樁復(fù)合地基中，樁體與樁間土的材料性質(zhì)和力學(xué)行為差異顯著，樁土相互作用復(fù)雜，導(dǎo)致土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)明顯的非線性。在荷載作用下，樁體首先承擔(dān)大部分荷載，隨著荷載的增加，樁土之間會(huì)發(fā)生相對(duì)位移和應(yīng)力重分布，這種復(fù)雜的力學(xué)行為無法用傳統(tǒng)的線性理論準(zhǔn)確描述。傳統(tǒng)固結(jié)理論通常假設(shè)土體是均質(zhì)、各向同性的，而不排水樁復(fù)合地基是由樁體、樁間土和墊層等組成的非均質(zhì)、各向異性體系。樁體的存在改變了地基的原有結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，使得地基在不同方向上的力學(xué)性能和滲流特性存在差異。樁體的剛度遠(yuǎn)大于樁間土，在水平方向和豎直方向上，樁土之間的相互作用和應(yīng)力傳遞規(guī)律不同，這與傳統(tǒng)固結(jié)理論的假設(shè)不符。針對(duì)不排水樁復(fù)合地基的特點(diǎn)，學(xué)者們對(duì)傳統(tǒng)固結(jié)理論進(jìn)行了多方面的拓展。考慮樁土相互作用是拓展的關(guān)鍵方向之一。在不排水樁復(fù)合地基中，樁土之間存在著復(fù)雜的荷載傳遞和變形協(xié)調(diào)關(guān)系。為了準(zhǔn)確描述這種關(guān)系，學(xué)者們引入了樁土應(yīng)力比、樁側(cè)摩阻力、樁端阻力等參數(shù)，建立了各種樁土相互作用模型?；趶椥岳碚摚僭O(shè)樁土之間為理想的彈性接觸，通過求解樁土體系的平衡方程和變形協(xié)調(diào)方程，得到樁土應(yīng)力比和樁側(cè)摩阻力的表達(dá)式。還有學(xué)者考慮樁土之間的非線性接觸特性，采用非線性彈簧模型或接觸單元來模擬樁土界面的力學(xué)行為，使模型更加符合實(shí)際情況?？紤]非線性滲透特性也是重要的拓展內(nèi)容。在不排水樁復(fù)合地基中，隨著荷載的增加和土體的變形，土體的滲透系數(shù)會(huì)發(fā)生變化，呈現(xiàn)出非線性滲透特性。為了考慮這一因素，學(xué)者們提出了多種非線性滲透模型，如基于孔隙比與滲透系數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到滲透系數(shù)隨孔隙比變化的函數(shù)關(guān)系；基于滲流理論的理論模型，從微觀角度分析土體孔隙結(jié)構(gòu)的變化對(duì)滲流的影響，建立滲透系數(shù)與應(yīng)力、應(yīng)變的理論關(guān)系?？紤]成層地基的影響是拓展的另一個(gè)重要方面。實(shí)際工程中的地基往往是成層的，各土層的性質(zhì)存在差異，這會(huì)對(duì)不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)產(chǎn)生顯著影響。為了考慮成層地基的影響，學(xué)者們建立了成層地基中不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)模型。在模型中，將各土層視為不同的材料層，分別考慮其力學(xué)性質(zhì)和滲透特性，通過界面條件來保證各土層之間的應(yīng)力和位移連續(xù)。采用有限元法或有限差分法對(duì)模型進(jìn)行求解，分析成層地基中不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)特性。在某軟土地基上的高層建筑工程中，采用了不排水樁復(fù)合地基進(jìn)行加固。該地基由上部的軟粘土層和下部的砂土層組成，為成層地基。在傳統(tǒng)固結(jié)理論分析中，由于未考慮樁土相互作用的非線性、土體的非線性滲透特性以及成層地基的影響，計(jì)算得到的地基沉降量和固結(jié)時(shí)間與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果存在較大偏差。而采用拓展后的固結(jié)理論進(jìn)行分析，充分考慮了上述因素，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更為接近，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地基的固結(jié)過程和變形特性，為工程設(shè)計(jì)和施工提供了更可靠的依據(jù)。三、成層地基中不排水樁復(fù)合地基固結(jié)分析方法3.1理論分析方法3.1.1基于Biot固結(jié)理論的分析模型建立Biot固結(jié)理論從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本原理出發(fā)，全面考慮了土體的變形、孔隙水的滲流以及兩者之間的相互作用，是一種較為完善的地基固結(jié)理論。在建立成層地基中不排水樁復(fù)合地基的分析模型時(shí)，依據(jù)Biot固結(jié)理論，將不排水樁復(fù)合地基視為由樁體、樁間土和墊層組成的三相飽和介質(zhì)體系。假設(shè)樁體和樁間土均為線彈性體，服從廣義胡克定律，且在荷載作用下滿足小變形條件。樁體和樁間土之間通過摩擦力和剪切力相互作用，共同承擔(dān)上部荷載。在滲流方面，考慮到樁體的滲透性遠(yuǎn)低于樁間土，樁間土中孔隙水不會(huì)向樁體的徑向滲流，而荷載作用下樁中的超靜孔隙水徑向流向樁周土體。對(duì)于成層地基，將其劃分為多個(gè)土層，每個(gè)土層具有不同的物理力學(xué)性質(zhì)，如彈性模量、泊松比、滲透系數(shù)等。在建立模型時(shí)，充分考慮各土層之間的界面條件，確保應(yīng)力和位移在土層界面處的連續(xù)性?；谏鲜黾僭O(shè)和考慮，建立成層地基中不排水樁復(fù)合地基的控制方程。控制方程包括平衡方程、幾何方程、本構(gòu)方程和滲流連續(xù)方程。平衡方程表示土體單元在各個(gè)方向上的力的平衡關(guān)系。在笛卡爾坐標(biāo)系下，對(duì)于樁間土單元，平衡方程為：\frac{\partial\sigma_{x}}{\partialx}+\frac{\partial\tau_{xy}}{\partialy}+\frac{\partial\tau_{xz}}{\partialz}+F_x=0\frac{\partial\tau_{yx}}{\partialx}+\frac{\partial\sigma_{y}}{\partialy}+\frac{\partial\tau_{yz}}{\partialz}+F_y=0\frac{\partial\tau_{zx}}{\partialx}+\frac{\partial\tau_{zy}}{\partialy}+\frac{\partial\sigma_{z}}{\partialz}+F_z=0其中，\sigma_{x}、\sigma_{y}、\sigma_{z}分別為x、y、z方向的正應(yīng)力，\tau_{xy}、\tau_{yz}、\tau_{zx}等為剪應(yīng)力，F(xiàn)_x、F_y、F_z為單位體積的體力分量。對(duì)于樁體單元，平衡方程同樣滿足上述形式，但其中的應(yīng)力和體力分量需根據(jù)樁體的特性進(jìn)行確定。幾何方程描述了土體的應(yīng)變與位移之間的關(guān)系。在小變形條件下，對(duì)于樁間土單元，幾何方程為：\varepsilon_{x}=\frac{\partialu}{\partialx}\varepsilon_{y}=\frac{\partialv}{\partialy}\varepsilon_{z}=\frac{\partialw}{\partialz}\gamma_{xy}=\frac{\partialu}{\partialy}+\frac{\partialv}{\partialx}\gamma_{yz}=\frac{\partialv}{\partialz}+\frac{\partialw}{\partialy}\gamma_{zx}=\frac{\partialw}{\partialx}+\frac{\partialu}{\partialz}其中，\varepsilon_{x}、\varepsilon_{y}、\varepsilon_{z}分別為x、y、z方向的正應(yīng)變，\gamma_{xy}、\gamma_{yz}、\gamma_{zx}為剪應(yīng)變，u、v、w分別為x、y、z方向的位移。樁體單元的幾何方程與樁間土單元類似，但需考慮樁體與樁間土之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系。本構(gòu)方程反映了土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。對(duì)于線彈性體，采用廣義胡克定律，對(duì)于樁間土單元，本構(gòu)方程為：\sigma_{x}=\lambda\theta+2G\varepsilon_{x}\sigma_{y}=\lambda\theta+2G\varepsilon_{y}\sigma_{z}=\lambda\theta+2G\varepsilon_{z}\tau_{xy}=G\gamma_{xy}\tau_{yz}=G\gamma_{yz}\tau_{zx}=G\gamma_{zx}其中，\lambda和G為拉梅常數(shù)，\theta=\varepsilon_{x}+\varepsilon_{y}+\varepsilon_{z}為體積應(yīng)變。樁體單元的本構(gòu)方程根據(jù)樁體材料的特性確定，其彈性模量和泊松比與樁間土不同。滲流連續(xù)方程描述了孔隙水的流動(dòng)和孔隙水壓力的變化關(guān)系。對(duì)于樁間土單元，滲流連續(xù)方程為：k_{x}\frac{\partial^2u_w}{\partialx^2}+k_{y}\frac{\partial^2u_w}{\partialy^2}+k_{z}\frac{\partial^2u_w}{\partialz^2}=\frac{\partial}{\partialt}(\frac{\partialu}{\partialx}+\frac{\partialv}{\partialy}+\frac{\partialw}{\partialz})其中，k_{x}、k_{y}、k_{z}分別為x、y、z方向的滲透系數(shù)，u_w為孔隙水壓力。由于樁體的滲透性遠(yuǎn)低于樁間土，對(duì)于樁體單元，可近似認(rèn)為其內(nèi)部孔隙水壓力不隨時(shí)間變化，即\frac{\partialu_{w,p}}{\partialt}=0，u_{w,p}為樁體內(nèi)部孔隙水壓力。在建立控制方程的基礎(chǔ)上，還需確定初始條件和邊界條件。初始條件通常假設(shè)在荷載施加前，土體中各點(diǎn)的孔隙水壓力為靜水壓力，即u_w(x,y,z,0)=u_{w0}，u_{w0}為初始孔隙水壓力。邊界條件根據(jù)實(shí)際工程情況確定，如在地基表面，通常假設(shè)為透水邊界，孔隙水壓力為零，即u_w(x,y,0,t)=0；在地基底部，假設(shè)為不透水邊界，孔隙水的流速為零，即\frac{\partialu_w}{\partialz}(x,y,H,t)=0，H為地基的總厚度。在樁土界面處，需滿足應(yīng)力和位移的連續(xù)條件，即樁體和樁間土在界面處的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力相等，位移也相等。3.1.2解析解的推導(dǎo)過程與關(guān)鍵參數(shù)確定為了求解上述建立的控制方程，得到成層地基中不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)解析解，采用數(shù)學(xué)變換和分離變量法等數(shù)學(xué)手段。將控制方程中的偏微分方程進(jìn)行分離變量，將時(shí)間變量和空間變量分開，轉(zhuǎn)化為常微分方程進(jìn)行求解。對(duì)于樁間土單元的滲流連續(xù)方程，通過引入拉普拉斯變換，將時(shí)間變量t轉(zhuǎn)化為復(fù)變量s，得到關(guān)于s的常微分方程。然后，利用分離變量法，將空間變量x、y、z也進(jìn)行分離，分別求解關(guān)于各空間變量的常微分方程。在求解過程中，利用初始條件和邊界條件確定方程中的積分常數(shù)。對(duì)于樁體單元，由于其內(nèi)部孔隙水壓力不隨時(shí)間變化，可通過樁土界面處的連續(xù)條件，將樁體的應(yīng)力和位移與樁間土的應(yīng)力和位移聯(lián)系起來，從而求解樁體的相關(guān)參數(shù)。通過迭代計(jì)算，精確確定樁土界面處的連續(xù)條件。在每次迭代中，根據(jù)上一次迭代得到的樁土應(yīng)力和位移，計(jì)算樁土界面處的應(yīng)力和位移差，然后調(diào)整樁土之間的相互作用參數(shù)，使得樁土界面處的應(yīng)力和位移連續(xù)條件得到滿足。經(jīng)過多次迭代，最終得到收斂的解，即復(fù)合地基整體固結(jié)的解析解。在推導(dǎo)解析解的過程中，確定影響固結(jié)分析的關(guān)鍵參數(shù)至關(guān)重要。這些關(guān)鍵參數(shù)包括樁土模量比、滲透系數(shù)比、樁徑、樁間距等。樁土模量比是指樁體的彈性模量與樁間土的彈性模量之比，它反映了樁體和樁間土的剛度差異。樁土模量比越大，樁體承擔(dān)的荷載比例越大，樁間土承擔(dān)的荷載比例越小，從而影響復(fù)合地基的應(yīng)力分布和變形特性。在某工程中，當(dāng)樁土模量比從5增大到10時(shí)，樁體承擔(dān)的荷載比例從40%增加到60%，樁間土承擔(dān)的荷載比例相應(yīng)減小。滲透系數(shù)比是指樁體的滲透系數(shù)與樁間土的滲透系數(shù)之比，它反映了樁體和樁間土的滲流特性差異。由于不排水樁復(fù)合地基中樁體的滲透性遠(yuǎn)低于樁間土，滲透系數(shù)比通常非常小。滲透系數(shù)比越小，樁間土中孔隙水的排出速度越慢，地基的固結(jié)時(shí)間越長。在實(shí)際工程中，當(dāng)滲透系數(shù)比從10^{-3}減小到10^{-4}時(shí)，地基的固結(jié)時(shí)間可能會(huì)延長數(shù)倍。樁徑和樁間距直接影響樁體的布置密度和樁土相互作用的范圍。樁徑越大，樁體的承載能力越強(qiáng)，但樁間土的分擔(dān)荷載能力相對(duì)減弱；樁間距越小，樁土相互作用越強(qiáng)烈，復(fù)合地基的整體性能越好，但施工難度和成本可能會(huì)增加。在某工程中，通過改變樁徑和樁間距的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)樁徑從0.5m增大到0.8m時(shí)，樁體的承載能力提高了30%，但樁間土的分擔(dān)荷載比例下降了15%；當(dāng)樁間距從2.0m減小到1.5m時(shí)，復(fù)合地基的沉降量減小了20%，但施工成本增加了10%。加載方式、排水條件以及土性參數(shù)等因素也對(duì)不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)性狀產(chǎn)生重要影響。加載方式包括瞬時(shí)加載、分級(jí)加載等，不同的加載方式會(huì)導(dǎo)致地基中應(yīng)力和孔隙水壓力的變化過程不同，從而影響固結(jié)速率和最終沉降量。排水條件決定了孔隙水的排出路徑和速度，良好的排水條件可以加速地基的固結(jié)。土性參數(shù)如土的壓縮模量、泊松比等反映了土體的力學(xué)性質(zhì)，直接影響地基的變形和固結(jié)特性。在某工程中，采用分級(jí)加載方式，與瞬時(shí)加載相比，地基的固結(jié)速率提高了25%，最終沉降量減小了10%；改善排水條件后，地基的固結(jié)時(shí)間縮短了30%。3.2數(shù)值模擬方法3.2.1常用數(shù)值模擬軟件與模型建立在成層地基中不排水樁復(fù)合地基固結(jié)分析中，數(shù)值模擬方法具有重要作用，能夠有效處理復(fù)雜的工程問題。常用的數(shù)值模擬軟件有ABAQUS、ANSYS等，它們具備強(qiáng)大的功能和廣泛的適用性。ABAQUS是一款功能極為強(qiáng)大的通用有限元分析軟件，在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其具有豐富的單元庫，涵蓋多種類型的單元，如實(shí)體單元、殼單元、梁?jiǎn)卧?，能夠精確模擬不排水樁復(fù)合地基中樁體、樁間土和墊層等不同組成部分的幾何形狀和力學(xué)行為。在模擬樁體時(shí)，可選用合適的實(shí)體單元來準(zhǔn)確描述其三維幾何特征和力學(xué)性能；對(duì)于樁間土，可根據(jù)其特性選擇相應(yīng)的實(shí)體單元或連續(xù)介質(zhì)單元進(jìn)行模擬。ABAQUS提供了眾多先進(jìn)的材料本構(gòu)模型，如Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型、Cam-clay模型等，這些模型能夠精準(zhǔn)地描述土體復(fù)雜的非線性力學(xué)特性。在模擬成層地基中不同土層時(shí)，可依據(jù)各土層的實(shí)際土性參數(shù)，選擇最為合適的本構(gòu)模型，從而更準(zhǔn)確地反映土體在荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和變形特性。ABAQUS在處理復(fù)雜邊界條件和接觸問題方面表現(xiàn)出色，能夠很好地模擬不排水樁復(fù)合地基與周圍土體之間的相互作用。通過設(shè)置合理的接觸對(duì)和接觸算法，可以準(zhǔn)確模擬樁土界面處的接觸狀態(tài)，包括法向接觸壓力和切向摩擦力的傳遞，以及樁土之間的相對(duì)位移和脫開等現(xiàn)象。ANSYS同樣是一款功能強(qiáng)大的通用有限元分析軟件，在巖土工程數(shù)值模擬中也發(fā)揮著重要作用。該軟件擁有豐富的材料模型庫，能夠提供多種適合巖土材料的本構(gòu)模型，如線彈性模型、彈塑性模型、粘彈性模型等，可根據(jù)不排水樁復(fù)合地基中不同材料的特性進(jìn)行靈活選擇。對(duì)于樁體材料，若為彈性材料，可選用線彈性模型；若考慮樁體材料的塑性變形，可選擇合適的彈塑性模型。ANSYS具備強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，能夠?qū)?fù)雜的幾何模型進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。在模擬成層地基中不排水樁復(fù)合地基時(shí)，可根據(jù)模型的幾何形狀和分析精度要求，采用不同的網(wǎng)格劃分技術(shù)，如結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、自適應(yīng)網(wǎng)格等，以確保網(wǎng)格的質(zhì)量和計(jì)算精度。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分適用于形狀規(guī)則的區(qū)域，能夠提高計(jì)算效率；非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分則更適合復(fù)雜形狀的區(qū)域，能夠更好地貼合模型的幾何邊界；自適應(yīng)網(wǎng)格劃分能夠根據(jù)計(jì)算結(jié)果自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格密度，在應(yīng)力集中或變形較大的區(qū)域加密網(wǎng)格，提高計(jì)算精度。ANSYS還具有良好的后處理功能，能夠直觀地展示模擬結(jié)果，如樁土應(yīng)力分布云圖、孔隙水壓力等值線圖、沉降變形曲線等，方便用戶對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估。以某實(shí)際工程中的成層地基不排水樁復(fù)合地基為例，闡述利用ABAQUS建立模型的步驟和要點(diǎn)。首先進(jìn)行幾何模型的構(gòu)建，根據(jù)工程實(shí)際情況，準(zhǔn)確確定樁體、樁間土和墊層的幾何尺寸和位置關(guān)系。樁體采用圓柱體模型，直徑根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，樁長則根據(jù)地質(zhì)勘察資料和設(shè)計(jì)方案確定；樁間土和墊層采用長方體模型，其尺寸應(yīng)能涵蓋樁體的影響范圍，并考慮邊界條件的影響。在構(gòu)建幾何模型時(shí)，要確保各部分之間的連接關(guān)系準(zhǔn)確無誤，避免出現(xiàn)幾何缺陷。接著進(jìn)行材料參數(shù)的定義，依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定樁體、樁間土和墊層的材料參數(shù)。樁體材料的彈性模量、泊松比等參數(shù)根據(jù)樁體的材料類型和強(qiáng)度等級(jí)確定；樁間土的彈性模量、泊松比、滲透系數(shù)、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)根據(jù)不同土層的土性確定；墊層材料的參數(shù)也應(yīng)根據(jù)其實(shí)際材料特性進(jìn)行合理取值。在定義材料參數(shù)時(shí)，要盡可能準(zhǔn)確地反映材料的真實(shí)特性，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算精度要求，選擇合適的網(wǎng)格劃分方法和單元類型。對(duì)于樁體和樁間土，可采用四面體單元或六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；對(duì)于墊層，可根據(jù)其厚度和幾何形狀選擇合適的單元類型。在劃分網(wǎng)格時(shí)，要注意控制網(wǎng)格的尺寸和質(zhì)量，在關(guān)鍵部位，如樁土界面、應(yīng)力集中區(qū)域等，適當(dāng)加密網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度。在某工程中，樁土界面處的應(yīng)力分布較為復(fù)雜，通過加密樁土界面附近的網(wǎng)格，能夠更準(zhǔn)確地模擬樁土之間的相互作用和應(yīng)力傳遞，使模擬結(jié)果更加接近實(shí)際情況。要合理設(shè)置網(wǎng)格的縱橫比、翹曲度等指標(biāo)，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求，避免因網(wǎng)格質(zhì)量問題導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確或計(jì)算不收斂。最后設(shè)置邊界條件和荷載，根據(jù)工程實(shí)際情況，確定模型的邊界條件和荷載類型。在邊界條件設(shè)置方面，通常在模型的底部設(shè)置固定約束，限制模型在三個(gè)方向上的位移；在模型的側(cè)面設(shè)置水平約束，限制模型在水平方向上的位移；在地基表面，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置透水邊界或不透水邊界。在荷載設(shè)置方面，根據(jù)工程的加載方式，如均布荷載、集中荷載、分級(jí)加載等，在模型上施加相應(yīng)的荷載，并定義荷載的大小、作用位置和加載時(shí)間歷程。3.2.2模擬過程中的參數(shù)設(shè)置與邊界條件處理在模擬過程中，合理設(shè)置材料參數(shù)、荷載參數(shù)等至關(guān)重要，它們直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。材料參數(shù)方面，樁體的彈性模量、泊松比等參數(shù)決定了樁體的剛度和變形特性。彈性模量越大，樁體的剛度越大，在荷載作用下的變形越小；泊松比則影響樁體在受力時(shí)的橫向變形。樁間土的彈性模量、泊松比、滲透系數(shù)、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)對(duì)其力學(xué)行為和固結(jié)過程有重要影響。彈性模量和泊松比決定了樁間土的變形特性，滲透系數(shù)影響孔隙水的滲流速度和固結(jié)速率，粘聚力和內(nèi)摩擦角則反映了樁間土的抗剪強(qiáng)度。在某工程中，通過改變樁間土的滲透系數(shù)進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)滲透系數(shù)增大時(shí)，孔隙水壓力消散速度加快，地基的固結(jié)時(shí)間縮短；而當(dāng)滲透系數(shù)減小時(shí)，孔隙水壓力消散緩慢，地基的固結(jié)時(shí)間顯著延長。荷載參數(shù)的設(shè)置也十分關(guān)鍵，荷載的大小、加載方式和加載時(shí)間歷程會(huì)影響不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)過程和應(yīng)力應(yīng)變分布。荷載越大，地基中的應(yīng)力水平越高，變形和固結(jié)也會(huì)相應(yīng)增大；加載方式如瞬時(shí)加載、分級(jí)加載等，會(huì)導(dǎo)致地基中應(yīng)力和孔隙水壓力的變化過程不同。分級(jí)加載時(shí)，地基有足夠的時(shí)間進(jìn)行固結(jié)和調(diào)整，孔隙水壓力的增長相對(duì)較為平緩，最終的沉降量也相對(duì)較??；而瞬時(shí)加載會(huì)使地基瞬間承受較大的荷載，孔隙水壓力迅速上升，可能導(dǎo)致地基產(chǎn)生較大的變形和不均勻沉降。加載時(shí)間歷程則決定了荷載在不同時(shí)間段內(nèi)的變化情況，對(duì)地基的長期性能有重要影響。在實(shí)際工程中，有些工程可能會(huì)在施工過程中逐步施加荷載，加載時(shí)間較長；而有些工程可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速施加荷載。不同的加載時(shí)間歷程會(huì)使地基的固結(jié)過程和最終的沉降量產(chǎn)生差異。邊界條件的處理對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性也起著關(guān)鍵作用。在不排水樁復(fù)合地基的數(shù)值模擬中，常見的邊界條件有固定邊界、透水邊界和不透水邊界。固定邊界用于限制模型在某些方向上的位移，確保模型在計(jì)算過程中的穩(wěn)定性。在模型的底部設(shè)置固定邊界，可防止模型在重力和荷載作用下產(chǎn)生過大的沉降和位移。透水邊界允許孔隙水自由進(jìn)出模型，用于模擬地基與外界水體相通的情況。在地基表面設(shè)置透水邊界，可使孔隙水在荷載作用下順利排出，符合實(shí)際工程中地基表面與大氣或地表水相通的情況，能夠準(zhǔn)確模擬孔隙水壓力的消散過程。不透水邊界則阻止孔隙水通過，用于模擬地基中不透水層的情況。在模型的側(cè)面或底部設(shè)置不透水邊界，可模擬實(shí)際工程中存在的不透水巖層或隔水層，防止孔隙水在這些方向上的滲流，從而準(zhǔn)確反映地基內(nèi)部的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布。在處理邊界條件時(shí)，要充分考慮實(shí)際工程情況，確保邊界條件的設(shè)置合理。在某沿海地區(qū)的工程中，地基靠近海水，地下水位較高，且地基表面與海水相通。在數(shù)值模擬中，合理設(shè)置地基表面為透水邊界，能夠準(zhǔn)確模擬海水與地基之間的水力聯(lián)系，以及孔隙水在荷載作用下向海水中排出的過程，使模擬結(jié)果更符合實(shí)際情況。為確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，還可進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，研究不同參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響程度。通過改變某個(gè)參數(shù)的值，觀察模擬結(jié)果的變化情況，從而確定該參數(shù)的敏感性。在某工程中，對(duì)樁土模量比進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，發(fā)現(xiàn)樁土模量比的變化對(duì)樁土應(yīng)力比和地基沉降有顯著影響。當(dāng)樁土模量比增大時(shí)，樁體承擔(dān)的荷載比例增加，樁間土承擔(dān)的荷載比例減小，地基沉降相應(yīng)減小。通過參數(shù)敏感性分析，可以明確哪些參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響較大，在實(shí)際工程中，可對(duì)這些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行更精確的測(cè)定和控制，以提高不排水樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)和分析的準(zhǔn)確性。3.3試驗(yàn)研究方法3.3.1室內(nèi)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施室內(nèi)模型試驗(yàn)是研究成層地基中不排水樁復(fù)合地基固結(jié)特性的重要手段之一，它能夠在可控的條件下，對(duì)復(fù)合地基的工作性狀進(jìn)行詳細(xì)觀察和分析，為理論分析和數(shù)值模擬提供重要的依據(jù)。在設(shè)計(jì)室內(nèi)模型試驗(yàn)時(shí)，需綜合考慮多個(gè)關(guān)鍵要素。試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它應(yīng)能夠模擬實(shí)際工程中的邊界條件和受力狀態(tài)。通常采用大型的模型槽來模擬地基，模型槽的尺寸要足夠大，以減小邊界效應(yīng)的影響。模型槽的長度、寬度和高度可根據(jù)實(shí)際研究需求確定，一般長度和寬度應(yīng)大于樁體影響范圍的3-5倍，高度應(yīng)大于樁長的1.5-2倍。在模型槽的側(cè)面和底面設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，如在底面設(shè)置固定邊界，模擬地基底部的約束情況；在側(cè)面設(shè)置透水邊界或不透水邊界，以模擬實(shí)際工程中地基的排水條件。土體和樁體材料的選擇應(yīng)盡可能接近實(shí)際工程中的材料特性。對(duì)于土體，可采用原狀土或重塑土。原狀土能更好地反映實(shí)際地基土的性質(zhì)，但采集和制備過程較為復(fù)雜；重塑土則可根據(jù)需要調(diào)整土的物理力學(xué)性質(zhì)，便于控制試驗(yàn)條件。在某研究中，為了研究不同土性對(duì)不排水樁復(fù)合地基固結(jié)的影響，采用了重塑的軟粘土和砂土，通過控制土的含水量、干密度等參數(shù)，制備出具有不同力學(xué)性質(zhì)的土體樣本。樁體材料可根據(jù)實(shí)際工程中常用的不排水樁類型選擇，如采用水泥土模擬水泥土樁，采用混凝土模擬CFG樁或低強(qiáng)度混凝土樁。在制備樁體時(shí)，要嚴(yán)格控制樁體材料的配合比和施工工藝，以確保樁體的強(qiáng)度和剛度符合設(shè)計(jì)要求。加載方式的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程的加載情況確定，常見的加載方式有分級(jí)加載和瞬時(shí)加載。分級(jí)加載能夠模擬實(shí)際工程中建筑物逐漸施加荷載的過程，更符合實(shí)際情況；瞬時(shí)加載則可用于研究復(fù)合地基在突然加載情況下的響應(yīng)。在某高層建筑的不排水樁復(fù)合地基室內(nèi)模型試驗(yàn)中，采用分級(jí)加載方式，每級(jí)荷載持續(xù)一定時(shí)間，記錄在不同荷載等級(jí)下復(fù)合地基的沉降、孔隙水壓力等變化情況，以研究復(fù)合地基在長期加載過程中的固結(jié)特性。在試驗(yàn)實(shí)施過程中，要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行操作。首先，進(jìn)行模型的制備，將選擇好的土體分層填筑到模型槽中，每層土體填筑后進(jìn)行壓實(shí)，確保土體的密度和均勻性符合要求。然后，按照設(shè)計(jì)的樁位和樁長，采用合適的方法將樁體植入土體中，如采用靜壓法或振動(dòng)法沉樁。在樁體植入后，安裝各種測(cè)量?jī)x器，如壓力傳感器、孔隙水壓力計(jì)、位移計(jì)等，用于測(cè)量樁土應(yīng)力、孔隙水壓力和沉降等參數(shù)。壓力傳感器可布置在樁頂、樁間土表面以及不同深度處，以測(cè)量不同位置的應(yīng)力分布；孔隙水壓力計(jì)布置在樁間土和樁體周圍，用于監(jiān)測(cè)孔隙水壓力的變化；位移計(jì)則安裝在模型槽表面，測(cè)量復(fù)合地基的沉降。完成測(cè)量?jī)x器的安裝后，開始進(jìn)行加載試驗(yàn)。按照預(yù)先設(shè)計(jì)的加載方式和加載速率，逐步施加荷載，并在加載過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)。在每級(jí)荷載施加后，保持荷載穩(wěn)定，直到孔隙水壓力消散和沉降基本穩(wěn)定，再施加下一級(jí)荷載。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，要注意保持試驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定，避免外界因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。同時(shí)，要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)整理和分析，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，要及時(shí)查找原因并進(jìn)行處理，以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。3.3.2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是研究成層地基中不排水樁復(fù)合地基固結(jié)特性的另一種重要方法，它能夠直接獲取實(shí)際工程中復(fù)合地基的工作狀態(tài)和性能參數(shù)，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，為工程設(shè)計(jì)和施工提供實(shí)際依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法和內(nèi)容豐富多樣?？紫端畨毫Φ谋O(jiān)測(cè)是關(guān)鍵內(nèi)容之一，通過在樁間土和樁體周圍不同深度處埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)孔隙水壓力的變化?？紫端畨毫τ?jì)的類型有振弦式、電阻應(yīng)變式等，可根據(jù)實(shí)際工程需求選擇合適的類型。在某工程中，采用振弦式孔隙水壓力計(jì)，其精度高、穩(wěn)定性好，能夠準(zhǔn)確測(cè)量孔隙水壓力的微小變化。沉降監(jiān)測(cè)也是必不可少的，通過在地基表面設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，采用水準(zhǔn)儀、全站儀等測(cè)量?jī)x器，定期測(cè)量沉降觀測(cè)點(diǎn)的高程變化，從而得到復(fù)合地基的沉降量和沉降速率。沉降觀測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)具有代表性，能夠反映復(fù)合地基不同位置的沉降情況，一般在樁頂、樁間土表面以及基礎(chǔ)邊緣等位置設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)。在某大型工業(yè)廠房的不排水樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，在樁頂和樁間土表面每隔一定距離設(shè)置一個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，形成沉降觀測(cè)網(wǎng)，以便全面監(jiān)測(cè)復(fù)合地基的沉降分布。除了孔隙水壓力和沉降監(jiān)測(cè)外，還可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行其他參數(shù)的監(jiān)測(cè)，如樁土應(yīng)力監(jiān)測(cè)、水平位移監(jiān)測(cè)等。樁土應(yīng)力監(jiān)測(cè)可通過在樁體和樁間土中埋設(shè)土壓力盒，測(cè)量樁土之間的應(yīng)力分布和變化；水平位移監(jiān)測(cè)可采用測(cè)斜儀等儀器，監(jiān)測(cè)地基在水平方向上的位移情況。在數(shù)據(jù)采集過程中，要嚴(yán)格按照監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行操作，確保采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠?？紫端畨毫τ?jì)和土壓力盒在埋設(shè)前要進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)量精度；沉降觀測(cè)要遵循測(cè)量規(guī)范，采用高精度的測(cè)量?jī)x器，并定期對(duì)儀器進(jìn)行校驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集的頻率應(yīng)根據(jù)地基的固結(jié)情況和工程進(jìn)度確定，在地基固結(jié)初期，孔隙水壓力變化較快，沉降速率較大，數(shù)據(jù)采集頻率應(yīng)較高，如每天采集一次；隨著地基固結(jié)的進(jìn)行，孔隙水壓力消散和沉降速率逐漸減小，數(shù)據(jù)采集頻率可適當(dāng)降低，如每周采集一次。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理是獲取有價(jià)值信息的關(guān)鍵步驟。首先，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和篩選，去除異常數(shù)據(jù)。異常數(shù)據(jù)可能是由于測(cè)量?jī)x器故障、人為操作失誤或外界干擾等原因產(chǎn)生的，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)比，判斷數(shù)據(jù)的合理性，剔除異常數(shù)據(jù)。然后，采用合適的數(shù)據(jù)分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對(duì)于孔隙水壓力數(shù)據(jù)，可繪制孔隙水壓力隨時(shí)間和深度的變化曲線，分析孔隙水壓力的消散規(guī)律和分布特征；對(duì)于沉降數(shù)據(jù)，可繪制沉降-時(shí)間曲線，計(jì)算沉降速率和固結(jié)度，分析地基的沉降發(fā)展趨勢(shì)和固結(jié)情況。在某工程中，通過對(duì)孔隙水壓力數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)孔隙水壓力在加載初期迅速上升，隨著時(shí)間的推移逐漸消散，且在不同深度處的消散速率不同，靠近地基表面的孔隙水壓力消散較快，而深層土體中的孔隙水壓力消散較慢；通過對(duì)沉降數(shù)據(jù)的分析，得到地基的沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律，計(jì)算出地基的固結(jié)度，評(píng)估地基的固結(jié)狀態(tài)。還可采用數(shù)據(jù)擬合、相關(guān)性分析等方法，研究不同參數(shù)之間的關(guān)系，如樁土應(yīng)力比與荷載、沉降之間的關(guān)系，孔隙水壓力與固結(jié)度之間的關(guān)系等，為深入理解不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)機(jī)理提供依據(jù)。四、影響成層地基中不排水樁復(fù)合地基固結(jié)的因素4.1樁土特性因素4.1.1樁體材料與幾何參數(shù)的影響樁體材料的差異會(huì)顯著改變不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)特性。以混凝土樁和水泥土樁為例，混凝土樁由于其較高的強(qiáng)度和剛度，在承受荷載時(shí)變形較小，能夠更有效地將荷載傳遞到深層地基。在某高層建筑工程中，采用混凝土樁作為不排水樁，其彈性模量高達(dá)30GPa，相比之下，周邊樁間土的彈性模量?jī)H為20MPa。在相同荷載作用下，混凝土樁承擔(dān)了約70%的總荷載，樁間土承擔(dān)30%，這種荷載分擔(dān)比例使得地基的沉降量得到有效控制，固結(jié)過程相對(duì)穩(wěn)定。而水泥土樁的強(qiáng)度和剛度相對(duì)較低，但其與樁間土的協(xié)同工作能力較強(qiáng)。在某小型建筑工程中，使用水泥土樁作為不排水樁，其彈性模量為10MPa，與樁間土的彈性模量較為接近。在荷載作用下，水泥土樁與樁間土共同變形，樁土應(yīng)力比相對(duì)較小，約為2:1。這種特性使得水泥土樁復(fù)合地基在一定程度上能夠充分發(fā)揮樁間土的承載能力，但同時(shí)也可能導(dǎo)致地基的沉降量相對(duì)較大，固結(jié)時(shí)間較長。樁體的幾何參數(shù)，如樁徑、樁長和樁間距，對(duì)地基固結(jié)也有著重要影響。樁徑的增大意味著樁體的承載面積增加，能夠承擔(dān)更大的荷載。在某大型工業(yè)廠房的地基處理中，將樁徑從0.5m增大到0.8m，樁體的承載能力提高了約40%。這使得樁體在復(fù)合地基中承擔(dān)的荷載比例增加，從而減小了樁間土的受力，降低了樁間土的壓縮變形，加快了地基的固結(jié)速度。樁長的增加則能使樁體更好地將荷載傳遞到深層地基，減小淺層地基的應(yīng)力集中。在某橋梁工程中，樁長從15m增加到20m，淺層地基的應(yīng)力降低了約25%，地基的沉降量也相應(yīng)減小。樁長的增加還能增加樁體與樁間土的接觸面積，增強(qiáng)樁土之間的相互作用，有利于地基的固結(jié)。樁間距的大小直接影響樁土相互作用的范圍和強(qiáng)度。較小的樁間距會(huì)使樁土相互作用更加緊密，提高復(fù)合地基的整體性能。在某住宅小區(qū)的地基處理中，將樁間距從2.0m減小到1.5m，復(fù)合地基的沉降量減小了約20%。樁間距過小也會(huì)增加施工難度和成本，同時(shí)可能導(dǎo)致樁體之間的相互干擾，影響地基的固結(jié)效果。4.1.2樁周土性質(zhì)對(duì)固結(jié)的作用樁周土的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)過程起著關(guān)鍵作用。樁周土的壓縮模量反映了其抵抗壓縮變形的能力。壓縮模量越大，樁周土在荷載作用下的壓縮變形越小。在某工程中，樁周土的壓縮模量從10MPa提高到15MPa，樁周土的壓縮變形減小了約30%。這使得地基的整體沉降量減小，固結(jié)速度加快。滲透系數(shù)是影響孔隙水排出速度的重要因素。滲透系數(shù)越大，孔隙水在土體中的滲流速度越快，地基的固結(jié)時(shí)間越短。在某沿海地區(qū)的工程中，由于樁周土為砂質(zhì)土，滲透系數(shù)較大，約為10^-3cm/s，孔隙水能夠迅速排出，地基在較短時(shí)間內(nèi)完成固結(jié)。而在另一些地區(qū)，樁周土為粘性土，滲透系數(shù)低至10^-7cm/s，孔隙水排出困難，地基的固結(jié)時(shí)間可能長達(dá)數(shù)年甚至數(shù)十年。含水率也是影響樁周土性質(zhì)的重要參數(shù)。含水率過高會(huì)使樁周土處于飽和軟塑狀態(tài)，強(qiáng)度降低，壓縮性增大。在某工程中，樁周土的含水率高達(dá)50%，土體處于飽和軟塑狀態(tài)，地基的承載能力較低，沉降量較大。通過排水固結(jié)等處理措施，將含水率降低到30%，土體的強(qiáng)度得到提高，壓縮性減小，地基的固結(jié)效果明顯改善。這些物理力學(xué)性質(zhì)相互關(guān)聯(lián)，共同影響著不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)。壓縮模量和滲透系數(shù)的變化會(huì)影響樁周土的變形和孔隙水的排出，進(jìn)而影響地基的固結(jié)速度和沉降量；含水率的變化則會(huì)改變樁周土的強(qiáng)度和壓縮性，對(duì)樁土相互作用和地基的整體性能產(chǎn)生影響。4.2荷載因素4.2.1荷載大小與加載方式的影響荷載大小和加載方式對(duì)成層地基中不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)速率和固結(jié)度有著顯著影響。在荷載大小方面，隨著荷載的增加，地基中的應(yīng)力水平相應(yīng)提高。這會(huì)導(dǎo)致樁體和樁間土的變形增大，孔隙水壓力升高。樁體承擔(dān)的荷載增加，會(huì)使其產(chǎn)生更大的壓縮變形，樁間土也會(huì)因受到更大的擠壓力而發(fā)生變形。由于樁體和樁間土的變形，孔隙水需要排出以適應(yīng)這種變形，從而導(dǎo)致孔隙水壓力升高。在某工程中，當(dāng)荷載從100kPa增加到200kPa時(shí)，樁間土的孔隙水壓力從30kPa升高到60kPa，樁體的壓縮變形也從5mm增大到10mm。較高的孔隙水壓力會(huì)阻礙孔隙水的排出，使得地基的固結(jié)速率降低。因?yàn)榭紫端畨毫υ酱?，孔隙水排出時(shí)所受到的阻力就越大，需要更長的時(shí)間才能使孔隙水壓力消散，進(jìn)而影響地基的固結(jié)進(jìn)程。過大的荷載還可能導(dǎo)致地基發(fā)生破壞，如樁體斷裂、樁間土發(fā)生剪切破壞等，嚴(yán)重影響地基的穩(wěn)定性。加載方式對(duì)固結(jié)的影響也不容忽視。瞬時(shí)加載是指在極短的時(shí)間內(nèi)將全部荷載施加到地基上，這種加載方式會(huì)使地基瞬間承受較大的荷載，孔隙水壓力迅速上升，導(dǎo)致地基產(chǎn)生較大的變形和不均勻沉降。在某橋梁工程的地基處理中，采用瞬時(shí)加載方式，地基在加載后短時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)了明顯的沉降，且沉降分布不均勻，部分區(qū)域的沉降量達(dá)到了50mm以上。分級(jí)加載則是將荷載分成若干級(jí)，逐步施加到地基上。每級(jí)荷載施加后，地基有足夠的時(shí)間進(jìn)行固結(jié)和調(diào)整，孔隙水壓力的增長相對(duì)較為平緩。在某高層建筑的地基處理中，采用分級(jí)加載方式，每級(jí)荷載為50kPa，加載間隔為7天。在這種加載方式下，孔隙水壓力逐漸上升，且在每級(jí)荷載施加后，孔隙水壓力都能得到一定程度的消散，最終的沉降量相對(duì)較小，僅為30mm左右。不同加載方式下的固結(jié)過程和最終沉降量存在明顯差異。瞬時(shí)加載下，地基的初始沉降速率較大，但由于孔隙水壓力消散困難，固結(jié)時(shí)間較長，最終沉降量也較大；分級(jí)加載下，地基的沉降速率相對(duì)較為均勻，孔隙水壓力能夠及時(shí)消散，固結(jié)時(shí)間較短，最終沉降量相對(duì)較小。4.2.2長期荷載作用下的固結(jié)特性變化在長期荷載作用下，成層地基中不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)特性會(huì)發(fā)生明顯變化。隨著荷載作用時(shí)間的延長，樁間土的蠕變效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)。樁間土在長期荷載作用下會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的變形，這種變形會(huì)導(dǎo)致孔隙水壓力的重新分布。樁間土的蠕變變形會(huì)使樁土之間的相對(duì)位移發(fā)生變化，進(jìn)而影響樁土之間的荷載分擔(dān)比例。在某工程中，通過長期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在荷載作用初期，樁土應(yīng)力比為3:1，隨著荷載作用時(shí)間的增加，樁間土發(fā)生蠕變，樁土應(yīng)力比逐漸減小，在1年后變?yōu)?:1。這種變化會(huì)對(duì)地基的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因?yàn)闃锻翍?yīng)力比的改變會(huì)導(dǎo)致地基內(nèi)部的應(yīng)力分布發(fā)生變化，可能使地基的某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而降低地基的穩(wěn)定性。長期荷載作用還可能導(dǎo)致土體的結(jié)構(gòu)性變化。土體的顆粒結(jié)構(gòu)在長期荷載作用下會(huì)逐漸調(diào)整，孔隙結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生改變。在某軟土地基中，經(jīng)過長期荷載作用，土體的孔隙比從初始的1.2減小到1.0，土體的壓縮性降低，滲透性也發(fā)生了變化。這些變化會(huì)影響孔隙水的排出速度和路徑，進(jìn)而影響地基的固結(jié)特性。土體滲透性的降低會(huì)使孔隙水排出更加困難，延長地基的固結(jié)時(shí)間。地基的沉降也會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷發(fā)展。在長期荷載作用下，地基的沉降不僅僅包括初始加載時(shí)的瞬時(shí)沉降，還包括由于土體蠕變和孔隙水排出而產(chǎn)生的次固結(jié)沉降。在某工程中，經(jīng)過5年的長期監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)地基的總沉降量中，次固結(jié)沉降占比達(dá)到了30%。這種長期沉降的發(fā)展可能會(huì)對(duì)建筑物的正常使用產(chǎn)生影響，如導(dǎo)致建筑物墻體開裂、基礎(chǔ)不均勻沉降等問題。長期荷載作用下不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)特性變化對(duì)地基長期穩(wěn)定性有著重要影響。樁土應(yīng)力比的改變和土體結(jié)構(gòu)性的變化可能會(huì)使地基的承載能力下降，增加地基失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。在工程設(shè)計(jì)和施工中，必須充分考慮長期荷載作用下的固結(jié)特性變化，采取相應(yīng)的措施來保證地基的長期穩(wěn)定性。4.3成層地基特性因素4.3.1土層分布與土層性質(zhì)差異的影響成層地基中，土層分布情況對(duì)不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)有著顯著影響。不同的土層厚度和層數(shù)會(huì)改變地基的應(yīng)力分布和滲流路徑，進(jìn)而影響固結(jié)過程。當(dāng)上層土較薄而下層土較厚時(shí)，荷載作用下，上層土的壓縮變形相對(duì)較快，孔隙水壓力消散也相對(duì)較快；而下層土由于厚度較大，孔隙水排出的路徑較長，固結(jié)時(shí)間會(huì)相應(yīng)延長。在某工程中，上層土厚度為5m，下層土厚度為15m，采用不排水樁復(fù)合地基進(jìn)行處理。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在加載初期，上層土的孔隙水壓力迅速上升，但在較短時(shí)間內(nèi)就開始消散，而在1個(gè)月時(shí)，上層土的孔隙水壓力消散了約50%；下層土的孔隙水壓力上升相對(duì)緩慢，且在較長時(shí)間內(nèi)維持在較高水平，在3個(gè)月時(shí)，下層土的孔隙水壓力僅消散了30%。這種差異導(dǎo)致地基的沉降在不同土層中表現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢(shì)，上層土的沉降在早期較為明顯，而后逐漸趨于穩(wěn)定；下層土的沉降則持續(xù)發(fā)展，成為地基長期沉降的主要來源。土層層數(shù)的變化也會(huì)對(duì)固結(jié)產(chǎn)生影響。層數(shù)較多的成層地基，各土層之間的相互作用更為復(fù)雜，應(yīng)力傳遞和孔隙水滲流的路徑更加曲折。在某多層地基中，包含三層不同性質(zhì)的土層，與兩層地基相比，其孔隙水壓力的消散速度明顯較慢，地基的固結(jié)時(shí)間延長了約50%。這是因?yàn)樵诙鄬拥鼗?，孔隙水需要在不同土層之間多次滲透，受到的阻力增大，從而減緩了固結(jié)進(jìn)程。土層性質(zhì)差異，如剛度比、滲透系數(shù)比等，同樣對(duì)不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)產(chǎn)生重要影響。剛度比是指相鄰?fù)翆拥膹椥阅Ａ恐?，它反映了土層之間的剛度差異。當(dāng)剛度比較大時(shí)，剛度較小的土層在荷載作用下更容易發(fā)生變形，應(yīng)力會(huì)向剛度較大的土層集中。在某工程中，上層土的彈性模量為10MPa，下層土的彈性模量為30MPa，剛度比為1:3。在荷載作用下，上層土的變形量明顯大于下層土，約為下層土的2倍，且應(yīng)力主要集中在下層土中。這種應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)改變樁土之間的荷載分擔(dān)比例，進(jìn)而影響地基的固結(jié)。滲透系數(shù)比是指相鄰?fù)翆拥臐B透系數(shù)之比，它決定了孔隙水在土層中的滲流速度。滲透系數(shù)比越大，滲透系數(shù)較小的土層對(duì)孔隙水滲流的阻礙作用越明顯。在某成層地基中，上層土的滲透系數(shù)為10^-4cm/s，下層土的滲透系數(shù)為10^-6cm/s，滲透系數(shù)比為100:1。由于下層土滲透系數(shù)極小，孔隙水在向下滲流過程中受到很大阻力，導(dǎo)致上層土中的孔隙水難以排出，地基的固結(jié)時(shí)間顯著延長。在這種情況下，即使樁體能夠有效地承擔(dān)部分荷載，但由于孔隙水排出困難，樁間土的固結(jié)緩慢，地基的整體固結(jié)效果仍不理想。4.3.2層間相互作用對(duì)固結(jié)過程的影響機(jī)制成層地基中土層之間存在著復(fù)雜的相互作用，包括應(yīng)力傳遞和滲流耦合等，這些相互作用對(duì)地基固結(jié)過程有著重要的影響機(jī)制。在應(yīng)力傳遞方面，當(dāng)荷載作用于成層地基時(shí)，上層土中的應(yīng)力會(huì)通過土層界面?zhèn)鬟f到下層土中。這種應(yīng)力傳遞并非簡(jiǎn)單的線性傳遞，而是受到土層性質(zhì)、界面特性等多種因素的影響。在某工程中，上層土為砂質(zhì)土，下層土為粘性土，由于砂質(zhì)土的剛度大于粘性土，在荷載作用下，砂質(zhì)土中的應(yīng)力會(huì)迅速傳遞到粘性土中，但由于粘性土的變形特性與砂質(zhì)土不同，會(huì)對(duì)傳遞過來的應(yīng)力產(chǎn)生一定的緩沖和調(diào)整作用。在界面處，由于土層性質(zhì)的差異，可能會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)上層土的剛度遠(yuǎn)大于下層土?xí)r，在土層界面處，應(yīng)力會(huì)集中在下層土的靠近界面區(qū)域，導(dǎo)致該區(qū)域的土體變形增大。這種應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)影響地基的穩(wěn)定性和固結(jié)過程。如果應(yīng)力集中過大，可能會(huì)導(dǎo)致下層土在界面處發(fā)生剪切破壞，從而影響地基的整體承載能力；應(yīng)力集中還會(huì)改變孔隙水壓力的分布，進(jìn)而影響固結(jié)進(jìn)程。滲流耦合是層間相互作用的另一個(gè)重要方面。在成層地基中，孔隙水在不同土層中的滲流速度和路徑不同，會(huì)導(dǎo)致土層之間產(chǎn)生滲流耦合作用。當(dāng)上層土的滲透系數(shù)大于下層土?xí)r，孔隙水在上層土中滲流速度較快，而在進(jìn)入下層土?xí)r，由于滲透系數(shù)減小，滲流速度會(huì)突然降低。這種滲流速度的變化會(huì)在土層界面處產(chǎn)生水頭差，從而引起孔隙水的側(cè)向滲流。在某工程中，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，由于上層土和下層土之間的滲流耦合作用，在土層界面處出現(xiàn)了明顯的孔隙水側(cè)向滲流現(xiàn)象，這種側(cè)向滲流改變了孔隙水的滲流路徑，使得地基的固結(jié)過程變得更加復(fù)雜。滲流耦合還會(huì)影響土層之間的有效應(yīng)力分布。由于孔隙水的滲流，會(huì)導(dǎo)致土層中的孔隙水壓力發(fā)生變化，進(jìn)而影響有效應(yīng)力。在某工程中，通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在滲流耦合作用下，下層土中的孔隙水壓力在靠近界面處出現(xiàn)了異常變化，有效應(yīng)力也相應(yīng)改變，從而影響了下層土的變形和固結(jié)。這些層間相互作用相互關(guān)聯(lián)，共同影響著不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)過程。應(yīng)力傳遞會(huì)改變土層中的應(yīng)力分布，進(jìn)而影響滲流耦合；滲流耦合又會(huì)通過改變孔隙水壓力和有效應(yīng)力，反過來影響應(yīng)力傳遞。在分析成層地基中不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)時(shí)，必須充分考慮這些層間相互作用的影響機(jī)制，以準(zhǔn)確把握地基的固結(jié)特性。五、案例分析5.1工程背景介紹某高層建筑位于沿海軟土地區(qū)，場(chǎng)地地勢(shì)較為平坦。該建筑地上30層，地下2層，總高度約100m，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，對(duì)地基的承載能力和穩(wěn)定性要求較高。場(chǎng)地地質(zhì)條件較為復(fù)雜，自上而下依次分布著以下土層：雜填土：層厚約1.5m，主要由建筑垃圾、生活垃圾和粘性土組成，結(jié)構(gòu)松散，均勻性差，承載力較低，基本承載力特征值f_{ak}=80kPa。淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：層厚約8.0m，呈流塑狀態(tài)，含水量高，一般在45%-55%之間，孔隙比大，約為1.2-1.5，壓縮性高，壓縮模量E_s=2.5MPa，抗剪強(qiáng)度低，內(nèi)摩擦角\varphi=10^{\circ}，粘聚力c=12kPa，滲透系數(shù)k=1.0\times10^{-7}cm/s。該土層是影響地基穩(wěn)定性和沉降的主要土層。粉質(zhì)粘土：層厚約5.0m，可塑狀態(tài)，含水量為28%-35%，孔隙比為0.8-1.0，壓縮模量E_s=5.0MPa，內(nèi)摩擦角\varphi=18^{\circ}，粘聚力c=20kPa，滲透系數(shù)k=5.0\times10^{-6}cm/s。中砂：層厚約10.0m，稍密-中密狀態(tài)，顆粒級(jí)配良好，壓縮模量E_s=15.0MPa，內(nèi)摩擦角\varphi=35^{\circ}，滲透系數(shù)k=1.0\times10^{-3}cm/s，具有較高的承載力和較好的透水性。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：層厚大于5.0m，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯呈碎塊狀，壓縮模量E_s=30.0MPa，是良好的樁端持力層。根據(jù)建筑的設(shè)計(jì)要求，地基承載力特征值需達(dá)到300kPa以上，地基總沉降量控制在50mm以內(nèi)，差異沉降控制在0.002L（L為相鄰柱基中心距）以內(nèi)?？紤]到場(chǎng)地的地質(zhì)條件和建筑的荷載要求，經(jīng)綜合比選，最終確定采用不排水樁復(fù)合地基進(jìn)行地基處理。不排水樁選用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC樁），樁徑為0.5m，樁長20m，以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為樁端持力層。樁間距為1.5m，按正方形布置，樁頂設(shè)置0.5m厚的砂石墊層。5.2固結(jié)分析過程與結(jié)果5.2.1采用的分析方法與參數(shù)選取在本工程案例中，綜合運(yùn)用了理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)三種方法進(jìn)行固結(jié)分析。理論分析基于Biot固結(jié)理論，考慮樁土相互作用及非線性滲透特性，建立了成層地基中不排水樁復(fù)合地基的固結(jié)控制方程，并采用分離變量法求解，得到樁土應(yīng)力及孔隙水壓力解析解，通過迭代計(jì)算確定樁土界面