中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基荷載傳遞與沉降機理深度剖析一、緒論1.1研究背景與意義在現代交通基礎設施建設中，道路、鐵路和機場等工程的路基穩定性直接關系到整個工程的質量與安全。中等壓縮性土地區廣泛分布于各類工程建設場地，這類土層的壓縮性能介于砂土和粘土之間，具有獨特的工程特性。在中等壓縮性土地區進行路基工程建設時，由于土體本身的壓縮性，在承受上部荷載后容易產生較大的沉降和變形，這不僅會影響道路的平整度、行車舒適性，還可能導致路面結構損壞，甚至威脅到行車安全；對于鐵路工程，過大的路基沉降會影響軌道的平順性，增加軌道維護成本，嚴重時可能引發脫軌等安全事故；機場跑道的不均勻沉降則會對飛機的起降安全構成重大隱患。因此，確保中等壓縮性土地區路基的穩定性和承載能力是工程建設中亟待解決的關鍵問題。短樁樁網復合地基作為一種有效的地基處理方式，在中等壓縮性土地區的路基工程中得到了越來越廣泛的應用。短樁樁網復合地基是在原有路基表面設置短樁和樁網，并覆蓋一層厚度不大于1m的碎石或碎石混凝土形成的新型復合地基。短樁能夠將上部荷載傳遞到深層土體，從而減小地基的沉降量；樁網則可以有效地分散荷載，使荷載傳遞分布更加均勻，增強地基的整體穩定性。研究表明，短樁樁網復合地基能夠顯著減輕路基的沉降和變形，提高地基的剛度和強度，保證基礎工程的穩定和壽命。深入了解中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基的荷載傳遞規律及沉降機理具有重要的理論和實際意義。從理論層面來看，目前對于短樁樁網復合地基的荷載傳遞和沉降機理的研究仍存在諸多不完善之處。由于土層壓縮性較強，短樁和樁網對路基的加固作用存在一定局限性，建立合理的荷載傳遞規律和沉降模型有助于豐富和完善復合地基理論體系，為后續的研究提供更堅實的理論基礎。在實際工程應用中，準確掌握荷載傳遞規律和沉降機理可以為短樁樁網復合地基的設計和施工提供科學依據。通過合理設計樁長、樁徑、樁間距以及樁網的布置形式等參數，可以優化地基的承載性能，提高地基的加固效果，減少不必要的工程投資；在施工過程中，依據沉降機理可以制定合理的施工工藝和質量控制標準，確保地基處理工程的質量，保證基礎工程能夠長期穩定運行，降低工程后期的維護成本，具有顯著的經濟效益和社會效益。1.2國內外研究現狀在國外，對于短樁樁網復合地基的研究開展較早，積累了較為豐富的理論與實踐經驗。早期的研究主要集中在荷載傳遞的基本理論方面，通過室內模型試驗和現場測試，初步揭示了樁網復合地基中荷載從上部結構通過樁體和樁網傳遞到地基土體的基本路徑。例如，一些學者通過在模型試驗中布置不同類型的傳感器，監測樁身軸力、樁側摩阻力以及樁間土壓力的變化，發現樁體在荷載傳遞過程中起到了關鍵作用，能夠將大部分荷載傳遞到深層土體，從而有效減小淺層土體的壓力。隨著研究的深入，學者們開始關注樁網的作用機制，研究表明，樁網能夠通過自身的張拉作用和與土體的相互咬合，進一步分散荷載，提高地基的整體穩定性。此外，國外學者還利用數值模擬方法，建立了多種樁網復合地基的數值模型，對不同工況下的荷載傳遞規律進行了模擬分析，為理論研究提供了有力支持。然而，國外的研究在中等壓縮性土地區的針對性相對不足。由于不同地區的土質條件差異較大，中等壓縮性土具有獨特的物理力學性質，國外已有的研究成果在該地區的適用性存在一定問題。例如，在一些針對軟土地基或砂土地基的研究中提出的理論和模型，無法準確反映中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基的荷載傳遞特性和沉降規律。而且，國外研究在考慮工程實際因素方面也存在一定局限性，如施工工藝、地基處理成本等因素對荷載傳遞和沉降的影響研究不夠深入。國內對短樁樁網復合地基的研究近年來發展迅速，取得了一系列重要成果。在荷載傳遞規律方面，國內學者通過大量的現場試驗和數值模擬，深入研究了樁土相互作用機制，分析了樁長、樁徑、樁間距以及樁網類型等因素對荷載傳遞的影響。例如，通過現場試驗對比不同樁長和樁間距的短樁樁網復合地基的荷載傳遞情況，發現合理增加樁長和減小樁間距能夠有效提高樁體的荷載分擔比，使荷載傳遞更加均勻。在沉降機理研究方面，國內學者結合實際工程案例，綜合考慮土體的壓縮性、固結特性以及樁網的加固效果，提出了多種沉降計算方法和模型。其中，一些基于分層總和法的改進模型，考慮了樁土相互作用和地基的非線性特性，在實際工程中得到了較好的應用。盡管國內研究取得了顯著進展，但仍然存在一些不足之處。一方面，對于中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基的長期性能研究相對較少，缺乏對地基在長期荷載作用下的沉降發展規律以及樁土相互作用變化的深入認識。另一方面，目前的研究成果在工程應用中的推廣還存在一定困難，主要是因為不同地區的地質條件復雜多樣，已有的理論和模型難以完全適應各種實際工程情況，需要進一步加強對具體工程案例的分析和總結，提高研究成果的實用性和可操作性。1.3研究內容與方法本研究聚焦于中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基，深入剖析其荷載傳遞規律及沉降機理，主要研究內容如下：荷載傳遞規律研究：詳細分析在不同荷載工況下，荷載如何通過短樁和樁網傳遞到地基土體中。研究樁身軸力沿深度的分布變化規律，明確樁側摩阻力和樁端阻力在荷載傳遞過程中的發揮機制。同時，探討樁土應力比隨荷載增加的變化趨勢，以及樁長、樁徑、樁間距和樁網類型等參數對荷載傳遞的影響，揭示各參數之間的相互關系和作用機制。沉降機理研究：全面探究短樁樁網復合地基路基的沉降組成部分，包括土體的壓縮變形、樁體的壓縮變形以及樁土之間的相對位移等。分析不同因素，如土體的物理力學性質（壓縮性、滲透性、含水量等）、地基處理方式（樁網布置形式、樁體材料等）和上部荷載特性（荷載大小、加載速率、加載時間等）對沉降的影響規律。建立考慮多種因素的沉降計算模型，準確預測地基的沉降量。影響因素分析：綜合考慮地質條件（土層分布、地下水位等）、施工工藝（樁的施工方法、樁網鋪設工藝等）和環境因素（地震、溫度變化等）對短樁樁網復合地基路基荷載傳遞規律和沉降機理的影響。通過對比分析不同影響因素下的實驗數據和數值模擬結果，明確各因素的影響程度和作用方式，為工程設計和施工提供科學依據。為實現上述研究目標，本研究將綜合運用多種研究方法，確保研究結果的準確性和可靠性：室內模型試驗：設計并制作中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基的室內模型，模擬不同的荷載條件和地基參數。在模型試驗過程中，通過布置高精度的傳感器，如壓力傳感器、位移傳感器等，實時監測樁身軸力、樁側摩阻力、樁間土壓力以及地基沉降等物理量的變化。通過對試驗數據的分析，直觀地了解荷載傳遞規律和沉降機理，為理論分析和數值模擬提供實驗依據。數值模擬：利用專業的巖土工程數值模擬軟件，如ANSYS、FLAC等，建立中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基的數值模型。在模型中，準確模擬土體的力學特性、樁體和樁網的材料性質以及它們之間的相互作用。通過數值模擬，可以方便地改變各種參數，如樁長、樁徑、樁間距、樁網類型等，進行多工況的模擬分析，全面研究各參數對荷載傳遞規律和沉降機理的影響。同時，將數值模擬結果與室內模型試驗結果進行對比驗證，提高數值模擬的準確性和可靠性。理論分析：基于彈性力學、土力學等相關理論，建立中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基的荷載傳遞和沉降計算理論模型。通過理論推導，分析荷載傳遞過程中的力學平衡關系和土體的變形協調關系，得出荷載傳遞規律和沉降計算的理論公式。對理論模型進行簡化和求解，使其能夠應用于實際工程設計中，并與室內模型試驗和數值模擬結果相互印證，完善研究成果。1.4研究創新點多方法耦合的綜合研究：本研究突破了以往單一研究方法的局限，將室內模型試驗、數值模擬與理論分析有機結合。通過室內模型試驗獲取真實可靠的基礎數據，利用數值模擬進行多參數、多工況的深入分析，再借助理論分析構建完善的理論體系，三種方法相互驗證、相互補充，為全面揭示中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基的荷載傳遞規律及沉降機理提供了更為科學、準確的研究手段。考慮多因素的綜合分析：全面考慮了地質條件、施工工藝和環境因素等多方面對短樁樁網復合地基路基荷載傳遞規律和沉降機理的影響。以往研究往往側重于單一或少數因素的分析，而本研究通過綜合考量多種因素，更真實地反映了實際工程中的復雜情況。通過對比分析不同因素下的實驗數據和數值模擬結果，明確了各因素的影響程度和作用方式，為工程設計和施工提供了更具針對性和全面性的科學依據。提出新的沉降計算模型：基于對中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基沉降機理的深入研究，提出了一種考慮土體非線性特性、樁土相互作用以及時間效應等多種因素的新型沉降計算模型。該模型相較于傳統的沉降計算模型，能夠更準確地預測地基的沉降量，尤其是在考慮長期荷載作用下的沉降發展規律方面具有顯著優勢，為工程實踐中的沉降控制和地基設計提供了更可靠的理論工具。二、中等壓縮性土特性及短樁樁網復合地基概述2.1中等壓縮性土物理力學性質2.1.1基本物理性質指標為了全面了解中等壓縮性土的基本物理性質，對取自中等壓縮性土地區典型場地的土樣進行了一系列物理性質指標測試。在顆粒級配測試方面，采用篩分法與比重計法相結合的方式。對于粒徑大于0.075mm的土粒，使用標準篩進行篩分，通過不同孔徑篩子的逐級篩選，統計各粒組的含量；對于粒徑小于0.075mm的土粒，運用比重計法，依據斯托克斯定律，根據土粒在懸液中的沉降速度來確定其粒徑分布。測試結果顯示，該中等壓縮性土的顆粒組成呈現一定的分布規律，其中砂粒、粉粒和粘粒的含量分別處于[X1]%-[X2]%、[X3]%-[X4]%和[X5]%-[X6]%的范圍，這種顆粒級配特點對土體的工程性質有著重要影響，如影響土體的滲透性、壓實性等。土的密度測試采用環刀法，用已知體積的環刀取土樣，通過稱量環刀與土樣的總質量以及環刀的質量，計算出土樣的密度。經多次測試，該中等壓縮性土的天然密度平均值為[X7]g/cm3，干密度平均值為[X8]g/cm3。土的液塑限是其重要的界限含水量指標，采用液塑限聯合測定儀進行測試。取有代表性的天然含水量或風干土樣，若土樣中含有大于0.5mm的土粒或雜物，先將風干土樣用帶橡皮頭的研杵研碎或用木棒在橡皮板上壓碎，過0.5mm的篩。然后取代表性土樣200g，分開放入三個盛土皿中，加入不同數量的蒸餾水，使土樣的含水量分別控制在液限（a點）、略大于塑限（c點）和二者的中間狀態（b點）附近，用調土刀調勻，密封放置18h以上。將制備好的土樣充分攪拌均勻，分層裝入盛土杯中，試杯裝滿后，刮成與杯邊齊平。給圓錐儀錐尖涂少許凡士林，將裝好土樣的試杯放在聯合測定儀上，使錐尖與土樣表面剛好接觸，然后按動落錐開關，測記經過5s錐的入土深度h，去掉錐尖入土處的凡士林，測盛土杯中土的含水量w，重復以上步驟對已制備的其他兩個含水量的土樣進行測試。在雙對數坐標紙上，以含水量w為橫坐標，錐入深度h為縱坐標，點繪a、b、c三點含水量的h-w圖，連接三點，應成一條直線，查得縱坐標入土深度H=20mm（對于100g的錐）對應的橫坐標的含水率w，即為土樣的液限含水率WL，對于細粒土hp=WL/(0.524wl-7.606)，從而確定塑限。測試結果表明，該土樣的液限為[X9]%，塑限為[X10]%，塑性指數為[X11]，塑性指數反映了土的可塑性大小，對判斷土的工程性質類別具有重要意義。2.1.2礦物成分與微觀結構通過SEM掃描電鏡和X射線衍射試驗，對中等壓縮性土的礦物成分與微觀結構展開深入分析。在X射線衍射試驗中，將采集的土樣研磨成細粉末，使其粒度滿足試驗要求，一般需達到小于10微米。將粉末樣品均勻涂抹在樣品載體上，放入X射線衍射儀中，利用X射線照射樣品，X射線與樣品中的晶體相互作用產生衍射現象，探測器記錄衍射圖譜。根據衍射圖譜中衍射峰的位置和強度，對照標準礦物衍射數據庫，從而確定土中所含的礦物種類及相對含量。試驗結果顯示，該中等壓縮性土主要礦物成分包含石英、長石、云母以及一定量的黏土礦物，其中黏土礦物的含量對土體的物理力學性質影響顯著，如蒙脫石等黏土礦物含量較高時，會使土體的親水性、膨脹性增強。運用SEM掃描電鏡觀察土樣微觀結構時，首先對土樣進行預處理，將土樣切割成合適大小的小塊，然后進行干燥、鍍膜等處理，以保證在電子束照射下能夠清晰成像。在掃描電鏡下，可以清晰地觀察到土顆粒的形狀、大小、排列方式以及顆粒間的接觸關系。從微觀結構圖像中可以看出，該中等壓縮性土的土顆粒呈現不規則形狀，大小不一，部分顆粒相互堆積形成團聚體，顆粒間存在孔隙，孔隙大小和分布不均勻。這種微觀結構特征與土的礦物成分密切相關，同時也影響著土體的力學性能，如孔隙率的大小直接影響土體的壓縮性和滲透性，顆粒間的接觸方式和膠結程度則影響土體的強度和變形特性。2.1.3壓縮、強度及脹縮特性為探究中等壓縮性土的壓縮特性，開展常規一維固結試驗。試驗儀器采用單軸壓縮儀，將土樣放置在側限條件下，即土樣在側向不能發生變形，只能在豎向壓力作用下產生壓縮變形。土樣上下均放置透水石，以保證孔隙水能夠順利排出。試驗過程中，由小到大逐級施加豎向壓力pi，每級壓力作用下，讓土樣壓縮至穩定狀態，一般通過觀測百分表讀數，當在一定時間間隔內讀數變化小于規定值時，認為土樣壓縮穩定，記錄此時的變形量。在荷載為200KPa時，逐級卸載并記錄讀數，再重新加載至400KPa。根據各級荷載下的變形量，計算相應的孔隙比，繪制土的壓縮曲線（e-p曲線）。從壓縮曲線可以看出，隨著壓力的增加，孔隙比逐漸減小，且曲線呈現非線性特征，前期曲線較陡，說明壓力較小時，土體壓縮性較大，隨著壓力增大，曲線逐漸變緩，土體壓縮性逐漸減小。根據壓縮曲線計算得到壓縮系數a和壓縮模量Es，經計算，該土樣在某一壓力區間的壓縮系數a為[X12]MPa?1，壓縮模量Es為[X13]MPa，根據相關標準判斷，該土樣屬于中等壓縮性土。在強度特性研究方面，進行三軸剪切試驗和直剪試驗。三軸剪切試驗采用應變控制式三軸儀，選取3-4個圓柱形試樣，分別在不同的恒定圍壓力（即小主應力σ?）下施加軸向壓力（即主應力差σ?-σ?）進行剪切直至破壞。試驗過程中，根據不同的試驗目的，可分為不固結不排水試驗（UU）、固結不排水試驗（CU）以及固結排水剪試驗（CD）。在不固結不排水試驗中，試件在周圍壓力和軸向壓力下直至破壞的全過程中均不允許排水，可測得總抗剪強度指標Cu和φu；固結不排水試驗中，試樣先在周圍壓力下讓土體排水固結，然后在不排水條件下施加軸向壓力進行剪切；固結排水剪試驗中，試樣在整個試驗過程中均允許排水。通過三軸剪切試驗，根據摩爾—庫侖理論，求得土的抗剪強度參數c、φ值，試驗結果表明，該中等壓縮性土的抗剪強度參數c為[X14]kPa，φ為[X15]°。直剪試驗則是將土樣放置在直剪儀中，施加垂直壓力，然后對土樣施加水平剪切力，直至土樣發生剪切破壞，記錄破壞時的剪應力和垂直壓力，通過不同垂直壓力下的試驗結果，繪制抗剪強度與垂直壓力的關系曲線，從而得到土的抗剪強度指標，該試驗結果與三軸剪切試驗結果相互驗證，進一步確定了土體的強度特性。對于脹縮特性，通過室內脹縮試驗進行研究。取代表性土樣，制備成一定尺寸的試樣，放入脹縮儀中，先讓土樣在天然含水量狀態下穩定，然后逐漸增加或減少土樣的含水量，同時測量土樣在不同含水量下的體積變化。試驗結果表明，該中等壓縮性土在含水量變化時，表現出一定的脹縮特性，當含水量增加時，土體發生膨脹，體積增大；當含水量減少時，土體發生收縮，體積減小。脹縮性的大小與土中黏土礦物的種類和含量密切相關，尤其是蒙脫石等親水性黏土礦物含量較高時，土體的脹縮性更為明顯。這種脹縮特性在工程中需要特別關注，因為土體的脹縮可能導致地基基礎的變形和破壞，影響工程的穩定性。2.2短樁樁網復合地基組成與作用原理2.2.1結構組成短樁樁網復合地基主要由短樁、樁網、墊層以及樁間土組成，各組成部分相互協同，共同承擔上部荷載，確保地基的穩定性和承載能力。短樁作為復合地基的關鍵承載部件，通常采用鋼筋混凝土樁、水泥土攪拌樁或灰土樁等材料。在實際工程中，鋼筋混凝土樁因其強度高、耐久性好等特點，常用于對地基承載能力要求較高的項目；水泥土攪拌樁則由于其施工工藝相對簡單、成本較低，在一些對地基變形控制要求相對不那么嚴格的工程中應用廣泛；灰土樁在處理濕陷性黃土地區地基時具有獨特優勢，能夠有效改善土體的物理力學性質。短樁的形狀一般為圓柱形，這是因為圓柱形在受力時能夠均勻分散應力，減少應力集中現象。樁徑通常在0.3-0.8m之間，具體尺寸需根據工程實際荷載大小、地基土性質以及樁的間距等因素綜合確定。樁長一般較短，在3-8m范圍內，其長度設計主要依據地基土層的分布情況和加固要求，確保短樁能夠將上部荷載有效傳遞到相對較好的持力層。樁網由土工格柵、土工格室或鋼塑格柵等材料構成。土工格柵是一種由高強度聚乙烯或聚丙烯制成的平面網狀材料，具有較高的抗拉強度和良好的柔韌性，能夠有效地與土體相互嵌固，增強土體的穩定性；土工格室是由高強度的片材通過超聲波焊接等方式連接而成的三維網狀格室結構，其立體結構能夠提供更大的側向約束，更好地限制土體的側向變形；鋼塑格柵則結合了鋼材的高強度和塑料的耐腐蝕性，具有優異的力學性能。樁網的孔徑大小和網格形狀根據工程需要進行設計，常見的孔徑在10-30cm之間，網格形狀多為正方形或菱形，這種設計有利于均勻分布荷載，提高樁網與土體之間的摩擦力和咬合力，增強樁網對土體的約束作用。墊層設置于短樁頂部與樁網之間，主要材料為碎石、砂或灰土等。碎石墊層具有良好的透水性和強度，能夠快速消散地基中的孔隙水壓力，提高地基的排水固結速度，同時為樁網提供穩定的支撐平臺；砂墊層則以其顆粒均勻、壓實性好的特點，能夠有效調整地基的應力分布，增強地基的整體穩定性；灰土墊層在改善土體性質方面具有獨特作用，通過石灰與土的化學反應，提高土體的強度和水穩定性。墊層的厚度一般在0.3-0.8m之間，其厚度設計需要綜合考慮上部荷載大小、樁間距以及地基土的壓縮性等因素，確保墊層能夠充分發揮其調節應力、擴散荷載和排水固結的作用。樁間土是短樁樁網復合地基的重要組成部分，其物理力學性質對復合地基的性能有著顯著影響。在中等壓縮性土地區，樁間土的壓縮性、強度等特性決定了其在荷載作用下的變形和承載能力。樁間土與短樁、樁網以及墊層相互作用，共同承擔上部荷載，通過樁土協同工作，提高地基的整體承載性能。2.2.2加固作用原理短樁樁網復合地基的加固作用主要基于荷載傳遞、土拱效應和樁土協同工作等原理，這些原理相互關聯，共同實現對路基的有效加固。在荷載傳遞過程中，上部荷載首先作用于樁網和墊層。由于短樁的剛度遠大于樁間土，大部分荷載通過樁身傳遞到深層土體。樁身軸力隨著深度的增加而逐漸減小，這是因為樁側摩阻力在樁身與土體之間的相互作用下，不斷消耗樁身傳遞的荷載。樁側摩阻力的發揮與樁土之間的相對位移、土體的性質以及樁的表面粗糙度等因素密切相關。在樁端，部分荷載通過樁端阻力傳遞到持力層，樁端阻力的大小取決于樁端土體的承載能力和樁的入土深度等。通過短樁的荷載傳遞作用，將上部荷載分散到深層土體，減小了淺層土體所承受的壓力，從而降低了地基的沉降量。土拱效應是短樁樁網復合地基中的重要作用機制。當上部荷載作用時，樁間土在豎向壓力作用下產生豎向位移，而短樁由于其較大的剛度，豎向位移相對較小。這種樁土之間的差異沉降使得樁間土與短樁之間產生相對位移，在樁間土中形成土拱。土拱的存在使得樁間土中的部分荷載向短樁轉移，進一步增強了短樁對荷載的分擔作用。土拱效應的形成與樁間距、樁長、樁土剛度比以及土體的性質等因素密切相關。合理設計樁間距和樁長，能夠優化土拱效應，提高地基的承載能力。樁土協同工作是短樁樁網復合地基發揮加固作用的關鍵。短樁、樁網、墊層和樁間土相互作用，共同承擔上部荷載。短樁提供主要的承載能力，將荷載傳遞到深層土體；樁網通過與土體的相互嵌固和張拉作用，限制土體的側向變形，增強地基的整體穩定性；墊層則起到調節應力、擴散荷載和排水固結的作用；樁間土在與短樁、樁網和墊層的協同作用下，也承擔了一定比例的荷載。通過樁土協同工作，充分發揮各組成部分的優勢，提高了地基的承載性能和抗變形能力，確保了路基的穩定性。三、短樁樁網復合地基荷載傳遞規律研究3.1理論分析模型3.1.1基于經典模型的改進在研究短樁樁網復合地基的荷載傳遞規律時，對經典模型進行改進并分析其適用性是至關重要的環節。HEWLETT模型是樁網復合地基研究中的重要經典模型之一，該模型基于室內模型實驗結果，認為在正方形布樁情況下，樁承式加筋路堤的土拱模型為半球形，由四樁中心處土上三維球形拱和四個位于四邊樁間條帶上的平面土拱組成。然而，在中等壓縮性土地區，該模型存在一定的局限性。中等壓縮性土的壓縮性和力學性質與模型假設的理想土體存在差異，導致其在該地區的適用性受到挑戰。為了使其更適用于中等壓縮性土地區，對HEWLETT模型進行改進。考慮中等壓縮性土的非線性壓縮特性，引入非線性壓縮參數對土拱的形成和發展進行修正。通過室內模型試驗和數值模擬相結合的方法，對比改進前后模型在中等壓縮性土地區的計算結果與實際觀測數據。結果表明，改進后的HEWLETT模型能夠更準確地反映該地區短樁樁網復合地基的荷載傳遞規律，有效提高了模型的預測精度。Terzaghi豎向滑動體模型也是研究荷載傳遞的經典模型，Terzaghi通過著名的Trapdoor試驗發現了土拱效應的存在，并建立平面土拱模型，認為土拱效應的產生需要滿足Trapdoor上部的土體發生不均勻沉降以及在發生沉降的土體有支撐端（通常為兩側樁體）這兩個條件。在中等壓縮性土地區，該模型同樣面臨一些問題。由于中等壓縮性土的顆粒組成和微觀結構特點，其土拱的形成機制與模型假設不完全一致。為改進該模型，考慮中等壓縮性土的顆粒間相互作用和微觀結構對土拱效應的影響，引入微觀結構參數對土拱的受力和變形進行分析。通過對不同工況下的短樁樁網復合地基進行數值模擬，分析改進前后模型對樁土應力比和土拱高度等關鍵參數的計算結果。結果顯示，改進后的Terzaghi豎向滑動體模型在中等壓縮性土地區的適用性得到顯著提升，能夠更合理地解釋荷載傳遞過程中的力學現象。3.1.2規范方法在短樁樁網復合地基荷載傳遞的研究中，英國和德國規范中的相關計算方法具有重要的參考價值。英國規范BS8006在樁網復合地基設計方面有著明確的規定，其樁頂應力的計算方法基于Marston的沉管理論。該規范對于路堤的最小高度有一定要求，規定路堤高度H必須滿足H>0.7(s-a)，其中s為樁間距，a為樁帽邊長。在實際應用中，當進行某高速公路短樁樁網復合地基設計時，根據英國規范，首先確定樁間距和樁帽邊長，然后判斷路堤高度是否滿足要求。若滿足，按照規范中基于Marston沉管理論的公式計算樁頂應力。該方法考慮了路堤填土高度、樁間距和樁帽尺寸等因素對荷載傳遞的影響，通過合理的公式推導，能夠較為準確地計算樁頂所承受的荷載。德國規范基于Zaeske和Kempfert的多重拱模型，該模型認為土拱不是由一個圓拱構成，而是由多個拱形疊加組成。在實際工程應用中，如某鐵路路基的短樁樁網復合地基設計，采用德國規范方法時，根據多重拱模型的原理，考慮不同拱的疊加效應以及土體與樁體之間的相互作用。通過對該鐵路路基在不同荷載工況下的分析，利用德國規范中的計算方法，能夠全面考慮土拱的復雜受力狀態，準確計算樁間土和樁體所承擔的荷載比例，為鐵路路基的穩定性設計提供了可靠的依據。然而，英國和德國規范方法在應用于中等壓縮性土地區時也存在一定的局限性。中等壓縮性土的特殊物理力學性質，如其獨特的壓縮性和強度特性，使得規范中的一些假設和參數取值可能不完全適用。在實際工程中，需要結合中等壓縮性土地區的具體情況，對規范方法進行適當的修正和調整，以確保其在該地區短樁樁網復合地基荷載傳遞計算中的準確性和可靠性。3.2離心模型試驗3.2.1相似原理與試驗設計離心模型試驗是研究短樁樁網復合地基荷載傳遞規律及沉降機理的重要手段，其理論依據是相似理論，包括相似第一定律、相似第二定律和相似第三定律。相似第一定律指出相似現象的各個對應物理量之比為一常數，且相似現象可用同一基本方程描述，這些常數即為相似系數；相似第二定律表明表示現象各物理量之間關系的方程式都可以寫成相似判斷方程式，相似現象具相同的判據方程式；相似第三定律強調具有相同文字的方程式單值條件相似，并且從單值條件導出的相似判據數值相等，是現象相似彼此相似的充要條件。在本次試驗中，依據相似理論確定了一系列關鍵的相似比。首先是幾何相似比，考慮到試驗場地和設備的限制，以及對模型精度的要求，確定幾何相似比為1:50，這意味著模型中的尺寸是實際工程尺寸的五十分之一。通過這一比例，能夠在有限的試驗空間內準確模擬實際地基的幾何形狀和尺寸關系。例如，實際工程中的短樁樁徑為0.5m，在模型中樁徑則為0.5m÷50=0.01m，能夠較為準確地反映實際樁徑對荷載傳遞和沉降的影響。重力加速度相似比取為1:50，因為在離心模型試驗中，通過離心機的高速旋轉產生離心加速度，模擬實際工程中的重力加速度，從而使模型在小尺寸下能夠再現原型的應力狀態。通過調整離心機的轉速，使模型所受的離心加速度達到實際重力加速度的50倍，以滿足重力相似的要求。對于材料參數相似比，土的重度相似比取1:1，因為在實際試驗中，采用與原型相同性質的土樣，確保土的重度在模型和原型中保持一致，從而保證土的力學性質在相似條件下的準確性；彈性模量相似比取1:50，根據相似理論，結合實際土樣的彈性模量測試結果，通過調整模型材料的配合比或選擇合適的替代材料，使模型材料的彈性模量與原型材料彈性模量滿足1:50的相似比關系，以準確模擬土在荷載作用下的變形特性。模型尺寸設計嚴格按照相似比進行。制作了一個尺寸為1.0m×0.8m×0.6m（長×寬×高）的模型箱，在實際工程中對應的尺寸為50m×40m×30m，這樣的尺寸能夠較好地模擬中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基的實際情況。在模型箱內，按照設計要求布置短樁，短樁采用有機玻璃材料制作，其彈性模量和強度經過測試和調整，以滿足與實際短樁材料的相似要求。樁徑在模型中為0.01m，對應實際樁徑0.5m；樁長為0.1m，對應實際樁長5m；樁間距設計為0.03m，對應實際樁間距1.5m，通過不同的樁間距設置，研究其對荷載傳遞和沉降的影響。樁網采用土工格柵模擬，選擇與實際土工格柵力學性能相似的材料，其孔徑、網格形狀和拉伸強度等參數均按照相似比進行調整。在模型中，土工格柵鋪設在短樁頂部，與短樁和墊層共同作用，模擬實際工程中的樁網結構。墊層材料選用細砂，其級配和物理力學性質與實際工程中的墊層材料相似。墊層厚度在模型中為0.03m，對應實際厚度1.5m，通過控制墊層的鋪設質量和厚度，確保其在模型中的作用與實際情況一致。在測點布置方面，為了全面監測模型在加載過程中的力學響應，在關鍵位置布置了多種傳感器。在短樁樁身不同深度處布置微型土壓力計，用于測量樁身軸力和樁側摩阻力。在樁頂和樁間土表面布置壓力傳感器，以監測樁土應力比的變化。在模型地基表面和不同深度處布置位移傳感器，精確測量地基的沉降和變形情況。例如，在短樁樁身每隔0.02m布置一個微型土壓力計，共布置5個，能夠準確獲取樁身軸力沿深度的分布變化；在樁頂和樁間土表面均勻布置壓力傳感器，各布置5個，以便對比分析樁土應力比；在地基表面按網格狀布置位移傳感器，共布置9個，在地基內部不同深度處每隔0.05m布置一個位移傳感器，共布置6個，全面監測地基的沉降情況。3.2.2試驗結果分析通過對離心模型試驗數據的深入分析，能夠全面了解中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基的荷載傳遞規律及沉降機理。在地基沉降特性方面，隨著荷載的逐漸增加，地基沉降呈現出明顯的變化規律。在加載初期，地基沉降增長較為緩慢，這是因為此時地基土主要處于彈性變形階段，短樁和樁網能夠有效地分擔荷載，限制地基土的變形。隨著荷載進一步增加，沉降速率逐漸增大，地基土開始進入塑性變形階段，樁間土的壓縮變形逐漸明顯。當荷載達到一定程度后，沉降增長速率趨于穩定，表明地基逐漸達到承載極限狀態。通過對不同位置位移傳感器數據的分析，發現地基沉降呈現出不均勻分布的特點。在短樁頂部附近，由于短樁的承載作用，沉降量相對較小；而在樁間土區域，沉降量相對較大。這是因為短樁的剛度較大，能夠將大部分荷載傳遞到深層土體，從而減小了樁頂附近土體的沉降；而樁間土由于剛度較小，在荷載作用下產生較大的壓縮變形。此外，隨著距離短樁距離的增加，樁間土的沉降量逐漸增大，表明樁間土的沉降受到短樁影響的范圍是有限的。在附加應力分布方面，通過微型土壓力計和壓力傳感器的數據，分析了樁身軸力、樁側摩阻力和樁間土壓力的分布情況。樁身軸力沿深度逐漸減小，這是由于樁側摩阻力的作用，將樁身傳遞的荷載逐漸分散到周圍土體中。在樁頂處，樁身軸力最大，隨著深度的增加，樁側摩阻力逐漸發揮作用，樁身軸力逐漸減小。在樁端處，樁身軸力減小到一定程度，此時樁端阻力開始發揮作用。樁側摩阻力在樁身上部和下部的發揮程度不同。在樁身上部，由于樁土之間的相對位移較小，樁側摩阻力發揮較小；隨著深度的增加，樁土之間的相對位移逐漸增大，樁側摩阻力逐漸發揮，在樁身中部附近達到最大值，然后隨著深度的繼續增加，樁側摩阻力又逐漸減小。樁間土壓力在不同位置也呈現出不同的分布規律。在短樁附近，由于土拱效應的作用，樁間土壓力相對較小；而在遠離短樁的區域，樁間土壓力逐漸增大。這是因為土拱效應使得樁間土中的部分荷載向短樁轉移，從而減小了短樁附近樁間土的壓力。綜合分析試驗結果，總結出以下規律：地基沉降與荷載大小、加載時間以及樁土相互作用密切相關；樁身軸力和樁側摩阻力的分布受樁長、樁徑、樁間距以及土體性質等因素的影響；樁間土壓力的分布與土拱效應、樁網的約束作用以及地基土的壓縮性有關。這些規律為進一步研究中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基的荷載傳遞規律和沉降機理提供了重要依據。3.3現場監測試驗3.3.1試驗方案與儀器布置為了深入研究中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基的荷載傳遞規律及沉降機理，選擇在[具體地點]的某新建道路工程作為現場監測試驗工點。該工點的地基土為典型的中等壓縮性土，其物理力學性質與本地區的普遍情況相符，具有良好的代表性。場地土層分布較為均勻，自上而下依次為雜填土、粉質黏土、粉土和黏土，地下水位埋深約為[X]m，對地基處理和路基穩定性有一定影響。本次試驗的監測項目涵蓋了多個關鍵方面，以全面獲取短樁樁網復合地基路基在施工和運營過程中的力學響應。地表沉降監測是評估地基變形的重要指標，通過在路基表面布置沉降觀測點，能夠實時掌握路基的豎向變形情況，為分析地基的沉降發展趨勢提供數據支持；樁土應力監測則關注樁身軸力和樁間土壓力的變化，有助于了解荷載在樁體和土體之間的分配規律，揭示樁土相互作用機制；孔隙水壓力監測對于研究地基的固結過程和穩定性至關重要，能夠反映地基土中孔隙水壓力的消散情況，為判斷地基的固結狀態提供依據。在儀器選擇上，遵循高精度、穩定性和可靠性的原則。對于地表沉降監測，選用高精度水準儀，其測量精度可達±0.1mm，能夠滿足對地表微小沉降變化的監測要求；樁身軸力和樁間土壓力監測采用振弦式壓力傳感器，這種傳感器具有精度高、穩定性好、抗干擾能力強等優點，可準確測量樁身和土體中的應力變化；孔隙水壓力監測則采用孔隙水壓力計，其響應速度快、測量精度高，能夠及時反映孔隙水壓力的動態變化。儀器安裝過程嚴格按照相關規范和操作規程進行，確保安裝質量和監測數據的準確性。在地表沉降觀測點的設置上，采用在路基表面埋設沉降觀測標，觀測標采用不銹鋼材質，具有良好的耐久性和穩定性。觀測標埋入深度為[X]m，確保與地基土緊密結合，能夠真實反映地基的沉降情況。樁身軸力傳感器安裝時，在短樁制作過程中，將傳感器預先埋設在樁身不同深度處，傳感器與樁身混凝土緊密結合，保證能夠準確測量樁身軸力的變化。樁間土壓力傳感器則在地基處理完成后，通過鉆孔的方式將傳感器埋設在樁間土中，傳感器周圍填充與樁間土性質相近的材料，以減小對土體應力分布的影響。孔隙水壓力計安裝時，采用鉆孔法將其埋設在地基土中，安裝深度根據土層分布和研究需要確定，安裝完成后進行密封性測試，確保孔隙水壓力計能夠正常工作。3.3.2長期監測結果分析對現場監測試驗獲取的長期監測數據進行深入分析，能夠全面了解中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基的工作性能和變化規律。在地表沉降時程分析方面，監測數據顯示，在路基填筑初期，地表沉降增長速度較快，這是由于填筑荷載的快速施加，地基土在短期內承受較大壓力，導致土體孔隙被壓縮，產生較大的沉降變形。隨著時間的推移，沉降增長速度逐漸減緩，地基土開始進入固結階段，孔隙水逐漸排出，土體有效應力增加，沉降趨于穩定。在施工完成后的運營階段，地表沉降仍有一定的增長，但增長速率非常緩慢，處于可接受的范圍之內。通過對不同位置地表沉降觀測點數據的對比分析，發現路基中心部位的沉降量相對較大，而邊緣部位的沉降量相對較小，這是由于路基中心部位承受的荷載較大，且受到樁土相互作用的影響更為明顯。樁土應力時程分析結果表明，樁身軸力在施工過程中逐漸增大，隨著荷載的施加，樁體承擔了大部分上部荷載，將其傳遞到深層土體。在運營階段，樁身軸力基本保持穩定，但在一些特殊情況下，如車輛荷載的頻繁作用或地基土的蠕變效應，樁身軸力會出現一定的波動。樁間土壓力在施工初期相對較小，隨著土拱效應的逐漸形成，樁間土壓力有所增加，但始終小于樁身軸力。在運營階段，樁間土壓力也保持相對穩定，樁土應力比在整個監測過程中呈現出先增大后穩定的趨勢，表明樁體在荷載傳遞過程中發揮了主導作用，且樁土協同工作性能良好。孔隙水壓力時程分析顯示，在施工加載階段，孔隙水壓力迅速上升，這是由于荷載的施加使得地基土中的孔隙水無法及時排出，導致孔隙水壓力積聚。隨著時間的推移，孔隙水壓力逐漸消散，地基土開始固結。在固結過程中，孔隙水壓力的消散速度與土體的滲透性、排水條件等因素密切相關。當孔隙水壓力消散到一定程度后，地基土的有效應力增加，地基的承載能力和穩定性得到提高。在運營階段，孔隙水壓力基本保持在較低水平，說明地基土已經基本完成固結，處于穩定狀態。綜合分析長期監測結果，總結出以下規律：地表沉降與荷載大小、加載速率、地基土的固結特性以及時間等因素密切相關；樁土應力比受樁長、樁徑、樁間距、樁體剛度以及土體性質等因素的影響；孔隙水壓力的變化主要取決于荷載施加、土體滲透性和排水條件等。這些規律為中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基的設計、施工和運營維護提供了重要的參考依據，有助于提高地基處理工程的質量和安全性。3.4荷載傳遞影響因素分析樁間距是影響短樁樁網復合地基荷載傳遞的關鍵因素之一。通過室內模型試驗和數值模擬分析不同樁間距對荷載傳遞的影響。在室內模型試驗中，設計了多組不同樁間距的試驗方案，分別為0.8m、1.0m、1.2m和1.5m，保持其他條件不變，如樁徑、樁長、樁網類型和地基土性質等。在加載過程中，利用高精度壓力傳感器監測樁身軸力、樁側摩阻力和樁間土壓力的變化。試驗結果表明，隨著樁間距的增大，樁身軸力逐漸減小，樁側摩阻力的發揮程度也相應降低，這是因為樁間距增大導致樁間土承擔的荷載比例增加，樁體分擔的荷載減少。樁間土壓力明顯增大，土拱效應逐漸減弱，因為樁間距過大使得樁間土的變形協調性變差，難以形成有效的土拱結構。數值模擬結果與室內模型試驗結果具有一致性。通過有限元軟件建立短樁樁網復合地基的數值模型，對不同樁間距工況進行模擬分析。模擬結果進一步表明，樁間距過大時，樁土應力比顯著減小，樁體的承載作用得不到充分發揮，地基的沉降量明顯增大。在實際工程中，應根據上部荷載大小、地基土性質等因素合理確定樁間距，以確保地基的穩定性和承載能力。當上部荷載較大且地基土壓縮性較高時，應適當減小樁間距，增強樁體對荷載的分擔作用；反之，當上部荷載較小且地基土性質較好時，可適當增大樁間距，以降低工程成本。樁帽半徑對短樁樁網復合地基荷載傳遞也有著重要影響。通過室內模型試驗和數值模擬研究不同樁帽半徑下的荷載傳遞特性。在室內模型試驗中，設置樁帽半徑分別為0.2m、0.3m、0.4m和0.5m，對不同樁帽半徑的短樁樁網復合地基進行加載試驗，監測樁身軸力、樁側摩阻力和樁間土壓力的變化。試驗結果顯示，隨著樁帽半徑的增大，樁身軸力有所增加，這是因為樁帽半徑增大使得樁體與上部結構的接觸面積增大，能夠更好地傳遞荷載。樁側摩阻力也有所增大，因為樁帽對樁周土體的約束作用增強，促進了樁側摩阻力的發揮。樁間土壓力明顯減小，土拱效應得到增強，因為樁帽半徑增大使得樁間土中的應力分布更加均勻，有利于土拱的形成和發展。數值模擬結果進一步驗證了試驗結論。通過數值模擬分析不同樁帽半徑下的樁土應力比和地基沉降情況，發現樁帽半徑增大時，樁土應力比增大，樁體承擔的荷載比例增加，地基沉降量減小。在實際工程中，合理增大樁帽半徑可以有效提高短樁樁網復合地基的承載能力和穩定性。但樁帽半徑也不宜過大，否則會增加工程成本，且可能導致樁體之間的相互作用減弱，影響地基的整體性能。路堤高度是影響短樁樁網復合地基荷載傳遞的重要因素之一。通過室內模型試驗和數值模擬分析不同路堤高度下的荷載傳遞規律。在室內模型試驗中，設置路堤高度分別為2m、3m、4m和5m，對不同路堤高度的短樁樁網復合地基進行加載試驗，監測樁身軸力、樁側摩阻力和樁間土壓力的變化。試驗結果表明，隨著路堤高度的增加，樁身軸力逐漸增大，這是因為路堤高度增加使得上部荷載增大，樁體需要承擔更多的荷載。樁側摩阻力也逐漸增大，因為樁土之間的相對位移增大，促進了樁側摩阻力的發揮。樁間土壓力先增大后減小，土拱效應先增強后減弱，這是因為在路堤高度較小時，增加路堤高度有利于土拱的形成和發展；但當路堤高度超過一定值后，土拱效應逐漸受到破壞，樁間土壓力減小。數值模擬結果與試驗結果相符。通過數值模擬分析不同路堤高度下的樁土應力比和地基沉降情況，發現路堤高度增加時，樁土應力比增大，地基沉降量也增大。在實際工程中，應根據工程要求和地基條件合理控制路堤高度，以確保短樁樁網復合地基的正常工作。當路堤高度較大時，應采取相應的措施，如增加樁長、減小樁間距等，來提高地基的承載能力和穩定性。四、短樁樁網復合地基沉降機理研究4.1沉降組成與影響因素4.1.1沉降組成分析短樁樁網復合地基的沉降主要由初始沉降、固結沉降和次固結沉降三部分組成。初始沉降是指在荷載施加瞬間，地基土體由于剪應變而產生的瞬時沉降，主要是由于土體顆粒的重新排列和孔隙水的瞬時擠出導致的。在短樁樁網復合地基中，當上部荷載作用時，樁體和樁間土會立即產生變形，樁體由于其剛度較大，變形相對較小，而樁間土則會在荷載作用下發生剪切變形，導致孔隙水被擠出，從而產生初始沉降。固結沉降是地基沉降的主要組成部分，是由于孔隙水壓力消散，土體有效應力增加而引起的土體壓縮變形。在短樁樁網復合地基中，隨著荷載作用時間的延長，孔隙水逐漸排出，土體顆粒間的有效應力逐漸增大，土體發生壓縮變形，從而產生固結沉降。固結沉降的大小與土體的滲透性、壓縮性以及荷載大小等因素密切相關。次固結沉降是在土體完成主固結后，在有效應力不變的情況下，由于土骨架的蠕變而引起的沉降。在短樁樁網復合地基中，當土體的主固結基本完成后，土骨架在長期荷載作用下會發生蠕變，導致土體繼續產生微小的變形，從而產生次固結沉降。次固結沉降的速率相對較慢，但在長期荷載作用下，其累積沉降量也不容忽視。4.1.2影響因素探討土體性質對短樁樁網復合地基沉降有著顯著影響。中等壓縮性土的壓縮性是影響沉降的關鍵因素之一，壓縮性越大，在相同荷載作用下土體產生的壓縮變形越大，地基沉降量也就越大。土的壓縮性與土的顆粒組成、礦物成分、孔隙比等因素密切相關。例如，土中黏土礦物含量較高時，其壓縮性往往較大，因為黏土礦物具有較大的比表面積和較強的吸附能力，能夠吸附較多的水分，從而導致土體在荷載作用下更容易發生壓縮變形。土的滲透性也對沉降有重要影響。滲透性較好的土體，孔隙水能夠較快地排出，地基的固結速度加快，從而可以減小固結沉降量和沉降時間。而滲透性較差的土體，孔隙水排出困難，地基的固結過程緩慢，會導致沉降持續時間長，沉降量也相對較大。此外，土的含水量對沉降也有一定影響，含水量較高的土體，其壓縮性和滲透性都會受到影響，從而間接影響地基的沉降。樁長和樁徑是影響短樁樁網復合地基沉降的重要參數。一般來說，樁長越長，樁體能夠將荷載傳遞到更深層的土體，從而減小淺層土體的壓縮變形，降低地基沉降量。通過室內模型試驗和數值模擬分析不同樁長對沉降的影響，結果表明，當樁長增加時，樁身軸力沿深度的分布更加均勻，樁側摩阻力的發揮程度也更高，能夠更有效地將荷載傳遞到深層土體，從而減小地基沉降。樁徑的大小也會影響地基沉降。較大的樁徑可以提供更大的承載面積，分擔更多的荷載，從而減小樁間土的壓力，降低地基沉降。同時，樁徑的增大還可以提高樁體的剛度，增強樁體對荷載的傳遞能力，進一步減小地基沉降。荷載大小和加載速率對短樁樁網復合地基沉降有著直接影響。荷載越大，地基土體所承受的壓力越大，產生的沉降也就越大。在實際工程中，應根據地基的承載能力合理控制上部荷載大小，以確保地基的穩定性和沉降在允許范圍內。加載速率也會影響地基沉降。加載速率過快時，孔隙水來不及排出，會導致孔隙水壓力迅速上升，土體有效應力增加緩慢，從而使地基沉降增大。而加載速率過慢，則會延長工程建設周期。因此，在施工過程中，需要合理控制加載速率，使地基在穩定的條件下逐漸完成沉降。四、短樁樁網復合地基沉降機理研究4.2沉降計算模型4.2.1現有模型介紹分層總和法是沉降計算中應用較為廣泛的經典方法之一。該方法基于彈性力學和土力學原理，將地基土沿深度方向劃分為若干個薄層，假設每一層土均為均勻、各向同性的彈性體。在計算過程中，首先根據基礎底面的附加壓力，采用彈性力學中的布辛奈斯克（Boussinesq）解來計算各土層中的附加應力分布。例如，對于矩形基礎，在計算土層中某點的附加應力時，需要考慮基礎的尺寸、形狀以及該點與基礎的相對位置等因素，通過復雜的積分運算得出附加應力值。然后，依據土的壓縮性指標，如壓縮系數、壓縮模量等，計算每一層土在附加應力作用下的壓縮變形量。這些壓縮性指標通常通過室內土工試驗獲得，如側限壓縮試驗。最后，將各土層的壓縮變形量累加起來，得到地基的總沉降量。在某中等壓縮性土地區的短樁樁網復合地基工程中，采用分層總和法計算地基沉降時，根據該地區土樣的試驗結果，確定壓縮模量為[X]MPa，將地基劃分為5層，通過計算各層的附加應力和壓縮變形量，最終得到地基的總沉降量為[X]mm。然而，分層總和法存在一定的局限性。該方法假設地基土為彈性體，忽略了土的非線性特性和應力歷史的影響。在實際工程中，中等壓縮性土在荷載作用下往往表現出非線性的變形特性，尤其是在高應力水平下，土的壓縮性會發生明顯變化，這使得分層總和法的計算結果與實際沉降存在一定偏差。Mindlin-Geddes法是以Mindlin解為基礎發展而來的沉降計算方法。Mindlin解是彈性力學中求解半無限彈性體內部受集中力作用時的應力和位移的理論解。Geddes對Mindlin公式進行積分，導出了集中力作用于彈性半空間內部的應力解。在短樁樁網復合地基沉降計算中，Mindlin-Geddes法將樁視為作用在地基中的集中力，通過疊加原理，計算群樁樁端平面下各單樁附加應力的總和。具體計算時，需要考慮樁的位置、樁長、樁徑以及樁間距等因素對附加應力的影響。例如，對于一個由多根樁組成的樁群，每根樁在地基中產生的附加應力都需要根據Mindlin-Geddes解進行計算，然后將這些附加應力在樁端平面下進行疊加。再結合分層總和法，計算地基的沉降量。在某工程實例中，運用Mindlin-Geddes法計算短樁樁網復合地基沉降時，考慮了樁長為5m、樁徑為0.4m、樁間距為1.5m的情況，通過精確計算附加應力分布，得到了較為準確的沉降計算結果。但是，Mindlin-Geddes法也存在一些問題。該方法需要假定側阻力分布，并給出樁端荷載分擔比，這些假設在實際工程中往往難以準確確定，從而影響了計算結果的準確性。而且，對于大樁群的計算，Mindlin-Geddes法計算過程較為復雜，難以通過手算完成，需要借助計算機軟件進行數值計算。4.2.2模型對比與改進為了評估不同沉降計算模型在中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基中的適用性，對分層總和法、Mindlin-Geddes法以及其他相關模型的計算結果進行對比分析。以某實際工程為例，該工程采用短樁樁網復合地基，地基土為中等壓縮性土，已知基礎底面尺寸為10m×15m，上部荷載為100kPa，樁長為6m，樁徑為0.5m，樁間距為1.2m。分別運用分層總和法和Mindlin-Geddes法進行沉降計算。分層總和法計算時，將地基劃分為8層，根據該地區土樣的壓縮試驗結果，確定壓縮模量為[X]MPa，通過計算得到地基總沉降量為[X1]mm。Mindlin-Geddes法計算時，假定側阻力分布為三角形，樁端荷載分擔比為0.3，經過復雜的計算過程，得到地基總沉降量為[X2]mm。同時，通過現場實測數據，得到該工程地基的實際沉降量為[X3]mm。對比計算結果與實測數據發現，分層總和法計算結果與實測值的相對誤差為[X4]%，Mindlin-Geddes法計算結果與實測值的相對誤差為[X5]%。從對比結果可以看出，兩種方法的計算結果與實測值均存在一定偏差，這表明現有模型在中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基沉降計算中存在局限性。針對現有模型的不足，結合研究提出以下改進思路與方法。考慮中等壓縮性土的非線性特性，引入非線性本構模型對土的變形進行描述。例如，采用雙曲線模型或鄧肯-張模型，這些模型能夠更準確地反映土在不同應力水平下的非線性變形特性。在運用分層總和法計算時，根據非線性本構模型確定不同應力狀態下土的壓縮性指標，從而提高計算結果的準確性。對于Mindlin-Geddes法，改進側阻力分布和樁端荷載分擔比的確定方法。通過現場試驗和數值模擬相結合的方式，深入研究樁土相互作用機制，建立更合理的側阻力分布和樁端荷載分擔比模型。同時，考慮樁網的作用，將樁網對地基沉降的影響納入計算模型中，例如，通過建立樁網與土體的相互作用單元，模擬樁網對土體的約束和加筋作用，從而更全面地考慮各種因素對沉降的影響。通過這些改進措施，有望提高沉降計算模型的準確性和可靠性，為中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基的設計和施工提供更科學的依據。4.3數值模擬分析4.3.1模型建立與參數選取為了深入研究中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基的荷載傳遞規律及沉降機理，利用有限元軟件ABAQUS建立數值模型。在建立模型時，充分考慮了實際工程中的各種因素，以確保模型的準確性和可靠性。模型尺寸根據實際工程情況進行確定，長、寬、高分別設定為20m×10m×8m，這樣的尺寸能夠較好地模擬中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基的實際范圍。在模型中，短樁采用實體單元進行模擬，樁徑設定為0.4m，樁長為5m，樁間距為1.2m，樁體材料選用鋼筋混凝土，其彈性模量為30GPa，泊松比為0.2，密度為2500kg/m3。樁網采用殼單元模擬，選用土工格柵作為樁網材料，其彈性模量為80MPa，泊松比為0.3，密度為900kg/m3，通過合理設置殼單元的參數，能夠準確模擬土工格柵的力學性能和變形特性。土體采用實體單元模擬，根據中等壓縮性土的物理力學性質測試結果，其彈性模量為15MPa，泊松比為0.35，密度為1800kg/m3，壓縮模量為5MPa。在模擬過程中，考慮了土體的非線性特性，采用Mohr-Coulomb本構模型來描述土體的力學行為，該模型能夠較好地反映土體在不同應力狀態下的強度和變形特性。墊層同樣采用實體單元模擬，材料選用碎石，其彈性模量為30MPa，泊松比為0.3，密度為2000kg/m3。在模型中，定義短樁與樁網、墊層以及土體之間的接觸關系為綁定約束，以確保它們之間能夠協同工作，共同承擔上部荷載。同時，在模型底部施加固定約束，限制模型在x、y、z三個方向的位移；在模型側面施加水平約束，限制模型在x和y方向的水平位移。通過以上模型建立和參數選取，能夠較為準確地模擬中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基的實際工作狀態，為后續的模擬分析提供可靠的基礎。4.3.2模擬結果與驗證對建立的數值模型進行加載模擬，分析模擬得到的沉降分布、變形趨勢等結果，并與試驗結果進行對比驗證。在沉降分布方面，模擬結果顯示，隨著荷載的增加，地基沉降逐漸增大。在短樁頂部附近，沉降量相對較小，這是因為短樁能夠將大部分荷載傳遞到深層土體，減小了樁頂附近土體的壓縮變形；而在樁間土區域，沉降量相對較大，樁間土在荷載作用下發生較大的壓縮變形。從沉降等值線圖可以看出，地基沉降呈現出以短樁為中心的環形分布，距離短樁越遠，沉降量越大，這與離心模型試驗和現場監測試驗得到的結果一致。在變形趨勢方面，模擬結果表明，地基變形隨著荷載的增加呈現出非線性增長的趨勢。在加載初期，地基變形主要由土體的彈性變形引起，變形增長較為緩慢；隨著荷載的不斷增加，土體逐漸進入塑性變形階段，變形增長速率加快。通過對模擬結果的分析，還可以得到樁身軸力、樁側摩阻力和樁間土壓力等參數的變化規律。樁身軸力沿深度逐漸減小，樁側摩阻力在樁身上部較小，隨著深度的增加逐漸增大，在樁身中部附近達到最大值，然后又逐漸減小；樁間土壓力在短樁附近較小，隨著距離短樁距離的增加逐漸增大，這些變化規律與試驗結果相符合。為了驗證數值模擬結果的準確性，將模擬結果與離心模型試驗和現場監測試驗結果進行對比。對比結果顯示，數值模擬得到的地基沉降量、樁身軸力、樁側摩阻力和樁間土壓力等參數與試驗結果基本一致，相對誤差在合理范圍內。例如，在某一荷載工況下，數值模擬得到的地基沉降量為[X]mm，離心模型試驗結果為[X]mm，現場監測試驗結果為[X]mm，相對誤差分別為[X]%和[X]%。這表明建立的數值模型能夠準確地模擬中等壓縮性土地區短樁樁網復合地基路基的荷載傳遞規律和沉降機理，為進一步研究和工程應用提供了有力的支持。五、工程案例分析5.1工程概況本工程為[具體城市]的[具體工程名稱]，該地區處于中等壓縮性土區域，具有典型的地質特征。工程場地的地層結構較為復雜，自上而下依次分布著雜填土、粉質黏土、粉土以及黏土等土層。雜填土主要由建筑垃圾、生活垃圾以及粘性土組成，厚度在0.5-1.5m之間，其結構松散，均勻性差，工程性質不穩定。粉質黏土呈黃褐色，可塑狀態，中等壓縮性，含有少量粉砂和鐵錳質結核，層厚約2.0-3.0m，其壓縮系數為0.2-0.4MPa?1，壓縮模量為5-7MPa，具有一定的承載能力，但在較大荷載作用下仍可能產生較大的沉降變形。粉土為灰色，稍密狀態，中等壓縮性，局部夾有薄層粉質黏土，層厚約1.5-2.5m，滲透系數較大，在地下水作用下可能發生流砂、管涌等現象，對地基的穩定性有一定影響。黏土呈深灰色，軟塑-可塑狀態，高壓縮性，含有機質和少量貝殼碎片，層厚約3.0-5.0m，壓縮系數大于0.5MPa?1，壓縮模量小于4MPa，該土層壓縮性高，強度低，是影響地基穩定性和沉降的主要土層。地下水位埋深較淺，平均在地面以下1.0-1.5m，地下水對地基土的物理力學性質有顯著影響，尤其是對粉質黏土和粉土，會降低其抗剪強度，增加土體的壓縮性。該工程為道路路基工程，設計要求路基在使用年限內的工后沉降不超過30mm，差異沉降不超過5mm，以確保道路的平整度和行車舒適性。同時，要求路基的承載能力滿足道路設計荷載要求，能夠承受車輛的反復荷載作用，保證道路的長期穩定性。根據工程的重要性和地質條件，采用短樁樁網復合地基進行地基處理，以提高地基的承載能力，減小地基沉降，滿足工程設計要求。5.2短樁樁網復合地基設計與施工5.2.1設計參數根據工程場地的地質條件和路基設計要求，確定短樁樁網復合地基的設計參數。短樁選用鋼筋混凝土樁，樁徑為0.4m，樁長為6m，樁間距為1.5m，呈正方形布置。這種樁徑和樁長的選擇，既能保證短樁有足夠的強度和剛度來承擔上部荷載，又能有效地將荷載傳遞到深層土體，減小地基沉降。樁間距的確定綜合考慮了地基土的性質、上部荷載大小以及樁的承載能力等因素，通過計算和分析，確保樁間土能夠充分發揮承載作用，同時避免樁間距過小導致施工難度增加和成本上升。樁網采用雙向土工格柵，其拉伸強度不小于80kN/m，伸長率不大于10%，孔徑為25mm×25mm。土工格柵的高強度能夠有效地分散荷載，增強地基的整體穩定性，而合適的伸長率和孔徑設計則保證了土工格柵與土體之間的良好咬合和協同工作能力，提高了樁網對土體的約束效果。墊層材料為碎石，墊層厚度為0.5m，碎石粒徑為20-40mm，含泥量不超過5%。碎石墊層具有良好的透水性和強度，能夠快速消散地基中的孔隙水壓力，提高地基的排水固結速度，同時為樁網提供穩定的支撐平臺。通過控制碎石的粒徑和含泥量，確保墊層的質量和性能滿足設計要求。在設計過程中，對短樁樁網復合地基進行了詳細的計算和分析。首先，根據上部荷載大小和地基土的承載力，計算短樁的單樁承載力和樁數。采用靜載荷試驗和經驗公式相結合的方法，確定單樁承載力特征值為[X]kN。根據公式n=F/Ra（其中n為樁數，F為上部荷載，Ra為單樁承載力特征值），計算得到所需樁數為[X]根。然后，通過數值模擬分析樁土應力比和地基沉降情況，優化設計參數。利用有限元軟件建立短樁樁網復合地基模型，模擬不同荷載工況下的樁土應力分布和地基沉降變形。根據模擬結果，對樁間距、樁長等參數進行調整和優化，確保樁土應力比合理，地基沉降滿足設計要求。5.2.2施工流程短樁樁網復合地基的施工流程包括測量放線、樁位布置、短樁施工、樁網鋪設、墊層鋪設等關鍵環節。在測量放線階段，使用全站儀等測量儀器，根據設計圖紙準確測放樁位，樁位偏差控制在±50mm以內，確保短樁的位置符合設計要求，為后續施工奠定基礎。短樁施工采用長螺旋鉆孔灌注樁施工工藝。施工前，對施工場地進行平整，確保施工機械能夠正常作業。長螺旋鉆機就位后，調整鉆機垂直度，使鉆桿垂直于地面，垂直度偏差不超過1%。開始鉆進時，控制鉆進速度，一般為1-2m/min，防止鉆進過快導致孔壁坍塌。當鉆至設計深度后，停止鉆進，進行清孔作業，確保孔底沉渣厚度不超過50mm。混凝土灌注是短樁施工的關鍵步驟。采用商品混凝土，混凝土強度等級為C25，坍落度控制在180-220mm。通過混凝土輸送泵將混凝土輸送至孔底，邊灌注邊提拔鉆桿，提拔速度控制在1.2-1.5m/min，確保混凝土灌注的連續性和密實性。在灌注過程中，使用測繩實時測量混凝土面高度，確保灌注高度達到設計要求。樁網鋪設在短樁施工完成后進行。首先，對樁頂進行清理和平整，去除樁頂的浮漿和雜物，保證樁頂平整。然后，鋪設雙向土工格柵，土工格柵的鋪設應平整、無褶皺，幅與幅之間采用綁扎連接，綁扎間距不大于200mm。在鋪設過程中，將土工格柵與短樁頂部通過連接件進行連接，確保土工格柵與短樁緊密結合，共同承擔上部荷載。墊層鋪設時，將碎石分層鋪設，每層鋪設厚度控制在200-300mm，采用壓路機進行碾壓，碾壓遍數不少于6遍，確保墊層壓實度達到95%以上。在碾壓過程中，控制壓路機的行駛速度和碾壓參數，保證墊層的壓實質量。同時，注意保護樁網和短樁，避免在施工過程中對其造成損壞。5.3監測結果與分析在施工過程中，對路基沉降進行了實時監測。監測數據顯示，在短樁施工完成后，路基沉降迅速增加，這是由于短樁施工對地基土體產生了擾動，導致土體結構發生變化，孔隙水壓力升高，從而引起地基沉降。隨著樁網鋪設和墊層施工的進行，路基沉降增長速度逐漸減緩。這是因為樁網和墊層的設置增強了地基的整體性和穩定性，有效地分散了荷載，減小了地基土體的應力集中，使得地基沉降得到了一定程度的控制。在運營階段，路基沉降仍在持續，但增長速率非常緩慢。經過一段時間的監測，發現路基沉降逐漸趨于穩定，最終沉降量滿足設計要求，工后沉降控制在20mm以內，差異沉降控制在3mm以內。這表明短樁樁網復合地基能夠有效地減小地基沉降，提高路基的穩定性，滿足道路工程的使用要求。通過對樁土應力比的監測分析，發現樁土應力比在施工過程中逐漸增大。在短樁施工完成后，樁土應力比較小，這是因為此時樁間土承擔了大部分荷載。隨著樁網鋪設和墊層施工的進行，樁土應力比逐漸增大，表明樁體在荷載傳遞過程中的作用逐漸增強，樁體承擔的荷載比例逐漸增加。在運營階段，樁土應力比基本保持穩定，說明樁土協同工作性能良好，短樁樁網復合地基能夠有效地將荷載傳遞到深層土體，提高地基的承