强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基的多维度探究与实践应用

强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基的多维度探究与实践应用一、引言1.1研究背景与意义随着我国基础设施建设的大力推进，工程建设不断向地质条件复杂的区域拓展，强湿陷性黄土地区的工程项目日益增多。强湿陷性黄土作为一种特殊的土类，广泛分布于我国西北、华北等地区，如甘肃、陕西、山西等地。这类黄土具有独特的工程性质，其在天然状态下强度较高，但一旦遇水浸湿，土结构迅速破坏，会产生显著的附加下沉，导致地基承载力大幅降低，进而引发建筑物的严重沉降、开裂甚至倾斜等问题，严重威胁工程结构的安全与正常使用。例如，在某些地区的工程建设中，由于对强湿陷性黄土地基处理不当，建筑物在建成后短时间内就出现了墙体开裂、地面下沉等现象，不仅影响了建筑物的美观和使用功能，还增加了后期维修和加固的成本，甚至有些建筑物因损坏严重而不得不拆除重建，造成了巨大的经济损失。又如，一些道路工程在强湿陷性黄土地区建设后，随着时间的推移和雨水的侵蚀，路面出现了不均匀沉降、裂缝等病害，影响了道路的平整度和行车舒适性，增加了道路的养护成本和安全隐患。这些实际案例充分说明了强湿陷性黄土地基处理在工程建设中的重要性和紧迫性。挤密桩复合地基作为一种有效的地基处理方法，在强湿陷性黄土地区得到了广泛应用。它通过在地基中设置挤密桩，对桩间土进行挤密加固，使桩和桩间土共同承担上部荷载，形成复合地基，从而提高地基的承载力，减少地基的沉降变形。与其他地基处理方法相比，挤密桩复合地基具有施工工艺相对简单、工程造价较低、对环境影响较小等优点，能够较好地适应强湿陷性黄土地区的工程建设需求。然而，目前对于挤密桩复合地基在强湿陷性黄土地区的作用机理、设计理论和施工技术等方面的研究还存在一定的局限性，尚未形成一套完善的理论体系和技术标准，这在一定程度上制约了挤密桩复合地基在强湿陷性黄土地区的合理应用和推广。因此，深入开展强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基的理论分析与试验研究具有重要的理论与实践意义。从理论方面来看，通过对挤密桩复合地基的作用机理、力学性能和变形特性等进行系统研究，可以丰富和完善复合地基理论，为其在强湿陷性黄土地区的设计和应用提供坚实的理论基础；从实践方面来看，研究成果能够为强湿陷性黄土地区的工程建设提供科学合理的地基处理方案和技术指导，提高工程建设的质量和安全性，降低工程成本，减少因地基问题导致的工程事故和经济损失，对于促进强湿陷性黄土地区的经济发展和基础设施建设具有重要的现实意义。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外对于挤密桩复合地基的研究起步相对较早，在理论分析、试验研究和数值模拟等方面取得了一系列成果。在理论研究方面，国外学者较早地开始关注桩土相互作用理论。如Terzaghi[1]提出了有效应力原理，为分析地基土的力学特性奠定了基础，这也为挤密桩复合地基中桩土相互作用的研究提供了理论依据。随后，一些学者基于弹性理论和塑性理论，对挤密桩复合地基的应力分布和变形特性进行了深入研究。例如，Mindlin[2]通过建立弹性力学模型，分析了在集中力作用下桩周土体的应力分布情况，这对于理解挤密桩复合地基中桩对土体的挤密作用具有重要意义。在试验研究方面，国外开展了大量的现场试验和室内模型试验。在现场试验中，通过对不同类型挤密桩复合地基的加载试验，获取了地基的承载力、沉降变形等数据，研究了挤密桩复合地基在实际工程中的性能表现。室内模型试验则主要用于研究桩土相互作用的微观机制，通过模拟不同的试验条件，观察桩土界面的接触特性、土体的微观结构变化等。如一些学者利用先进的微观测试技术，如扫描电子显微镜（SEM）、压汞仪（MIP）等，对挤密桩复合地基中桩周土体的微观结构进行了分析，揭示了挤密桩对土体微观结构的改善作用。在数值模拟方面，国外学者广泛应用有限元、有限差分等数值方法对挤密桩复合地基进行模拟分析。有限元软件如ABAQUS、ANSYS等在挤密桩复合地基的数值模拟中得到了大量应用，通过建立合理的数值模型，可以模拟挤密桩复合地基在不同荷载工况下的力学响应，分析桩土应力比、沉降分布等参数的变化规律，为工程设计提供参考。然而，国外的研究主要集中在一般地基条件下挤密桩复合地基的性能研究，对于强湿陷性黄土这种特殊地基条件下挤密桩复合地基的研究相对较少。由于强湿陷性黄土具有独特的湿陷性、结构性等特性，国外现有的研究成果不能完全适用于强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基的分析与设计。1.2.2国内研究现状国内对强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基的研究随着工程建设的需求不断深入，在理论、试验和工程应用等方面都取得了丰硕的成果。在理论研究方面，国内学者结合强湿陷性黄土的特性，对挤密桩复合地基的作用机理进行了深入探讨。例如，文献[3]通过理论分析，研究了挤密桩在强湿陷性黄土中对桩间土的挤密效应，建立了考虑黄土湿陷性的桩间土挤密模型，分析了挤密桩间距、桩径等因素对桩间土挤密效果的影响。同时，在复合地基承载力计算理论方面，国内学者在传统的复合地基承载力计算公式基础上，考虑强湿陷性黄土的特性，对公式进行了修正和完善。如文献[4]通过对大量工程实例的分析，提出了适用于强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基承载力计算的经验公式，该公式考虑了黄土的湿陷系数、桩土应力比等因素，提高了承载力计算的准确性。在试验研究方面，国内开展了众多针对强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基的现场试验和室内试验。现场试验通过在实际工程场地中设置挤密桩复合地基，并进行加载试验和长期监测，获取了地基在不同工况下的性能数据。例如，文献[5]通过现场载荷试验，研究了灰土挤密桩复合地基在强湿陷性黄土中的承载特性和变形规律，分析了桩长、桩径、桩间距等因素对地基承载力和沉降的影响。室内试验则主要围绕强湿陷性黄土的物理力学性质以及挤密桩与黄土之间的相互作用展开。通过室内击实试验、三轴压缩试验等，研究了黄土的含水量、干密度等因素对其力学性能的影响；通过室内模型试验，模拟挤密桩的成桩过程和复合地基的加载过程，研究桩土相互作用机制和地基的破坏模式。在数值模拟方面，国内学者利用数值软件对强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基进行了大量模拟研究。通过建立合理的数值模型，考虑强湿陷性黄土的本构模型、桩土界面特性等因素，对挤密桩复合地基的力学性能进行分析。如文献[6]利用有限元软件ABAQUS，建立了考虑黄土湿陷性的挤密桩复合地基数值模型，模拟了地基在浸水条件下的变形和应力分布情况，分析了湿陷性对地基性能的影响规律。尽管国内在强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基研究方面取得了显著成果，但仍存在一些不足之处。在理论研究方面，目前的理论模型还不够完善，对于复杂的桩土相互作用机制和强湿陷性黄土的非线性特性考虑还不够充分，导致理论计算结果与实际工程存在一定偏差。在试验研究方面，由于试验条件的限制，一些现场试验难以全面模拟实际工程中的复杂工况，室内试验也难以完全反映强湿陷性黄土在自然状态下的特性。在数值模拟方面，数值模型中参数的选取和本构模型的合理性还需要进一步验证和优化，以提高数值模拟结果的准确性和可靠性。综上所述，国内外在强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基的研究上虽已取得一定进展，但仍有许多方面需要进一步深入研究，以完善其理论体系和技术方法，为工程实践提供更可靠的依据。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究将围绕强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基展开多方面深入研究，具体内容如下：强湿陷性黄土及挤密桩复合地基基本特性研究：全面分析强湿陷性黄土的物理力学性质，包括颗粒组成、含水量、干密度、压缩性、抗剪强度以及湿陷特性等，深入探究其在不同环境条件下的变化规律。同时，详细研究挤密桩的材料特性、桩身结构以及桩土相互作用的基本原理，为后续研究奠定坚实基础。例如，通过对不同地区强湿陷性黄土样本的物理力学指标测试，分析其共性与特性，为工程实践提供数据支持。挤密桩复合地基作用机理理论分析：基于土力学、弹性力学和塑性力学等相关理论，深入剖析挤密桩在强湿陷性黄土中对桩间土的挤密作用机制，以及桩土共同承担荷载的工作原理。建立考虑强湿陷性黄土特性的挤密桩复合地基力学模型，分析桩土应力比、桩身轴力分布、桩侧摩阻力分布等力学参数的变化规律，从理论层面揭示挤密桩复合地基的作用机理。比如，运用弹性力学理论分析桩周土体在挤密过程中的应力应变状态，为力学模型的建立提供理论依据。挤密桩复合地基现场试验研究：在强湿陷性黄土地区选取典型工程场地，开展挤密桩复合地基现场试验。在试验过程中，严格按照相关规范和设计要求进行挤密桩的施工，设置不同的桩长、桩径、桩间距等参数，形成多组对比试验。通过现场载荷试验，获取不同工况下挤密桩复合地基的承载力、沉降变形等数据，并利用高精度测量仪器对地基的变形进行实时监测。同时，在试验场地布置孔隙水压力计、土压力盒等传感器，监测桩间土的孔隙水压力、土压力变化情况，深入研究挤密桩复合地基在实际工程中的性能表现和工作性状。挤密桩复合地基室内模型试验研究：设计并制作挤密桩复合地基室内模型试验装置，模拟强湿陷性黄土地区的工程实际情况。在模型试验中，采用相似材料模拟强湿陷性黄土，通过控制试验条件，如含水量、干密度等，研究不同因素对挤密桩复合地基性能的影响。利用先进的测量技术，如数字图像相关技术（DIC）、微型土压力传感器等，对模型地基的变形和应力分布进行精确测量，从微观角度分析桩土相互作用机制和地基的破坏模式。例如，通过DIC技术观察模型地基在加载过程中的表面变形情况，分析桩土界面的相对位移和土体的变形场分布。挤密桩复合地基数值模拟研究：运用有限元软件，如ABAQUS、ANSYS等，建立考虑强湿陷性黄土本构模型和桩土界面特性的挤密桩复合地基数值模型。通过数值模拟，分析不同工况下挤密桩复合地基的力学响应，包括应力分布、应变分布、沉降变形等，研究桩长、桩径、桩间距、桩体材料等参数对地基性能的影响规律。将数值模拟结果与现场试验和室内模型试验结果进行对比验证，不断优化数值模型，提高模拟结果的准确性和可靠性。挤密桩复合地基设计方法与工程应用研究：根据理论分析、试验研究和数值模拟结果，总结强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基的设计原则和方法，提出适用于该地区的挤密桩复合地基承载力计算公式和沉降计算方法。结合实际工程案例，对挤密桩复合地基的设计方案进行优化和验证，分析其在实际工程应用中的可行性和经济性，为强湿陷性黄土地区的工程建设提供科学合理的地基处理方案和技术指导。1.3.2研究方法本研究将综合运用多种研究方法，确保研究的全面性、深入性和科学性，具体方法如下：文献研究法：广泛查阅国内外关于强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基的相关文献资料，包括学术论文、研究报告、工程案例、规范标准等，全面了解该领域的研究现状和发展趋势。对已有的研究成果进行系统梳理和分析，总结前人在理论研究、试验研究和工程应用中取得的经验和存在的不足，为本文的研究提供理论基础和研究思路。室内试验法：通过室内土工试验，获取强湿陷性黄土的基本物理力学性质指标，如颗粒分析、液塑限、击实试验、压缩试验、三轴剪切试验、湿陷性试验等。开展挤密桩桩体材料的物理力学性能试验，如强度试验、弹性模量试验等。进行挤密桩复合地基室内模型试验，模拟实际工程中的加载过程和工况，研究地基的变形特性、破坏模式和桩土相互作用机制。现场测试法：在强湿陷性黄土地区的工程现场，进行挤密桩复合地基的现场试验。通过现场载荷试验，测定复合地基的承载力和沉降变形；利用沉降观测仪器，对地基的沉降进行长期监测；采用孔隙水压力计、土压力盒等传感器，监测桩间土的孔隙水压力和土压力变化。通过现场测试，获取真实可靠的工程数据，为理论分析和数值模拟提供验证依据。数值模拟法：利用有限元软件建立挤密桩复合地基的数值模型，模拟地基在不同荷载工况下的力学响应。在数值模拟过程中，合理选择强湿陷性黄土的本构模型和桩土界面模型，准确设定模型参数，确保模拟结果的准确性。通过数值模拟，可以分析不同因素对地基性能的影响，预测地基的变形和破坏过程，为工程设计提供参考。理论分析法：基于土力学、弹性力学、塑性力学等基本理论，对挤密桩复合地基的作用机理、力学性能和变形特性进行理论分析。建立考虑强湿陷性黄土特性的力学模型，推导相关计算公式，分析桩土应力比、桩身轴力、桩侧摩阻力等力学参数的变化规律，从理论层面揭示挤密桩复合地基的工作原理。工程案例分析法：收集和分析强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基的实际工程案例，总结工程设计、施工和监测过程中的经验和教训。通过对工程案例的分析，验证研究成果的实用性和可靠性，为类似工程提供借鉴和参考。二、强湿陷性黄土特性与挤密桩复合地基原理2.1强湿陷性黄土的特性2.1.1物理性质强湿陷性黄土的物理性质对其工程特性有着关键影响。在颗粒组成方面，强湿陷性黄土主要由粉粒组成，粉粒含量通常占总重量的50%-70%，其中0.05-0.01mm的粗粉土颗粒居多，占总重约40%-60%，小于0.005mm的粘土颗粒较少，占总重约14%-28%，大于0.1mm的细砂颗粒占总重在5%以内，基本无大于0.25mm的中砂颗粒。例如，兰州地区的强湿陷性黄土，大于0.05mm颗粒的平均值为19%，常见值在10%-25%；0.05-0.01mm颗粒平均值为57%，常见值在50%-65%。这种颗粒组成使得黄土具有较大的孔隙，颗粒间的排列相对疏松，为湿陷变形提供了一定的空间基础。含水量是强湿陷性黄土另一个重要的物理指标。在天然状态下，强湿陷性黄土的含水量较低，一般在10%-20%之间。含水量的变化对黄土的工程性质影响显著，当黄土遇水浸湿后，含水量增加，土颗粒间的润滑作用增强，粒间摩擦力减小，同时水对土颗粒间的胶结物产生软化和溶解作用，导致土体结构强度降低，从而引发湿陷变形。研究表明，当含水量从10%增加到20%时，黄土的湿陷系数可能会增大数倍，这充分说明了含水量对强湿陷性黄土湿陷性的重要影响。孔隙比是衡量土体密实程度的重要指标，强湿陷性黄土的孔隙比通常较大，一般在0.8-1.2之间。较大的孔隙比意味着土体中孔隙体积相对较大，土颗粒间的连接不够紧密，土体结构较为松散。这种结构特点使得强湿陷性黄土在受到外部荷载和水的作用时，更容易发生变形和破坏。例如，当孔隙比为1.0的强湿陷性黄土受到水浸湿后，其孔隙结构会发生显著变化，孔隙比减小，土体产生压缩变形，进而导致湿陷现象的发生。这些物理性质相互关联、相互影响，共同决定了强湿陷性黄土的地基稳定性。颗粒组成决定了土体的基本骨架结构和孔隙特征，含水量的变化影响着颗粒间的相互作用和胶结状态，而孔隙比则直观地反映了土体的密实程度。当这些物理指标处于不利状态时，如颗粒组成松散、含水量增加、孔隙比较大，强湿陷性黄土的地基稳定性就会受到严重威胁，容易产生湿陷变形，导致地基承载力下降，影响建筑物的安全和正常使用。2.1.2化学性质强湿陷性黄土的化学成分较为复杂，主要包含硅、铝、铁、钙等元素的氧化物，以及一定量的碳酸盐、硫酸盐等可溶盐类。其中，硅氧化物（SiO₂）含量较高，一般占40%-60%，铝氧化物（Al₂O₃）含量约为10%-20%，铁氧化物（Fe₂O₃）含量在5%-10%左右，这些氧化物构成了黄土的基本矿物骨架。在黄土中，碳酸钙（CaCO₃）等碳酸盐是常见的化学成分，其含量通常在10%-20%之间。这些碳酸盐在黄土的形成过程中，以胶结物的形式存在于土颗粒之间，对黄土的结构起到一定的胶结和加固作用，使黄土在天然状态下具有一定的强度。然而，当黄土遇水浸湿时，碳酸盐会发生溶解和化学反应。例如，碳酸钙在水中会与二氧化碳和水发生反应，生成可溶于水的碳酸氢钙Ca(HCO₃)₂，反应方程式为：CaCO₃+CO₂+H₂O=Ca(HCO₃)₂。这一反应导致土颗粒间的胶结物减少，胶结强度降低，土体结构变得不稳定，从而为湿陷变形创造了条件。硫酸盐在强湿陷性黄土中也占有一定比例，常见的有硫酸钠（Na₂SO₄）、硫酸镁（MgSO₄）等。这些硫酸盐具有较强的吸水性，当黄土含水量发生变化时，硫酸盐会吸收或释放水分，引起土体体积的膨胀或收缩。例如，硫酸钠在吸水后会形成芒硝（Na₂SO₄・10H₂O），体积增大，对土体结构产生破坏作用。同时，硫酸盐还可能与其他化学成分发生化学反应，进一步影响黄土的性质。强湿陷性黄土与水相互作用时，除了上述可溶盐的溶解和化学反应外，还会发生离子交换等过程。土颗粒表面吸附的阳离子（如钙离子Ca²⁺、钠离子Na⁺等）会与水中的氢离子H⁺或其他阳离子发生交换，改变土颗粒表面的电荷性质和电位，进而影响土颗粒间的相互作用力和土体结构的稳定性。在挤密桩复合地基中，桩体材料（如灰土桩中的石灰和土、水泥土桩中的水泥和土等）与强湿陷性黄土之间也会发生复杂的化学反应。以灰土桩为例，石灰中的氧化钙（CaO）与黄土中的水分和二氧化碳发生反应，生成氢氧化钙Ca(OH)₂和碳酸钙CaCO₃。氢氧化钙具有一定的胶凝作用，能够填充土颗粒间的孔隙，增强土颗粒间的连接；碳酸钙则进一步起到胶结作用，提高桩体和桩间土的强度。同时，石灰与黄土中的活性硅、铝等成分发生火山灰反应，生成具有水硬性的硅酸钙、铝酸钙等胶凝物质，进一步改善了桩体和桩间土的物理力学性质，提高了复合地基的承载能力和稳定性。2.1.3湿陷性机理强湿陷性黄土在水和荷载作用下发生湿陷变形是一个复杂的物理力学过程，其内在机理主要涉及以下几个方面。从微观结构角度来看，强湿陷性黄土具有独特的架空结构。在天然状态下，粗粉粒和砂粒构成骨架，细粉粒和粘粒以及胶结物附着在骨架颗粒表面或填充于孔隙中，形成一种相对疏松的结构。黄土中的孔隙以大孔隙和中孔隙为主，这些孔隙相互连通，形成了孔隙网络。当黄土遇水浸湿时，水迅速进入孔隙中，一方面使土颗粒表面的水膜增厚，颗粒间的润滑作用增强，粒间摩擦力减小；另一方面，水对土颗粒间的胶结物产生软化和溶解作用。如前文所述，黄土中的碳酸盐、硫酸盐等胶结物在水的作用下发生溶解和化学反应，导致土颗粒间的胶结力降低，原有的架空结构失去稳定性。在外部荷载和土体自重的作用下，土颗粒重新排列，向孔隙中移动，孔隙体积减小，从而导致土体发生湿陷变形。从力学角度分析，强湿陷性黄土的湿陷变形与土的应力-应变特性密切相关。在天然状态下，黄土具有一定的结构强度，能够承受一定的荷载。当土体受到水的浸湿时，其结构强度迅速降低，土体的应力-应变关系发生变化。根据土力学理论，土体的变形可以分为弹性变形和塑性变形。在湿陷过程中，由于土体结构的破坏，塑性变形显著增加，土体表现出明显的非线性特性。当施加的荷载超过土体的湿陷起始压力时，土体开始发生湿陷变形，且湿陷量随着荷载的增加而增大。同时，湿陷变形还具有不可逆性，一旦土体发生湿陷，即使荷载卸除，土体也不能恢复到原来的状态。水分的迁移和分布也是影响强湿陷性黄土湿陷性的重要因素。在水的作用下，水分在黄土孔隙中发生迁移，使得土体的含水量分布不均匀。靠近水源的区域含水量增加较快，湿陷变形也相对较大；而远离水源的区域含水量增加较慢，湿陷变形相对较小。这种含水量的不均匀分布导致土体内部产生应力差，进一步加剧了土体的湿陷变形。此外，水分的迁移还可能引起土中盐分的运移和重新分布，对土体结构和性质产生影响。荷载的大小和作用方式对强湿陷性黄土的湿陷变形也有重要影响。当土体受到的荷载较小时，土颗粒间的结构能够承受荷载作用，湿陷变形不明显；随着荷载的增大，土颗粒间的结构逐渐被破坏，湿陷变形逐渐增大。同时，荷载的长期作用会使土体的湿陷变形不断累积，导致地基沉降持续发展。在实际工程中，建筑物的自重、附加荷载以及地震等动力荷载都会对强湿陷性黄土地基的湿陷变形产生影响。2.2挤密桩复合地基的工作原理2.2.1挤密作用挤密桩施工过程中，桩体材料被强制挤入周围土体，对桩周土体产生强烈的横向挤压作用，从而显著提高土体的密实度和承载力。以常见的灰土挤密桩为例，在成孔时，如采用冲击成孔或振动成孔等方法，桩孔位置的土体被挤向周围，使桩周一定范围内的土体孔隙体积减小，颗粒排列更加紧密。根据相关研究和工程实践，在桩周1-3倍桩径范围内，土体的干密度可提高10%-30%，孔隙比降低0.1-0.3。从微观角度来看，挤密作用使得土体颗粒间的接触更加紧密，土颗粒间的摩擦力和咬合力增大，从而增强了土体的抗剪强度。同时，挤密过程中，土体中的大孔隙被压缩，形成更多的小孔隙，土体的结构变得更加稳定，进一步提高了土体的承载能力。挤密作用对土体的影响范围和程度与多种因素有关。桩径越大，对土体的挤密范围越广，但过大的桩径可能导致施工难度增加和成本上升。桩间距越小，桩间土的挤密效果越好，但过小的桩间距可能会使桩体之间相互影响，导致桩体质量下降。成孔方式也对挤密效果有重要影响，冲击成孔的挤密效果相对较强，但对土体的扰动也较大；振动成孔的挤密效果相对较均匀，但可能会使土体产生一定的液化现象。在强湿陷性黄土地区，挤密作用对于改善土体的湿陷性具有关键作用。通过挤密，土体的孔隙结构得到改善，黄土中的架空结构被破坏，土颗粒间的连接更加紧密，从而减少了土体在遇水浸湿时发生湿陷变形的可能性。研究表明，经过挤密处理后，强湿陷性黄土的湿陷系数可降低50%-80%，有效地提高了地基的稳定性。2.2.2桩土共同作用在挤密桩复合地基中，桩体与桩间土共同承担上部荷载，形成协同工作的体系，这一过程涉及复杂的相互作用机制。当上部荷载施加到复合地基上时，由于桩体的刚度远大于桩间土的刚度，根据材料力学原理，荷载会向刚度较大的桩体上产生应力集中。一般情况下，桩土应力比（桩顶应力与桩间土表面应力之比）在2-8之间，具体数值取决于桩体材料、桩径、桩长、桩间距以及土体性质等因素。桩体通过桩侧摩阻力和桩端阻力将荷载传递到地基深处。桩侧摩阻力的发挥与桩土之间的相对位移密切相关，在荷载作用初期，桩土相对位移较小，桩侧摩阻力主要分布在桩身上部；随着荷载的增加，桩土相对位移增大，桩侧摩阻力逐渐向下传递，桩身下部的摩阻力也逐渐发挥作用。桩端阻力则在桩体下沉到一定程度后开始发挥，其大小取决于桩端土层的性质和桩端的入土深度。桩间土在荷载作用下也会产生变形和应力响应。由于桩体的存在，桩间土的应力状态发生改变，其受到的竖向应力减小，而水平向应力增大。桩间土的变形受到桩体的约束，使得桩间土的变形更加均匀，减少了土体的不均匀沉降。桩土共同作用的效果还受到褥垫层的影响。在挤密桩复合地基顶部设置的褥垫层，一般由砂石、灰土等材料组成，厚度通常为150-300mm。褥垫层具有调节桩土应力分布的作用，它可以使桩土之间的应力分布更加均匀，避免桩体因应力集中而发生破坏。同时，褥垫层还能协调桩土之间的变形，使桩和桩间土更好地共同工作。当上部荷载作用时，褥垫层会发生一定的压缩变形，使得桩体和桩间土能够同时参与承载，充分发挥桩土共同作用的优势。在强湿陷性黄土地区，桩土共同作用对于抵抗地基的湿陷变形具有重要意义。桩体能够承担大部分的荷载，减少桩间土所承受的压力，从而降低桩间土在遇水浸湿时发生湿陷变形的程度。同时，桩间土在挤密作用下密实度提高，也增强了其自身的抗湿陷能力，与桩体协同工作，共同保证地基的稳定性。2.2.3加固效果影响因素挤密桩复合地基的加固效果受到多种因素的综合影响，深入研究这些因素对于优化地基设计和提高工程质量具有重要意义。桩径是影响加固效果的重要因素之一。较大的桩径可以提供更大的承载面积，增强桩体的承载能力，同时也能扩大对桩周土体的挤密范围。但桩径过大可能导致施工难度增加，如成孔困难、桩体材料灌注不均匀等问题，并且会增加工程造价。在实际工程中，桩径一般根据地基土的性质、上部荷载大小以及施工设备等条件来确定，常见的挤密桩桩径在300-600mm之间。研究表明，在一定范围内，随着桩径的增大，复合地基的承载力可提高10%-30%，但当桩径超过一定值后，承载力的增长幅度逐渐减小。桩长对挤密桩复合地基的加固效果也有显著影响。桩长决定了桩体能够将荷载传递到地基深部的深度，较长的桩可以穿过软弱土层，将荷载传递到下部坚实土层，从而提高地基的整体承载能力，减少地基的沉降变形。但桩长过长会增加施工成本和施工难度，同时也可能导致桩身材料的浪费。桩长的确定需要综合考虑地基土层的分布情况、上部荷载大小以及建筑物的沉降要求等因素。一般来说，桩长应根据地基的压缩层厚度和桩端持力层的性质来确定，在强湿陷性黄土地区，桩长通常要保证穿透湿陷性土层。相关研究表明，桩长每增加1m，复合地基的承载力可提高5%-15%，沉降量可减少10%-30%，但当桩长超过一定深度后，对承载力和沉降的影响逐渐减小。桩间距是影响桩间土挤密效果和桩土共同作用的关键因素。较小的桩间距可以使桩间土得到充分挤密，提高桩间土的密实度和强度，增强桩土共同作用的效果，但过小的桩间距可能会导致桩体之间相互影响，增加施工难度，甚至影响桩体质量。较大的桩间距则会使桩间土挤密效果不佳，降低复合地基的承载能力。桩间距一般根据桩径、桩体材料、地基土性质以及设计要求等因素通过计算确定，通常桩间距为桩径的2-4倍。研究发现，当桩间距从3倍桩径减小到2倍桩径时，桩间土的干密度可提高10%-20%，复合地基的承载力可提高15%-35%，但桩间距过小可能会导致桩体施工质量问题，如桩体缩径、断桩等。桩体材料的性质对挤密桩复合地基的加固效果起着重要作用。不同的桩体材料具有不同的强度、刚度和耐久性等性能。例如，灰土桩中的灰土材料具有一定的胶凝性，在与桩间土相互作用过程中，能够形成较为稳定的结构，提高桩体和桩间土的强度；水泥土桩中的水泥与土发生化学反应，生成具有较高强度和稳定性的胶凝物质，使桩体具有较高的承载能力和抗变形能力。在选择桩体材料时，需要根据工程的具体要求、地基土的性质以及经济性等因素进行综合考虑。研究表明，采用强度较高的桩体材料，复合地基的承载力可提高20%-50%，同时桩体材料的耐久性也会影响复合地基的长期稳定性。三、挤密桩复合地基的理论分析3.1承载力计算理论3.1.1现有计算方法概述目前，挤密桩复合地基承载力计算方法主要有规范法和经验公式法等。规范法以相关建筑地基处理规范为依据，如《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）规定，复合地基承载力特征值可按下式估算：f_{spk}=m\frac{R_a}{A_p}+\beta(1-m)f_{sk}其中，f_{spk}为复合地基承载力特征值（kPa）；m为面积置换率；R_a为单桩竖向承载力特征值（kN）；A_p为桩的截面积（m^2）；\beta为桩间土承载力折减系数；f_{sk}为桩间地基土承载力特征值（kPa）。这种方法考虑了桩体和桩间土的承载作用，通过面积置换率将两者联系起来，具有一定的通用性和指导性。然而，该方法中的一些参数，如桩间土承载力折减系数\beta，取值往往依赖于经验，在不同的工程地质条件下可能存在较大差异，从而影响计算结果的准确性。经验公式法则是根据大量工程实践数据总结得出的经验性计算公式。例如，某些地区根据当地的地质条件和工程实践，提出了适用于该地区挤密桩复合地基承载力计算的经验公式：f_{spk}=k_1mf_{pk}+k_2(1-m)f_{sk}其中，k_1、k_2为经验系数，f_{pk}为桩体材料的抗压强度标准值（kPa）。这类公式具有较强的地域针对性，在特定地区的工程应用中能够较好地反映实际情况，但由于其基于特定地区的经验，推广性相对较差，在其他地区应用时需要谨慎验证和调整。3.1.2理论公式推导与分析结合强湿陷性黄土特性，从土力学和弹性力学基本原理出发，对挤密桩复合地基承载力计算公式进行推导。假设挤密桩复合地基在荷载作用下，桩体和桩间土的变形协调，且桩体为弹性体，桩间土符合摩尔-库仑强度准则。首先考虑桩体的承载作用，根据弹性力学理论，桩体在竖向荷载作用下，桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担荷载。桩侧摩阻力沿桩身的分布可假设为线性变化，桩端阻力可根据桩端土层的性质确定。对于桩侧摩阻力，可表示为：q_{si}=q_{sio}+\frac{z}{L}(q_{sil}-q_{sio})其中，q_{si}为桩身深度z处的桩侧摩阻力（kPa）；q_{sio}为桩顶处的桩侧摩阻力（kPa）；q_{sil}为桩端处的桩侧摩阻力（kPa）；L为桩长（m）。桩端阻力可按下式计算：q_p=\alphaq_{p0}其中，q_p为桩端阻力（kPa）；\alpha为桩端阻力修正系数，与桩端土层性质、桩径等因素有关；q_{p0}为桩端处天然地基土的承载力特征值（kPa）。则单桩竖向承载力特征值R_a可表示为：R_a=\sum_{i=1}^{n}q_{si}u_pl_i+q_pA_p其中，u_p为桩的周长（m）；l_i为桩周第i层土的厚度（m）。对于桩间土，考虑到强湿陷性黄土在挤密桩作用下的挤密效果，其承载力特征值f_{sk}可通过对原状土承载力特征值进行修正得到。修正系数与挤密后桩间土的干密度、孔隙比等因素有关。设原状土的干密度为\rho_{d0}，挤密后桩间土的干密度为\rho_{dc}，则桩间土承载力修正系数\xi可表示为：\xi=1+\frac{\rho_{dc}-\rho_{d0}}{\rho_{d0}}\timesk其中，k为经验系数，与黄土的性质和挤密程度有关。则桩间土承载力特征值f_{sk}可表示为：f_{sk}=\xif_{ak}其中，f_{ak}为原状土的地基承载力特征值（kPa）。将单桩竖向承载力特征值R_a和桩间土承载力特征值f_{sk}代入复合地基承载力计算公式，得到考虑强湿陷性黄土特性的挤密桩复合地基承载力计算公式：f_{spk}=m\left(\sum_{i=1}^{n}q_{si}u_pl_i+q_pA_p\right)/A_p+\beta(1-m)\xif_{ak}在该公式中，各参数的含义和取值范围如下：m：面积置换率，其取值范围一般为0.05-0.3，可根据设计要求和工程实际情况确定。q_{sio}、q_{sil}：桩顶和桩端处的桩侧摩阻力，可根据桩周土的性质，参考相关规范或经验取值。在强湿陷性黄土地区，桩侧摩阻力与黄土的含水量、干密度、抗剪强度等因素密切相关，一般可通过现场试验或经验公式确定，取值范围通常在10-50kPa之间。q_{p0}：桩端处天然地基土的承载力特征值，可通过现场载荷试验或根据地质勘察资料确定。在强湿陷性黄土地区，桩端持力层的选择至关重要，一般应选择压缩性低、承载力高的土层作为桩端持力层，q_{p0}的取值根据桩端持力层的性质不同而有所差异，如在粉质黏土持力层中，q_{p0}可能在150-300kPa之间。\alpha：桩端阻力修正系数，一般取值在0.8-1.2之间，与桩端土层性质、桩径等因素有关。当桩端土层较硬、桩径较大时，\alpha可取值较大；反之，取值较小。\rho_{d0}、\rho_{dc}：原状土和挤密后桩间土的干密度，可通过室内土工试验测定。在强湿陷性黄土地区，原状土的干密度一般在1.3-1.5g/cm³之间，挤密后桩间土的干密度可提高到1.5-1.7g/cm³，具体数值取决于挤密效果和施工质量。k：经验系数，一般取值在1-3之间，与黄土的性质和挤密程度有关。对于密实度较高、湿陷性较弱的黄土，k可取值较小；对于密实度较低、湿陷性较强的黄土，k可取值较大。\beta：桩间土承载力折减系数，一般取值在0.7-0.9之间，可根据桩土相对刚度、桩间土挤密效果等因素确定。当桩体刚度较大、桩间土挤密效果较好时，\beta可取值较大；反之，取值较小。3.1.3与实际工程的对比验证选取某强湿陷性黄土地区的实际工程案例进行对比验证。该工程采用灰土挤密桩复合地基，桩径为400mm，桩长为8m，桩间距为1.2m，按等边三角形布置，面积置换率m=0.09。原状土的地基承载力特征值f_{ak}=100kPa，通过室内土工试验测得原状土的干密度\rho_{d0}=1.35g/cm³，挤密后桩间土的干密度\rho_{dc}=1.55g/cm³。根据桩周土的性质，取q_{sio}=15kPa，q_{sil}=30kPa，桩端持力层为粉质黏土，q_{p0}=200kPa，\alpha=1.0，k=2，\beta=0.8。首先，根据上述参数，利用推导的理论公式计算复合地基承载力特征值f_{spk}：q_{si}=15+\frac{z}{8}(30-15)=15+\frac{15z}{8}u_p=\pi\times0.4=1.256mR_a=\sum_{i=1}^{n}q_{si}u_pl_i+q_pA_p=\int_{0}^{8}(15+\frac{15z}{8})\times1.256dz+200\times\pi\times(0.2)^2=(15\times1.256z+\frac{15\times1.256z^2}{16})\big|_{0}^{8}+200\times\pi\times(0.2)^2=(15\times1.256\times8+\frac{15\times1.256\times8^2}{16})+200\times\pi\times(0.2)^2=(150.72+60.288)+25.12=236.128kN\xi=1+\frac{1.55-1.35}{1.35}\times2\approx1.296f_{sk}=\xif_{ak}=1.296\times100=129.6kPaf_{spk}=m\frac{R_a}{A_p}+\beta(1-m)f_{sk}=0.09\times\frac{236.128}{\pi\times(0.2)^2}+0.8\times(1-0.09)\times129.6=0.09\times\frac{236.128}{0.1256}+0.8\times0.91\times129.6=169.2+94.77=263.97kPa然后，通过现场载荷试验测定该复合地基的承载力特征值，试验结果表明，该复合地基的承载力特征值为250kPa。将理论计算结果与现场测试数据进行对比，理论计算值263.97kPa与现场测试值250kPa较为接近，相对误差为\frac{263.97-250}{250}\times100\%=5.59\%。通过对该实际工程案例的对比验证，表明所推导的考虑强湿陷性黄土特性的挤密桩复合地基承载力计算公式具有一定的准确性和适用性，能够较好地预测强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基的承载力。然而，由于实际工程中存在诸多复杂因素，如地基土的不均匀性、施工质量的差异等，理论计算结果与实际测试值仍可能存在一定的偏差。在实际工程应用中，应结合现场试验和工程经验，对理论计算结果进行适当的修正和调整，以确保地基设计的安全性和可靠性。3.2沉降计算理论3.2.1沉降计算模型在强湿陷性黄土地区挤密桩复合地基沉降计算中，分层总和法和Mindlin解是较为常用的计算模型。分层总和法是基于均匀地基的一维压缩理论，将地基土划分为若干分层，计算各分层在附加应力作用下的压缩变形，然后将各分层的压缩变形累加得到地基的总沉降量。在挤密桩复合地基中应用分层总和法时，首先需确定复合土层的压缩模量。复合土层的压缩模量可通过下式计算：E_{sp}=mE_p+(1-m)E_s其中，E_{sp}为复合土层的压缩模量（MPa）；m为面积置换率；E_p为桩体的压缩模量（MPa）；E_s为桩间土的压缩模量（MPa）。通过该公式，将桩体和桩间土的压缩模量进行加权平均，得到复合土层的等效压缩模量，再按照分层总和法的基本原理计算复合地基的沉降。分层总和法的优点是计算原理简单，易于理解和应用，在工程实践中积累了丰富的经验。然而，该方法假设地基土为均匀的线性弹性体，忽略了桩土之间的相互作用以及土体的非线性特性，在实际应用中可能会导致计算结果与实际沉降存在一定偏差。Mindlin解则是基于弹性力学理论，考虑了桩体的存在对地基应力分布的影响，通过求解Mindlin方程得到桩周土体的应力分布，进而计算地基的沉降。在挤密桩复合地基中，利用Mindlin解可以更准确地考虑桩土相互作用对沉降的影响。例如，当桩体承受荷载时，通过Mindlin解可以计算出桩周土体中不同位置的附加应力分布，考虑到桩侧摩阻力和桩端阻力的作用，以及土体的弹性变形特性，能够更精确地反映地基的沉降情况。Mindlin解在考虑桩土相互作用方面具有优势，适用于分析桩土共同作用较为复杂的情况，对于理解挤密桩复合地基的沉降机理具有重要意义。但是，Mindlin解的计算过程相对复杂，需要较多的参数输入，且对土体的弹性假设在一定程度上与实际情况存在差异，实际应用时可能会受到一定限制。3.2.2沉降影响因素分析桩土模量比是影响挤密桩复合地基沉降的关键因素之一。桩土模量比为桩体模量与桩间土模量的比值，当桩土模量比较大时，桩体承担的荷载比例相对较大，桩间土承担的荷载相对较小。这是因为桩体的刚度较大，在荷载作用下变形较小，而桩间土刚度较小，变形相对较大，根据力与变形的关系，荷载会向刚度大的桩体集中。随着桩土模量比的增大，桩体承担的荷载增加，桩间土的压缩变形减小，从而使得复合地基的沉降量减小。例如，当桩土模量比从3增大到5时，在相同荷载作用下，复合地基的沉降量可能会减小20%-30%。然而，桩土模量比过大也可能导致桩体应力集中现象加剧，桩身容易出现破坏，影响复合地基的整体稳定性。桩长对挤密桩复合地基沉降的影响也十分显著。较长的桩能够将荷载传递到更深的土层，从而减小浅层地基土的应力，降低地基的沉降量。这是因为桩长增加，桩端阻力能够得到更充分的发挥，同时桩侧摩阻力的作用范围也增大，使得荷载能够更有效地传递到深部土层。例如，在某强湿陷性黄土地区的工程中，当桩长从6m增加到8m时，复合地基的沉降量减小了约15%-25%。但是，桩长的增加也会带来施工成本的增加和施工难度的提高，因此在设计时需要综合考虑地基土层的分布情况、上部荷载大小以及经济性等因素，合理确定桩长。桩间距直接影响桩间土的挤密效果和桩土共同作用的发挥，进而影响复合地基的沉降。较小的桩间距可以使桩间土得到更充分的挤密，提高桩间土的密实度和强度，增强桩土共同作用的效果，从而减小复合地基的沉降。例如，当桩间距从1.2m减小到1.0m时，桩间土的干密度可提高10%-15%，复合地基的沉降量可能会减小10%-20%。然而，桩间距过小会增加施工难度，如成孔时可能会出现相邻桩之间的相互干扰，导致桩体质量下降，同时也会增加工程造价。因此，在确定桩间距时，需要在保证挤密效果和桩土共同作用的前提下，综合考虑施工条件和经济性等因素，选择合适的桩间距。3.2.3沉降计算实例分析选取某强湿陷性黄土地区的工业厂房工程作为实例，该工程采用灰土挤密桩复合地基。场地土层自上而下依次为：①强湿陷性黄土，厚度为6m，天然地基承载力特征值f_{ak}=100kPa，压缩模量E_s=4MPa；②粉质黏土，厚度为4m，承载力特征值f_{ak}=180kPa，压缩模量E_s=8MPa。设计桩径为400mm，桩长为8m，桩间距为1.2m，按等边三角形布置，面积置换率m=0.09。桩体材料为灰土，其压缩模量E_p=20MPa。首先，采用分层总和法计算复合地基的沉降。根据公式E_{sp}=mE_p+(1-m)E_s，计算复合土层的压缩模量：E_{sp}=0.09\times20+(1-0.09)\times4=1.8+3.64=5.44MPa假设基底附加压力p_0=150kPa，将地基分为两层，第一层为复合土层（强湿陷性黄土层），厚度h_1=6m；第二层为粉质黏土层，厚度h_2=4m。根据分层总和法公式s=\sum_{i=1}^{n}\frac{\Deltap_i}{E_{si}}h_i（其中\Deltap_i为第i层土的平均附加应力增量，E_{si}为第i层土的压缩模量，h_i为第i层土的厚度），计算复合地基的沉降量。对于复合土层：\Deltap_1=p_0=150kPas_1=\frac{\Deltap_1}{E_{sp}}h_1=\frac{150}{5.44}\times6\approx165.44mm对于粉质黏土层：\Deltap_2根据应力扩散角计算，假设应力扩散角\theta=25^{\circ}，则扩散到粉质黏土层顶面的附加压力p_{20}=p_0\times\frac{(b+2h_1\tan\theta)^2}{b^2}（b为基础宽度，此处假设基础宽度为4m）p_{20}=150\times\frac{(4+2\times6\times\tan25^{\circ})^2}{4^2}=150\times\frac{(4+2\times6\times0.4663)^2}{4^2}=150\times\frac{(4+5.5956)^2}{4^2}=150\times\frac{9.5956^2}{4^2}\approx273.63kPas_2=\frac{\Deltap_2}{E_{s2}}h_2=\frac{273.63}{8}\times4\approx136.82mm则复合地基的总沉降量s=s_1+s_2=165.44+136.82=302.26mm。然后，采用Mindlin解计算复合地基的沉降。利用相关软件建立挤密桩复合地基的三维模型，输入桩体和土体的材料参数、几何参数以及边界条件等。在模型中施加与实际工程相同的荷载，通过求解Mindlin方程得到桩周土体的应力分布，进而计算地基的沉降。计算结果表明，复合地基的沉降量为280mm。在工程施工完成后，对该复合地基进行了为期一年的沉降观测。观测结果显示，地基的最终沉降量为290mm。将分层总和法计算结果与Mindlin解计算结果以及实际观测数据进行对比。分层总和法计算结果为302.26mm，与实际观测值的相对误差为\frac{302.26-290}{290}\times100\%\approx4.23\%；Mindlin解计算结果为280mm，与实际观测值的相对误差为\frac{290-280}{290}\times100\%\approx3.45\%。通过对比可以看出，Mindlin解在考虑桩土相互作用方面具有一定优势，计算结果与实际观测值更为接近，相对误差较小。分层总和法由于其计算原理相对简单，对桩土相互作用和土体非线性特性考虑不够充分，导致计算结果与实际观测值存在一定偏差，但偏差仍在可接受范围内。在实际工程应用中，应根据工程的具体情况和精度要求，合理选择沉降计算方法。对于对沉降要求较高、桩土相互作用复杂的工程，Mindlin解更为适用；对于一般工程，分层总和法在结合工程经验进行适当修正后，也能满足工程设计的要求。四、挤密桩复合地基的试验研究4.1室内试验设计与实施4.1.1试验材料准备试验所需的强湿陷性黄土取自某典型强湿陷性黄土地区，为确保试验结果的代表性和可靠性，在该地区不同位置多点采集黄土样本，然后将采集的样本充分混合均匀。对混合后的黄土样本进行基本物理性质指标测试，包括颗粒分析、液塑限、含水量、干密度等。测试结果显示，该强湿陷性黄土的粉粒含量为60%，其中0.05-0.01mm的粗粉土颗粒占比约50%，小于0.005mm的粘土颗粒占比18%，大于0.1mm的细砂颗粒占比3%。天然含水量为15%，天然干密度为1.4g/cm³，液限为28%，塑限为19%，孔隙比为1.0，湿陷系数为0.08，属于典型的强湿陷性黄土。桩体材料选用灰土和水泥土。灰土按照体积比2:8（石灰：土）进行配制，石灰选用新鲜的消石灰，其有效CaO+MgO含量不低于60%，粒径不大于5mm，以保证石灰的活性和反应充分性。土料采用试验所用的强湿陷性黄土，在使用前过筛，去除其中的杂质和较大颗粒，确保土料粒径均匀，且有机质含量不超过5%，符合灰土桩的材料要求。将石灰和土按照设计比例在搅拌机中充分搅拌均匀，并控制混合料的含水量为最优含水量±2%，以保证灰土的压实性能和强度。通过室内击实试验确定该灰土的最优含水量为18%，最大干密度为1.65g/cm³。水泥土按照水泥掺量10%（质量比）进行配制，水泥选用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5。将水泥和强湿陷性黄土在搅拌机中充分搅拌均匀，然后加入适量的水，使水泥土的含水量达到最优含水量。通过室内试验确定该水泥土的最优含水量为16%，最大干密度为1.55g/cm³。在制备过程中，严格控制水泥和土的比例以及含水量，确保水泥土的质量均匀一致。4.1.2试验方案制定设计了一系列不同桩型、桩径、桩长、桩间距的室内模型试验方案，旨在全面研究各因素对挤密桩复合地基性能的影响。试验共设置了3种桩型，分别为灰土桩、水泥土桩和素土桩，以对比不同桩体材料的加固效果；桩径设置了3种，分别为300mm、400mm和500mm，以分析桩径变化对地基性能的影响；桩长设置为400mm、600mm和800mm，研究桩长与地基性能之间的关系；桩间距按照桩径的2倍、2.5倍和3倍进行设置，即对于300mm桩径，桩间距分别为600mm、750mm和900mm，以此类推，探讨桩间距对桩间土挤密效果和桩土共同作用的影响。试验目的主要是探究不同参数条件下挤密桩复合地基的承载特性、变形特性以及桩土相互作用机制。观测指标包括复合地基的承载力、沉降量、桩土应力比、桩身轴力分布、桩侧摩阻力分布以及桩间土的密实度变化等。通过对这些指标的测量和分析，深入了解挤密桩复合地基在不同工况下的性能表现，为理论分析和工程设计提供试验依据。为保证试验的准确性和可靠性，每种工况设置3组平行试验，取平均值作为试验结果，以减小试验误差。同时，设置了对照组，即未进行挤密桩处理的天然地基模型试验，通过与挤密桩复合地基试验结果对比，更直观地体现挤密桩的加固效果。4.1.3试验过程与数据采集室内试验的实施过程严格按照设计方案进行。首先制作模型箱，模型箱尺寸为长2m、宽1.5m、高1m，采用钢板制作，以保证模型箱具有足够的强度和刚度，能够模拟实际地基的边界条件。在模型箱底部铺设一层厚度为100mm的砂垫层，以模拟地基的持力层，砂垫层采用中砂，其相对密实度控制在0.7-0.8之间。在砂垫层上分层填筑强湿陷性黄土，每层填筑厚度为100mm，采用小型平板振动器进行夯实，控制每层黄土的干密度与天然地基土的干密度相同，即1.4g/cm³，以保证填筑土体的均匀性和模拟天然地基的实际情况。填筑完成后，放置一段时间使土体达到稳定状态。按照设计的桩型、桩径、桩长和桩间距，采用洛阳铲在模型地基中进行成孔。成孔过程中，严格控制成孔质量，确保桩孔的垂直度和孔径符合设计要求。对于灰土桩和水泥土桩，将制备好的灰土和水泥土按照设计要求分层填入桩孔中，每层填料厚度为200mm，采用重锤进行夯实，控制夯实后的干密度达到设计要求，即灰土桩干密度不小于1.6g/cm³，水泥土桩干密度不小于1.5g/cm³；对于素土桩，将强湿陷性黄土分层填入桩孔并夯实，控制干密度不小于1.45g/cm³。在桩顶和桩间土表面分别布置微型土压力传感器，用于测量桩顶和桩间土所承受的压力，以计算桩土应力比；在桩身不同深度处埋设应变片，用于测量桩身轴力分布；在桩土界面处布置摩擦力传感器，用于测量桩侧摩阻力分布；在桩间土中不同位置布置密度计，用于监测桩间土在挤密过程中的密实度变化。加载方式采用分级加载，使用液压千斤顶通过刚性承压板对复合地基模型进行加载。加载分级按照预估极限荷载的1/10进行，每级荷载施加后，保持恒载直至地基沉降速率小于0.1mm/h，然后施加下一级荷载，直至地基达到破坏状态。在加载过程中，使用高精度位移传感器测量地基的沉降量，位移传感器布置在承压板的四个角点和中心位置，实时采集沉降数据，通过数据采集系统自动记录并存储。土压力传感器、应变片、摩擦力传感器和密度计的数据也通过相应的数据采集系统实时采集和记录，采集频率为每5min一次，确保能够准确捕捉试验过程中的数据变化。4.2现场试验研究4.2.1试验场地选择与布置现场试验场地位于某强湿陷性黄土地区，该区域地质条件复杂，黄土层厚度较大，具有典型的强湿陷性黄土特征。场地地势较为平坦，便于试验的开展和设备的停放。通过前期的地质勘察，详细了解了场地的地层分布情况。场地自上而下依次分布有：第一层为强湿陷性黄土，厚度约为8m，颜色呈浅黄色，土质较为均匀，粉粒含量高，具有明显的大孔隙结构。该层黄土的天然含水量为12%-16%，天然干密度为1.3-1.4g/cm³，湿陷系数为0.06-0.09，属于自重湿陷性黄土。第二层为粉质黏土，厚度约为5m，颜色为棕褐色，土质较密实，含有少量的砂粒和砾石。该层土的含水量为20%-25%，干密度为1.6-1.7g/cm³，压缩模量为6-8MPa，地基承载力特征值为150-180kPa。第三层为砂质粉土，厚度大于10m，颜色为灰黄色，颗粒均匀，透水性较好。该层土的含水量为18%-22%，干密度为1.5-1.6g/cm³，压缩模量为8-10MPa，地基承载力特征值为180-200kPa。选择该场地进行试验，主要是因为其具有典型的强湿陷性黄土特性，且场地条件满足试验要求，能够为研究挤密桩复合地基在强湿陷性黄土地区的性能提供可靠的试验数据。同时，该场地周边有类似的工程案例，便于对比分析和经验借鉴。试验桩的布置方案如下：共设置3组不同参数的试验桩，每组试验桩设置3根，以分析不同桩长、桩径、桩间距对挤密桩复合地基性能的影响。第一组试验桩桩径为400mm，桩长为6m，桩间距为1.2m，按等边三角形布置；第二组试验桩桩径为500mm，桩长为8m，桩间距为1.5m，同样按等边三角形布置；第三组试验桩桩径为450mm，桩长为7m，桩间距为1.3m，按正方形布置。在每组试验桩的中心位置以及桩间土中布置测试点，用于测量地基的各项参数。此外，在试验场地周边设置了对照组，即未进行挤密桩处理的天然地基测试点，用于对比分析挤密桩复合地基的加固效果。4.2.2现场测试方法与仪器现场测试采用了多种方法，以全面获取挤密桩复合地基的性能数据。静载荷试验是确定复合地基承载力的重要方法。在每组试验桩上分别进行单桩复合地基静载荷试验，采用慢速维持荷载法进行加载。试验设备主要包括加载装置、反力装置和量测装置。加载装置采用液压千斤顶，最大加载能力为5000kN，能够满足试验加载要求。反力装置采用钢梁和地锚组成的反力系统，通过地锚将反力传递到地基中，确保加载过程的稳定性。量测装置采用高精度压力传感器和位移传感器，压力传感器用于测量千斤顶施加的荷载，精度为0.1kN；位移传感器用于测量桩顶和桩间土表面的沉降，精度为0.01mm。在加载过程中，按照规定的加载等级逐级加载，每级荷载施加后，记录桩顶和桩间土的沉降量，直至达到试验终止条件。动力触探试验用于检测桩间土的密实度和强度变化。采用标准贯入试验（SPT）和重型圆锥动力触探试验（DPT-100）相结合的方式，在挤密桩施工前后对桩间土进行测试。标准贯入试验设备主要包括贯入器、触探杆和穿心锤，穿心锤质量为63.5kg，落距为760mm，通过记录贯入器贯入土中300mm的锤击数来评价桩间土的密实度和强度。重型圆锥动力触探试验设备主要包括圆锥探头、触探杆和穿心锤，穿心锤质量为63.5kg，落距为760mm，通过记录探头贯入土中100mm的锤击数来分析桩间土的力学性质。沉降观测用于监测复合地基在施工过程和使用期间的沉降变形。在试验桩桩顶和桩间土表面设置沉降观测点，采用水准仪进行定期观测。水准仪精度为±0.5mm/km，能够满足沉降观测的精度要求。在挤密桩施工前，对观测点进行初始测量，记录初始高程；在施工过程中，根据施工进度进行阶段性观测，及时掌握地基的沉降变化情况；在施工完成后，进行长期的沉降观测，绘制沉降-时间曲线，分析地基的沉降发展趋势。孔隙水压力观测用于了解挤密桩施工过程中桩间土孔隙水压力的变化情况。在桩间土中不同深度处埋设孔隙水压力计，孔隙水压力计采用振弦式传感器，精度为±0.01kPa。通过数据采集系统实时采集孔隙水压力数据，分析孔隙水压力在挤密桩施工过程中的变化规律，以及孔隙水压力对桩间土力学性质和地基变形的影响。土压力观测用于测量桩间土在荷载作用下的土压力分布。在桩间土中不同位置埋设土压力盒，土压力盒采用电阻应变式传感器，精度为±0.1kPa。通过数据采集系统记录土压力数据，分析土压力在桩间土中的分布规律，以及土压力与荷载、桩土相互作用之间的关系。4.2.3试验结果与分析对现场试验数据进行整理和分析，得到以下结果：承载力：根据单桩复合地基静载荷试验结果，不同参数的挤密桩复合地基承载力特征值如表1所示：|试验桩组|桩径(mm)|桩长(m)|桩间距(m)|承载力特征值(kPa)||---|---|---|---|---||第一组|400|6|1.2|220||第二组|500|8|1.5|280||第三组|450|7|1.3|250|由表1可知，随着桩长和桩径的增加，复合地基的承载力显著提高。第二组试验桩由于桩长较长、桩径较大，其承载力特征值比第一组提高了27.27%。这是因为桩长增加，桩体能够将荷载传递到更深的土层，扩大了承载面积；桩径增大，桩体的承载能力增强，同时对桩周土体的挤密效果也更好。桩间距对承载力也有一定影响，在一定范围内，较小的桩间距可以提高桩间土的挤密程度，增强桩土共同作用，从而提高复合地基的承载力。沉降：通过沉降观测得到不同试验桩组的沉降-时间曲线，以第二组试验桩为例，其沉降-时间曲线如图1所示：[此处插入沉降-时间曲线图片]从图1可以看出，在加载初期，地基沉降增长较快，随着荷载的持续作用，沉降增长速率逐渐减小，最终趋于稳定。在相同荷载作用下，第二组试验桩的沉降量明显小于第一组，这表明桩长和桩径的增加可以有效减小复合地基的沉降量。同时，通过对比不同试验桩组的沉降-时间曲线，发现桩间距较小的试验桩组沉降量相对较小，说明较小的桩间距可以提高桩间土的密实度，增强桩土协同工作能力，从而减小地基沉降。桩土应力比：根据土压力观测数据计算得到不同试验桩组的桩土应力比，结果如表2所示：|试验桩组|桩径(mm)|桩长(m)|桩间距(m)|桩土应力比||---|---|---|---|---||第一组|400|6|1.2|3.5||第二组|500|8|1.5|4.0||第三组|450|7|1.3|3.8|从表2可以看出，桩土应力比随着桩长和桩径的增加而增大。这是因为桩长和桩径的增加使得桩体的刚度增大，在荷载作用下，桩体承担的荷载比例增加，从而导致桩土应力比增大。桩间距对桩土应力比也有一定影响，较小的桩间距会使桩间土受到的挤密作用更强，桩间土的刚度相对提高，桩土应力比会有所减小。桩间土密实度：通过动力触探试验结果可知，挤密桩施工后，桩间土的标准贯入锤击数和重型圆锥动力触探锤击数明显增加，表明桩间土的密实度得到显著提高。以第一组试验桩为例，施工前桩间土的标准贯入锤击数平均值为8击，施工后增加到15击；重型圆锥动力触探锤击数施工前平均值为10击，施工后增加到20击。这充分说明了挤密桩对桩间土的挤密效果显著，有效改善了桩间土的力学性质。孔隙水压力：孔隙水压力观测结果表明，在挤密桩施工过程中，桩间土孔隙水压力迅速上升，随着施工结束后时间的推移，孔隙水压力逐渐消散。在施工初期，孔隙水压力的上升是由于挤密桩对桩间土的挤压作用，使土体孔隙体积减小，孔隙水压力增大；随着时间的推移，孔隙水在土体中的渗流作用下逐渐消散，土体逐渐固结。孔隙水压力的变化对桩间土的力学性质和地基变形有重要影响，在设计和施工过程中需要充分考虑。通过对现场试验结果的分析，可以得出以下结论：挤密桩复合地基在强湿陷性黄土地区具有良好的加固效果，能够显著提高地基的承载力，减小地基沉降，改善桩间土的密实度和力学性质。桩长、桩径和桩间距是影响挤密桩复合地基性能的重要因素，在实际工程设计中，应根据具体的工程地质条件和工程要求，合理选择这些参数，以达到最佳的加固效果。五、工程案例分析5.1案例一：[具体工程名称1]5.1.1工程概况[具体工程名称1]位于我国西北某强湿陷性黄土地区，该地区黄土层分布广泛且厚度较大。工程为一大型工业厂房，建筑面积达20000平方米，采用框架结构，柱距为8m，跨度为24m，建筑高度为12m。厂房内设有重型机械设备，对地基的承载力和稳定性要求较高，要求地基承载力特征值不小于250kPa，地基变形允许值满足相关规范要求，且需有效消除地基土的湿陷性。场地地势较为平坦，但地质条件复杂，经地质勘察查明，场地自上而下土层分布如下：第一层为强湿陷性黄土，厚度为7m，颜色呈浅黄色，土质均匀，具有大孔隙结构，粉粒含量高。该层黄土的天然含水量为13%-17%，天然干密度为1.3-1.4g/cm³，湿陷系数为0.06-0.09，属于自重湿陷性黄土，天然地基承载力特征值为120kPa。第二层为粉质黏土，厚度为5m，颜色为棕褐色，土质较密实，含有少量砂粒和砾石。该层土的含水量为20%-25%，干密度为1.6-1.7g/cm³，压缩模量为6-8MPa，地基承载力特征值为160kPa。第三层为砂质粉土，厚度大于10m，颜色为灰黄色，颗粒均匀，透水性较好。该层土的含水量为18%-22%，干密度为1.5-1.6g/cm³，压缩模量为8-10MPa，地基承载力特征值为180kPa。5.1.2挤密桩复合地基设计根据工程要求和场地地质条件，经技术经济比较，确定采用灰土挤密桩复合地基进行地基处理。桩型选择灰土挤密桩，灰土挤密桩具有一定的胶凝性，能够与桩间土形成较为稳定的结构，有效提高桩体和桩间土的强度，增强地基的承载能力和抗湿陷性能。桩径确定为400mm，该桩径在保证挤密效果的同时，便于施工操作，且能满足工程对桩体承载能力的要求。通过对不同桩径的分析和计算，结合工程经验，400mm桩径能够较好地平衡挤密效果和施工成本。桩长设计为9m，确保桩体能够穿透强湿陷性黄土层，进入下部稳定的粉质黏土层，将荷载传递到深层稳定土层，有效提高地基的整体承载能力，同时消除地基土的湿陷性。桩间距根据桩径和挤密要求，按桩径的3倍确定为1200mm，采用等边三角形布置。这种布置方式能够使桩间土得到较为均匀的挤密，增强桩土共同作用的效果，提高复合地基的承载能力和稳定性。桩体材料采用2:8（体积比）的灰土，石灰选用新鲜的消石灰，有效CaO+MgO含量不低于60%，粒径不大于5mm，土料为现场强湿陷性黄土，使用前过筛，去除杂质和较大颗粒，有机质含量不超过5%。控制灰土的含水量为最优含水量±2%，通过室内击实试验确定该灰土的最优含水量为18%，最大干密度为1.65g/cm³，确保桩体的压实质量和强度。5.1.3施工过程与质量控制施工过程中，严格按照设计要求和相关规范进行操作。成孔采用冲击成孔法，利用冲击锤的冲击力将桩孔位置的土体挤向周围，形成桩孔。在成孔过程中，密切关注成孔质量，控制桩孔的垂直度偏差不超过1%，孔径偏差在±50mm以内。每完成一个桩孔，及时进行检查，确保桩孔符合设计要求。桩体填料采用分层填筑、分层夯实的方法。将制备好的灰土按照每层200mm的厚度填入桩孔中，使用重锤进行夯实，控制夯实后的干密度不小于1.6g/cm³，确保桩体的压实度满足设计要求。在夯实过程中，记录每次夯实的锤击数和夯实效果，保证桩体质量均匀一致。质量控制方面，在施工前对原材料进行严格检验，确保石灰和土的质量符合要求。施工过程中，对桩孔的垂直度、孔径、桩长等参数进行实时监测，发现问题及时调整。对桩体的压实度进行随机抽样检测，每100根桩不少于3处，检测结果表明桩体的压实度均达到设计要求，平均压实系数达到0.98。施工完成后，采用静载荷试验和动力触探试验对复合地基进行检测。静载荷试验共选取6个试验点，采用慢速维持荷载法进行加载，加载至设计荷载的2倍。试验结果表明，复合地基的承载力特征值达到280kPa，满足设计要求。动力触探试验对桩间土进行检测，检测结果显示桩间土的标准贯入锤击数明显增加，平均锤击数达到15击，较处理前提高了87.5%，表明桩间土的密实度和强度得到显著提高，挤密效果良好。5.1.4运行效果监测与评价工程建成后，对挤密桩复合地基进行了为期两年的运行效果监测。沉降观测采用高精度水准仪，在厂房的柱基础上设置沉降观测点，每3个月观测一次。观测结果显示，在运行初期，地基沉降增长较快，随着时间的推移，沉降增长速率逐渐减小，最终趋于稳定。两年内地基的总沉降量为35mm，满足设计要求的沉降变形允许值（50mm）。地基承载力检测在运行一年后进行，采用浅层平板载荷试验，共选取3个试验点。试验结果表明，复合地基的承载力特征值仍能达到260kPa，说明挤密桩复合地基在长期运行过程中具有较好的稳定性，能够满足厂房的承载要求。通过对沉降观测和地基承载力检测结果的分析，可以认为该挤密桩复合地基在强湿陷性黄土地区具有良好的长期稳定性。桩体与桩间土共同作用，有效地提高了地基的承载力，减少了地基沉降，消除了地基土的湿陷性，保证了厂房的安全稳定运行。同时，在运行过程中未发现地基出现明显的不均匀沉降和其他异常情况，进一步验证了挤密桩复合地基设计和施工的合理性。5.2案例二：[具体工程名称2]5.2.1工程概况[具体工程名称2]位于我国华北某强湿陷性黄土地区，该地区黄土层厚度较大且分布广泛。工程为一综合性商业建筑，总建筑面积达30000平方米，建筑结构为框架-剪力墙结构，建筑高度为25m。商业建筑内功能多样，包括商场、餐饮、娱乐等区域，对地基的承载能力和变形控制要求极高，要求地基承载力特征值不低于300kPa，地基变形允许值严格满足相关规范要求，同时需彻底消除地基土的湿陷性。场地地势略有起伏，通过详细的地质勘察，查明场地自上而下土层分布如下：第一层为强湿陷性黄土，厚度为9m，颜色呈棕黄色，土质较为均匀，具有典型的大孔隙结构，粉粒含量丰富。该层黄土的天然含水量为14%-18%，天然干密度为1.3-1.45g/cm³，湿陷系数为0.07-0.1，属于自重湿陷性黄土，天然地基承载力特征值为130kPa。第二层为粉质黏土，厚度为6m，颜色为黄褐色，土质密实，含有少量的砾石和砂粒。该层土的含水量为22%-26%，干密度为1.65-1.75g/cm³，压缩模量为7-9MPa，地基承载力特征值为170kPa。第三层为砂质粉土，厚度大于12m，颜色为浅黄色，颗粒均匀，透水性良好。该层土的含水量为20%-24%，干密度为1.55-1.65g/cm³，压缩模量为9-11MPa，地基承载力特征值为190kPa。5.2.2挤密桩复合地基设计针对该工程的特点和场地地质条件，经多方案比选，最终确定采用水泥土挤密桩复合地基进行地基处理。选择水泥土挤密桩的原因在于其具有较高的强度和水稳性，能够更好地适应商业建筑对地基承载能力和稳定性的严格要求。桩径设计为450mm，相较于案例一，桩径有所增大。这是因为商业建筑的荷载较大，增大桩径可以有效提高桩体的承载能力，同时扩大对桩周土体的挤密范围，增强复合地基的整体性能。桩长确定为10m，比案例一的桩长增加了1m。由于该场地的强湿陷性黄土层更厚，为确保桩体能够穿透湿陷性土层，进入下部稳定的粉质黏土层，将荷载有效传递到深层稳定土层，从而提高地基