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中原工学院硕士学位论文

混凝土芯砂石桩复合地基固结理论研究

摘要

软黏土地基因其强度低、压缩性高、渗透性差等特性，对各类建设工程尤其是交

通基础设施（如公路、铁路、桥梁）以及高层建筑等构成重大挑战。对于软黏土地基，

需加固处理措施，以满足建筑物的地基承载力要求和沉降控制标准。本文在现有复合

地基固结理论基础上，以混凝土芯砂石桩复合地基的计算模型。通过此模型，深入探

究了初始孔隙水压力分布不均匀、井阻效应、温度变化、以及真空-堆载联合预压等多

种因素对复合地基固结过程的影响。主要的研究工作和内容涵盖了上述各要素对整个

地基固结规律及特性的影响分析。具体如下：

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（）针对温度变化以及初始孔隙压力非均匀分布条件下混凝土芯砂石桩复合地

基的固结特性，首先构建了一个数学模型。在此基础上，开发出专用的计算程序，并

绘制了在不同温度水平和各种初始孔隙压力分布形态（如梯形、矩形、倒三角形及正

三角形分布）下的固结曲线图。随着温度的升高，复合地基的固结速率会加快；然而，

当温度继续增加时，温度对固结速率的影响则呈现逐渐递减的趋势。此外，在相同的

温度条件下，若初始孔隙压力分布为梯形，则相较于矩形分布而言，其固结速度更快；

而倒三角形分布下的固结最为迅速，相比之下，正三角形分布时的固结速度最慢。

（2）针对真空-堆载联合预压作用以及温度变量条件下混凝土芯砂石桩复合地基

的固结，依据等应变假设建立了固结控制方程式，独立分析了真空预压和堆载预压各

自的固结效应，再将两者合并，并采用解析解法求得了温度效应下混凝土芯砂石桩复

合地基固结解析解。研究表明：随着温度的升高，复合地基的固结速度确实会有所提

升，但温度对固结过程的影响力度会随着温度的持续增高而逐渐降低。另外，混凝土

芯砂石桩复合地基的固结速率与其内部结构参数密切相关：当置换率和芯桩体积占比

增大时，固结速度会相应提高；反之，当涂抹区与砂石外壳直径比值、未扰动区与涂

抹区渗透系数比值以及地基的长径比增大时，固结速率会呈现出下降趋势。

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（）针对井阻随时间动态变化以及土体内径向和垂直方向耦合渗流对混凝土芯

砂石桩复合地基固结特性的影响，成功推导出固结解析方程，证实了解析解的准确性

和适用性。研究表明：在复合地基固结过程中，井阻是一个不可忽视的关键因素，会

抑制地基的固结进程，即井阻越大，复合地基的固结速度减小，在固结的后期阶段，

井阻变化的影响更为突出。当地基层厚度不同时，土体内部的竖向渗透系数变化也会

对固结速率产生不同的影响，渗透系数越小，固结速度通常越慢。此外，竖井自身的

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渗透性能对整体多元复合地基的固结特性具有决定性意义，竖井渗透系数的高低直接

决定了水分排出效率，从而影响地基的最终固结状态和时间。

（4）针对混凝土芯砂石桩复合地基在井阻变化和温度效应共同作用下的固结特

性。在固结理论的既有框架内，引入了井阻动态变化以及温度效应对固结过程的影响

因子，进而推导出该条件下的混凝土芯砂石桩复合地基固结解析解。该解析解与已有

固结理论解在对应条件下表现出一致性，证明了该解析解的合理性和正确性。研究表

明：不论是否考虑土体内部的竖向渗流路径，其存在都会导致孔隙水压力消散过程放

缓，进而降低整体的地基固结效率。随着井阻因子数值的增长，这种减缓效应愈发明

显，对地基固结产生更为显著的影响。

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关键词：复合地基；初始孔压非均布；井阻效应；温度效应；真空堆载联合预压；固

结解析解

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