（岩土工程专业论文）高速铁路cfg桩—帽—网复合地基沉降特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 c f g 桩复合地基是我国2 0 世纪8 0 年代末开发的一项新的地基加固技术， 由于其良好的经济性和适用性，在建筑物基础处理方面得到了广泛的应用，而 在铁路方面的应用是近期才开始的。两者存在重大差异，首先，铁路路基传统 上被认为是一种柔性基础，而建筑基础则是典型的刚性基础；其次，建筑荷载 为静荷载，而铁路地基承受动荷载；第三，高速铁路无砟轨道路基工后沉降要 求一般不大于15 m m ，标准远高于建筑地基。刚性基础下复合地基性状分析已 有了一些相对完善的理论和方法，而在柔性基础下复合地基性状分析在理论和 方法上都还不成熟。 通过高速铁路柔性基础下c f g 桩复合地基现场工程试验，对各种观测数 据进行了分析，研究了带帽c f g 桩复合地基桩网结构在铁路路基柔性基础下 的路堤本体、加固区和下卧层变形特性，验证并丰富了当前c f g 桩复合地基 理论。 利用p l a x l s 有限元软件对桩一帽一网复合地基性状进行数值模拟。通过 与现场实测数据进行对比，证实了数值模拟的正确性与合理性。在此基础上， 对复合地基沉降及侧向位移规律进行分析，并就帽间土体与帽下土体及帽项的 应力分配及沉降进行对比分析，揭示了其作用机理；对影响桩一帽一网复合地 基沉降的各种因素诸如土工格栅的抗拉强度、桩间距及垫层压缩模量进行了有 限元的数值模拟，对比分析其影响效果。 关键词：c f g 桩；高速铁路；有限元；沉降；桩一帽一网 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t c f g p i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni san e wm e t h o dt h a ti sa p p l i e di nr e i n f o r c i n g t h es o f ts o i lf o u n d a t i o ni nt h el a t e19 8 0 si nc h i n a d u et oi t se c o n o m i ce f f i c i e n c y a n dg o o df e a s i b i l i t y , i th a sb e e nw i d l ya p p l i c a t e di na r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n g i th a s b e e nu s e di nr a i l w a yr e c e n t l gt h e r ea r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e m f i r s t o fa l l ，t h er a i l w a yr o a d b e di st r a d i t i o n a l l yc o n s i d e r e dt ob eaf l e x i b l ef o u n d a t i o n ，b u t c o n s t r u c t i o nf o u n d a t i o ni st y p i c a lo fr i g i df o u n d a t i o n ；s e c o n d l y , t h eb u i l d i n gl o a di s s t a t i cl o a d ，b u th i g h - s p e e dr a i l w a yf o u n d a t i o ni su n d e rd y n a m i cl o a d ；t h i r d l y , t h e p o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n ts h o u l db ec o n t r o l e dw i t h i n15 m m i nh i g h - s p e e dr a i l w a y w h i c ha p p l i e st h et e c h n o l o g yo fb a l l a s t l e s st r a c k , w h i c hi ss t r i c t e rt h a nt h a ti n b u i l d i n gf o u n d a t i o n s t h ea n a l y s i sa b o u tt h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e rr i g i db a s i c h a sf o r m e dr e l a t i v e l yc o m p l e t et h e o r ya n dm e t h o d s ，w h i c hh a sn o ty e tr i p ei nt h e c o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e rf l e x i b l eb a s i cy e t i nt h i sp a p e r , c o m b i n i n gf i e l dt e s t so fc f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e rt h e f l e x i b l eb a s i su s e di nh i 曲一s p e e dr a i l w a y , av a r i e t yo ff i e l dm o n i t o r i n gd a t ai s a n a l y s i s e df o rs t u d y i n gt h es e t t l e m e n td e f o r m a t i o nl a w so fr o a d b e d ，r e i n f o r c ea r e a a n dt h eb e l o wa r e a ，t ov e r i f ya n de n r i c ht h ec u r r e n tt h e o r yo fc f gp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a t i o n s a r ec a r r i e do u to nt h eb e a r i n g p e r f o r m a n c e so fp i l e - c a p - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o nb yu s i n gt h ef i n i t e e l e m e n t m e t h o d ( f e m ) s o f t w a r eo fp l a x i s i tp r o v e st ob ec o r r e c ta n dr a t i o n a lo nt h eb a s i s o fc o m p a r i n gw i t ht h et h ef i e l dm o n i t o r i n gd a t a t h er u l e so ft h es e t t l e m e n t ， r o a d b e dl a t e r a ld i s p l a c e m e n t ，t h es t r e s sa n ds e t t l e m e n to ft h es o i lb e t w e e nt h ec a p s a n dt h es o i lu n d e rt h ec a p sa n dt h ec a pa r eo b t a i n e d f o rf u r t h e r s t u d y i n gb e a r i n gp e r f o r m a n c e s r u l e so fp i l e - n e tc o m p o s i t e f o u n d a t i o ni n f l u e n c e db yp a r a m e t e r s ，s u c ha sg e o s y n t h e t i c s ，c u s h i o nt h i c k n e s s ，p i l e s t r e n g t h ，s p a c eb e t w e e np i l e s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a t i o n sa r ec a r r i e do u t a g a i n k e y w o r d s ：c f gp i l e s ，h i g h - s p e e dr a i l w a y , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s e t t l e m e n t ， p i l e - c a p n e t 西南交通大学曲南父遭大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密z 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名： 隽曙南 指导老师签名： z 一，) 日期： 扣甲年争月7 日 日期：如o q 年4 月 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其它个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 通过现场c f g 桩一帽一网复合地基试验，获得了监测数据，对监测数据 进行了分析总结，得出了c f g 桩帽网复合地基沉降、加固区和下卧层压缩等规 律。 2 利用p l a x i s 有限元软件对现场试验进行了数值模拟，经过与实测数据 对比论证了模拟的合理性，并在此基础上对c f g 桩一帽一网复合地基进行了有 限元计算数据的分析，研究了地基沉降规律、水平位移规律、帽顶沉降与帽间 土和帽下土承担荷载与沉降的关系等，弥补了现场试验由于条件制约而未能进 行的试验内容。 3 利用p l a x i s 有限元软件对影响c f g 桩一帽一网复合地基沉降的因素进 行了分析讨论，确定了土工格栅参数e a 、桩间距l 及垫层压缩模量e 。之间的相 互关系及它们对沉降的影响。 学位论文作者签名： 毯躺 日期：d 。、7 年月7 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 我国高速铁路的建设刚刚起步，路基工程的设计、施工和养护技术与世界 高速铁路发达国家相比还存在较大差距，因此，其设计、施工规范、标准还有 待补充、修改和完善，许多问题还有待进一步研究解决r 。 铁路路基与建筑基础相比，主要存在以下差掣2 】：首先，铁路路基传统上 被认为是一种柔性基础，荷载与桩及桩间土的相互作用关系不确定性因素较多， 还没有形成公认的计算理论和设计方法，而建筑基础则是典型的刚性基础，通 过垫层传递到桩和桩间土上的荷载比较明确；其次，建筑荷载为静荷载，工后 阶段桩间土应力比基本能够维持建筑完工后的平衡状态，而高速铁路地基承受 动荷载，桩土应力关系在工后阶段变化的可能性比较大，桩的上刺和下穿会破 坏路基的完整性和下卧层的稳定性，对沉降控制不利；第三，高速铁路路基对 工后沉降要求更为严格，标准远高于建筑地基。高速铁路中，由于其基础一旦 出现变形或破坏，其整治和修复较困难，资金和人力投入很大，维修耗时长， 对无咋轨道的变形控制较有砟轨道更严格。我国对无砟轨道的路基工后沉降要 求一般不应超过扣件允许的沉降调高量1 5 m m ；路桥或路隧交界处的差异沉降 不应大于5 m m ，过渡段沉降造成的路基与桥梁或隧道的折角不应大于 1 1 0 0 0 3 。刚性基础下复合地基性状分析已有了一些相对完善的理论和方法， 而在柔性基础下复合地基性状分析在理论和方法上都还不成熟。 为适应高速铁路建设的需要，近年来在高速铁路路基设计中，c f g 桩复合 地基得到了广泛应用于加固软弱地基。 桩网结构是由路堤、桩、网( 土工格栅等) 及桩间土构成的复合系统。c f g 桩桩网结构已经在武广客运专线、郑西客运专线、京津城际、京沪高速铁路等 得到应用。这种柔性基础结构在路堤荷载作用下的工作机理不同于刚性基础结 构，其结构形式的选取、设计计算理论及不同地质条件下的施工工艺都尚未成 熟【1 】o 考虑以上因素，铁道部组织众单位在京沪高速铁路京沪高速铁路北京至徐 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 州段选取d k l 9 0 + 1 4 0 - - - d k l 9 0 + 1 9 1 作为c f g 桩带帽桩网复合地基试验段。 鉴于柔性荷载下c f g 桩复合地基的作用机理、计算理论等尚未成熟，也 没有相关经验可供参考，从我国高速铁路和客运专线的发展现状来看，开展 c f g 桩的相关试验工作十分必要。在京沪高速铁路开展c f g 桩相关试验工作， 一方面可优化c f g 桩复合地基设计参数，指导京沪高速铁路c f g 桩设计与施 工；另一方面，可以通过试验工点的测试，研究分析提出柔性荷载作用下的c f g 桩复合地基的计算方法和设计原则或验证目前采用设计计算方法的合理性，为 编制相关规范提供依据，更好地指导我国的高速铁路建设。 1 2 o f 6 桩复合地基 c f g 桩是由水泥、粉煤灰、碎石，按要求配合比加水搅拌浇筑后形成的具 有较高强度的无筋桩，成桩后与地基土共同承载外荷载，组成c f g 桩复合地 基。c f g 桩具有较高强度，在复合地基中具有排水、固结、挤密作用，与桩顶 褥垫层协调作用后，能大幅提高复合地基承载力，减少地基沉降。因成本较低、 加固效果良好，质量稳定等优点，在建筑地基处理中已有广泛的应用，并形成 了相应的技术规耐4 j 。 c f g 桩复合地基成套技术是2 0 世纪8 0 年代由中国建筑科学院开始试验 研究，1 9 9 2 年通过了部级鉴定，1 9 9 4 年被建设部列为全国重点推广项目，被 国家科委列为国家级重点推广项引5 】。 该方法具有以下特点： 1 承担力提高幅度大、可调性强。c f g 桩长可以从几米到2 0 多米。并 且可全桩长发挥桩的侧阻力，桩承担的荷载占总荷载的百分比可在4 0 - - 7 5 之间变化，使得复合地基承载力提高幅度大并具有很大的可调性1 5 。 2 适用范围广。在基础形式方面，可用于条形基础、独立基础、筏基和 箱型基础：在土性方面，可用于填土、饱和与非饱和粘性土，可用于挤密效果 较好的土，也可用于挤密效果较差的土层【5 j 。 3 c f g 桩复合地基具有刚柔相济的受力特征。对柔性桩，它们主要是通 过有限的桩长( 6 10 ) d 传递垂直荷载，当桩长大于某一数值后，桩传递荷载的 作用已显著减小。而c f g 桩则像刚性桩一样，可全桩长发挥侧阻，桩落在好 的上层上还具有明显的端承作用。这样就可以通过增加桩长或改变桩端持力层 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的方式，使其进入较坚硬的上层来提高c f g 桩复合地基的承载力，以满足不 同的设计要求【1 一。 4 挤密效应。经过对c f g 桩复合地基加固前后桩间土的物理力学性质进 行试验分析，表明，桩间土的物理力学性质得到了较大提高，一般含水量降低 1 4 1 9 ，天然容重增加1 0 3 2 2 ，孔隙比降低1 3 以上，压缩系数 减小1 1 - - 5 2 。同时发现，在加固区范围内，c f g 桩对粘性土或粉土的工 程性质改善较明显，而对砂类土基本没有改变，但振密效果较显掣5 卜1 0 】。 5 排水作用【1 0 】。文献【5 】表明c f g 桩桩体材料的渗透性与混合料中粉煤灰 和水泥的用量有关，经实验测试，c f g 桩桩体的渗透系数一般在1 0 3 1 0 。1 c m s 范围内，而桩间土的自然土层的渗透系数一般在1 0 。6 1 0 - 4 c m l s ，远比桩体的 渗透性小，所以桩体具有良好的透水性，桩体的排水作用，有利于孔隙水压力 消散，有效应力增加，c f g 桩复合地基在成桩初期，桩体实际上己构成了固结 排水通道，加速了桩周土的固结过程，桩体的排水效果较明显。 6 复合地基变形稳定，沉降量小。c f g 桩相当于在天然土中加了竖向增 强体，地基复合模量大，在上部荷载相同条件下其地基变形相对较小【1 1 1 。 7 褥垫层是复合地基的核心，它保证桩土共同承担上部荷载；调整桩土 应力比；减少基础底面的应力集中，防止基础的剪切破坏；调整桩土水平荷载 的分担，保证桩在水平荷载作用下不会断裂。因c f g 桩桩体模量大于桩间软 土，所以其在荷载下的压缩变形小于桩间软土。首先，褥垫层的存在使得桩体 在竖向荷载作用下向褥垫层刺入，而垫层材料的流动补偿使得桩间土与基础底 面始终保持接触，从而使桩间土承载力得到充分的发挥，达到桩土共同承担荷 载的目的。其次，褥垫层的存在减少了基础底面的应力集中，这是因为垫层的 流动补偿保证桩土共同工作，使得桩体承担的荷载有所减少。实测资料表明桩 土应力比随垫层厚度增加而减少1 1 0 j 。 8 c f g 桩不配筋，并可掺入工业废料粉煤灰，具有经济、环保效果1 1 z 。 1 3 桩一帽一网复合地基 1 3 1定义 文献【1 3 】定义桩一网复合地基为：桩一网复合地基( p i l e n e tc o m p o s i t e 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 f o u n d a t i o n ) ，是指天然地基在地基处理过程中，下部土体得到竖向增强体 “桩”的加强从而形成桩土复合地基加固区，并在该区上部铺设水平向增强体 “网 从而形成加筋土复合地基加固区，使网一桩一土协同作用、共同承 担荷载的人工地基。在桩一网复合地基中，“网 是一个综合概念。所谓网，应 是指具有加筋补强、均匀应力、提高承载力、减少沉降、稳固边坡、排水反滤、 隔离渗透、增强抗疲劳能力等功能，并与所包裹或接触的土体共同作用的工程 材料的总称。在桩一网复合地基中，“网”的主要功能是加筋作用，它主要处于 受拉状态。 桩帽顶面与软土地基顶面少量的沉降差，促使路堤填料中形成土拱效应， 加上网变形的提拉作用，可将路堤大部分荷载转移到桩帽上，从而减小了桩间 土上部的压力。同其他软土地基方法相比，桩网结构具有施工工期短、侧向变 形和工后沉降小等优点。国内外通过研究已在桩网复合结构的工作机理、设计 计算方法、施工工艺、质量检验等方面取得了研究成果，近几年已被成功地应 用于路桥过渡段、高速公路和铁路路基、低路堤的改进技术、现有道路加宽等 工程中。 带桩帽的桩网结构是处理软土地基的种新型路堤形式，克服了不带桩帽 的桩网复合结构和桩筏基础的缺点。桩基处理软土路堤主要是通过桩基把上部 荷载传递到持力层，桩基承担大部分的上部荷载，但不带桩帽的桩网复合结构 与带桩帽的相比，桩承载比相对较小，无法充分发挥桩的作用，且桩刺入垫层 较大，即桩土沉降差较大，带桩帽后可提高桩承载比或可适当增大桩距进而降 低工程造价。而桩筏基础，利用在桩上铺筑筏板，使上部荷载通过筏板传递， 都由桩承担，无法充分利用桩间土的承载作用，因此，与桩筏基础相比，带桩 帽的桩网结构取消了桩顶筏板，而以桩帽代替，从而可充分利用桩土的共同作 用，达到控制沉降的目的【1 。 1 3 。2 桩网结构的加固机理 桩网结构加固机理包括桩的挤密作用、桩间的土拱效应、褥垫层调整桩、 土荷载分担比作用、加筋材料的张力膜效应和群桩效应等。 1 土拱效应【1 】 1 8 8 4 年，英国科学家罗伯特首次发现了“粮仓效应 ：粮仓底面所承受的 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 压力在粮食堆积到一定高度后达到最大值并保持不变，这就是通常所说的拱效 应。1 9 4 3 年，太沙基通过著名的活动门试验，证实了在土力学领域内也存在同 样的拱效应，并把这种荷载从屈服土体转移到临近未屈服部分或约束边界的应 力转移现象称为土拱效应，得出了土拱效应存在的两个条件：产生不均匀位 移或相对位移；存在可充当“拱脚”的结构或约束。 路堤铺筑完成后，由于桩的压缩性远小于桩间土的压缩性，在同样的路堤 荷载作用下，桩间土的沉降量大于桩项的沉降量。这个沉降差使桩间土上部的 填土相对于桩顶上部的填土产生一个向下滑动的趋势，在相对滑动面上产生一 个拖拽力，通过这个拖拽力，桩间土上部填土将自身的部分荷载转移到了桩顶 上部填土上。这种由于路堤中沉降差引起的荷载转移现象属于太沙基提出的土 拱效应现象。 在土拱效应的作用下，随着路堤高度的增加，桩间土与桩顶上部填土之间 的差异沉降逐渐减小，当高度增加到一定深度时，差异沉降最终消失，该高度 处的平面称为等沉面。在等沉面以上的各个平面上，沉降和竖向应力处处相等。 由此可见，路堤填料沉降差起到了调整作用。显然，桩帽和等沉面高度范围内 的路堤压缩量大于桩间土和等沉面高度范围内路堤的压缩量。 2 褥垫层作用【i j 随着褥垫层厚度h 的增加，桩体荷载分担比e 增大。当褥垫层厚度h 达到 o 7 m 时，e 为0 7 - 0 7 5 。可计算得桩土应力比n 为2 0 2 6 。再增加垫层厚度 对荷载分担比e 影响不大。 在相同荷载作用下，地基面沉降随褥垫层厚度的增加而减小。但褥垫层存 在一个合理厚度，在褥垫层厚度达到o 。7 m 以后，继续增大垫层厚度，由于对 桩土荷载分担比影响不大，因此不能有效减小沉降。 在桩网复合结构中，褥垫层起到了调整桩土荷载分担比的作用，随着路堤 荷载的增加，垫层材料不断调整、补充到桩间土上，可保证在任意荷载下桩和 桩间土始终参与工作。 3 网的张力膜效应 在水平向增强体复合地基中，土工合成材料的主要功能是加筋作用。复合 地基中的土工合成材料主要处于受拉拔状态，抗拉拔力的土工合成材料与地基 地组成复合土体。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 复合土体在荷载作用下，土工合成材料产生拉伸应力，同时对土体产生一 个类似于侧向约束压力的作用，这一作用使复合土体具有较高的抗剪强度。由 于土工合成材料加筋体的侧向约束作用，复合土体变形模量也得到提高。宏观 地看，在荷载作用下，水平向增强体复合地基可能产生冲切破坏时，水平向铺 设的土工合成材料将阻止破坏面的出面，从而提高地基承载力。当地基在荷载 作用下发生较大变形时，地基中铺设的土工合成材料中的拉应力和土工合成材 料与土的界面上的摩擦力增大，增加对土体侧向变形的限制，增大地基稳定性， 减小地基竖向变形。 总之，由于土工合成材料的加筋补强作用，复合土体的抗剪强度、变形模 量、地基承载力、地基稳定性等都得到提高，而地基变形得以减小【13 】。 加入土工格栅等加筋材料的复合垫层受力时将表现为盘形或膜形变形。由 于桩间土的等沉使土工格栅随之被拉紧，从而调动了它的抗拉能力，起到了张 力膜效应，同时将荷载均匀地传递、分布到地基土中。 土工格栅可以增大桩承担荷载的比例，且随土工格栅的抗拉强度的增加， 桩承担的荷载比例增加；在上部荷载较小时，土工格栅减小沉降量的效果不明 显，随着荷载的增加，土工格栅被拉紧后，减小沉降的效果逐渐体现出来。加 筋带与土的摩擦作用，限制了加筋土体的侧向挤出，因此也可有效地减小土体 横向变形r 。 1 3 3 桩一帽一网复合地基研究现状 1 桩帽的研究现状 雷金波为了合理反映带帽桩复合地基的力学性状，在分析带帽刚性桩复合 地基试验成果的基础上，提出了复合桩土应力比的概念，即为帽顶平均应力和 桩帽间土体表面上平均应力的比值。同时定义复合桩面积置换率为帽项面积与 其相应的处理面积之比【川。 2 水平加筋体的研究现状 j o n e s 等采用m a r s t o n 公式计算由桩帽直接承担的竖向路堤荷载，并假定 地基土不直接承担路堤荷载，竖向路堤荷载的剩余部分由水平加筋体承担，得 出了预制钢筋混凝土端承桩土工织物情况下的水平加筋体中拉力的计算公式和 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 桩土应力比经验计算式【1 5 】。 英国标准b s 8 0 0 6 提出了较为详细的水平加筋体的分析计算方法，其采用 思路与j o n e s 的方法基本一致，即先确定作用在桩帽上的竖向应力所占的比值， 余下部分作平均均匀分布作用于土工合成材料加筋层上，提出了路堤自重作用 下的竖向应力的计算式，并提出了种关于确定最大拉应变的方法，和一个关 于最大的加筋容许应变关系式【1 6 j 。 c a t e n a r y 法通过假定比较合理的挠度，计算与实测的应力、应变曲线进行 挠度调整，计算土工合成材料的拉力【17 1 。 c a r l s s o n 提出了二维平面状态下的挠度和张拉力的计算公式1 18 1 。 r o g b e c k 在c a r l s s o n 基础上考虑了三维效应，提出t - - 维修正因子【1 9 1 。 s i n t e f 法在计算应变时考虑了土工合成材料在桩帽上的变形【2 0 】。 b i n q u e t 通过模型试验得出筋带提高了地基承载力，并根据地基破坏模式 的假设提出了加筋地基承载力公式【2 1 】。众多学者在对b i n q u e t 进行了补充修正， 在提高地基承载力方面的研究作了大量的工作【2 2 2 4 。 李强等人通过将土工合成材料的变形假设为二次抛物线，建立了加筋土垫 层设计新思路【z 5 j 。 3 土拱效应的研究现状 t e r z a g h i19 3 6 年通过活动门试验证明了土拱效应在土力学存在【2 6 】。 l o w 等人通过试验和理论研究了桩网复合地基桩间土的成拱性状【2 7 j 。 r u s s e l l 和p i e r p o i n t 研究了桩间土拱形成机型2 8 】。 h e w l e t t 通过模型试验，分析了砂填料在正方形布置下，方桩路堤中的空 间土拱效应【2 引。 陈云敏基于单桩等效法处理范围内堤身土体受力平衡，改进了传统的 h e w l e 丌极限状态空间土拱效应分析方法，求得了桩体荷载分担比计算的解 析表达式。研究了桩间距、桩帽大小和填料内摩擦角对桩体荷载分担比的影响。 研究表明：土拱处于弹性状态时，改进方法计算出的桩体荷载分担比小于 h e w l e t t 极限状态计算结果；土拱处于塑性状态时，改进方法计算结果与 h e w l e t t 计算结果相同。设计桩承式路堤时，若填料内摩擦角较大，则应优 先考虑增大桩帽宽度来提高桩体荷载分担比；若内摩擦角较小，则可适当减小 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 桩距来提高桩体荷载分担比。大内摩擦角填料有助于提高桩体荷载分担比。给 出了桩体荷载分担比计算图，便于工程应用【3 0 1 。 陈仁朋等建立了土一桩一路堤变形和应力协调的平衡议程，分析了三者协 调工作时路堤、桩、土的荷载传递特性，获得了路堤的土拱效应、桩土荷载分 担、桩和土的沉降等结果【3 1 】。 许峰等提出了一种综合考虑路堤填料中的土拱效应和桩土的荷载传递性状 的解析解法【3 2 】。 4 桩土应力比的研究现状 饶卫国等对桩网复合地基应力比分析与计算进行了研究，并运用薄板理论 解求解桩网复合地基的工后沉降【3 3 ，3 4 1 。 雷金波提出复合桩土应力比的概念，以反映带帽桩复合地基的力学性状。 定义复合桩土应力比为荷载通过褥热层的传递调节作用于帽顶平均应力与桩帽 间土体表面平均应力的比值1 14 j 。 陈云敏基于单桩等效法处理范围内堤身土体受力平衡，改进了传统的 h e w l e t t 极限状态空间土拱效应分析方法，求得了桩体荷载分担比的解析表达 式，研究了桩间距、桩帽大小和填料内摩擦角对桩体荷载分担比的影响f 3 0 】。 陈仁朋等建立了土桩路堤变形和应力协调的平衡议程，分析了三者协调 工作时路堤、桩、土的荷载传递特性，获得了路堤的土拱效应、桩土荷载分担、 桩和土的沉降等结果【3 1 】。 许峰等提出了一种综合考虑路堤填料中的土拱效应和桩土的荷载传递性状 的解析解法。研究了置换率、桩身模量、桩径、桩端土刚度和桩侧摩阴力发挥 系数对沉降和荷载分担比等的影响【3 2 】。 鲁长亮等人利用c a r l s s o n 的土楔理论计算了桩土应力比并进行了优化设 计【3 5 1 。 饶为国根据网单元的受力平衡条件，提出了桩一网复合地基桩土应力比计 算公式【3 3 3 4 ，3 6 1 。 方磊，谢永利通过室外模型试验研究了在不同地基土情况下桩土应力比的 变化规律，并与刚性基础下复合地基桩土应力比进行了对比分析，结果表明桩 土应力比随着桩底持力层强度的提高而增大，随着桩间土密实度的增大而减小， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 随着上部荷载的增加而逐渐趋于稳定【3 7 】。 李国维，杨涛通过现场试验研究了路堤荷载下粉喷桩的桩土应力比变化规 律，结果表明柔性基础下桩土应力比要i ：t l n 性基础下小得多，它随荷载增加先 减小后增大呈波浪形变化【硼。 叶观宝等在高速公路水泥土搅拌桩复合地基载荷试验的基础上，现场量测 了桩顶应力和桩间土应力，得到桩土应力比的曲线，并结合桩间土的室内三轴 试验，分析了桩土应力比曲线产生的机理【3 9 1 。 马时冬在泉厦高速公路试验段对水泥搅拌桩复合地基的桩土应力进行了实 测，指出在不同的荷载刚度、水泥掺量和面积置换率的情况下，桩土应力比值 相差不大，但桥台和通道墙体基础下的桩土应力比比填土路堤下的大【4 0 1 。 李海芳等介绍了采用低强度混凝土桩复合地基处理桥头跳车问题，同时通 过现场载荷试验、桩项和桩间土的土压力测试以及沉降监测，较全面地研究了 低强度桩复合地基承载力和桩土受力特性以及沉降变化规律，指出在填土荷载 下桩土应力比的变化过程不同于刚性荷载板下的变化过程，并提出路堤填土存 在拱效应【4 1 。 金宗川等通过改变垫石层厚度对石灰桩单桩复合地基进行模型试验研究， 分析了桩、土荷载传递特性，桩、土应力变化规律以及桩土应力比随深度的变 化等荷载特性【4 z j 。 化建新等通过模型试验研究，探讨了垫层土类及垫层厚度对桩土应力比的 影响，发现桩土应力比随垫层厚度增大而减少，随垫层填料粒径的增大而增大 4 3 1o 陈小庭等利用现场试验的方法研究了管桩在不同褥垫层设置方式的情况下 桩土应力比的变化特性，通过试验数据发现桩土应力比峰值点为分界点，桩土应 力协调分两阶段，由土体瞬时沉降引起的应力协调是桩土协调工作的第一阶段， 由主固结引起的为第二阶段，并对褥垫层设置提出了合理的建议州。 5 复合地基沉降的研究现状 在国内，饶为国等人通过板壳理论描述桩一网复合地基变形，对桩一网复 合地基的沉降、工后沉降和桩土应力比进行了理论分析【3 3 - 3 6 , 4 5 7 1 。 沈伟等充分考虑桩、土、垫层协同作用，提出计算刚性桩复合地基沉降的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 一种新方法。该方法通过假定桩土界面摩阻力与相对位移为理想弹塑性关系、 同一水平面上的桩间土沉降相同和桩端土符合w i n k l e r 地基模型，结合桩、土、 垫层工作机理分析，建立了协同作用基本微分方程，进而得到了大面积群桩复 合地基桩、桩间土沉降解析解【铝j 。 1 4 本文主要工作 本文在归纳前人研究和应用成果的基础上，结合现场试验和有限元数值模 拟，就高速铁路柔性基础下c f g 桩复合地基加固处理方面的一系列问题进行 分析和探讨。具体内容如下： 完成c f g 桩一帽一网复合地基现场试验： 对现场试验数据进行分析整理，研究了路堤本体、加固区和下卧层变形特 性等，丰富完善柔性基础下c f g 桩复合地基理论； 利用有限元软件对现场试验进行数值模拟，在合理建模及参数的基础上对 影响c f g 桩一帽一网复合地基沉降的各种因素进行了对比分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章桩一帽一网复合地基现场试验 2 1c f g 桩复合地地基处理方案 京沪高速铁路京徐段试验段，d k l 9 0 + 1 2 4 一- - , d k l 9 0 + 3 5 6 2 位于天津 特大桥与青沧特大桥之间，李窑铺轨基地左侧，地形平坦，地势开阔，线路以 填方通过，路堤填高为6 8 m , - - , 7 2 m 。 根据工程的实际情况，选取d k l 9 0 + 1 4 0 一- , d k l 9 0 + 1 9 1 ，共5 1 m ，作为 c f g 桩复合地基桩一帽一网结构试验段。设计c f g 桩桩径0 5 m ，间距1 7 m ， 正方形布置，每排1 9 根桩，共3 0 排。桩顶标高3 4 0 m ，桩底标高1 9 4 m ，桩 帽直径1 0 m ，上海方向为现浇平底桩帽，高0 5 m 。其上设厚度为o 6 m 的碎 石垫层，垫层内夹铺两层土工格栅。其结构图如图2 1 所示。 下卧层 图2 1c f g 桩一帽一网复合地基示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 2 地质条件 以d k l9 0 + 16 5 处勘探孔所得工程地质图来叙述主要地层情况： 表2 1 岩土工程性质表 序号地层岩土名称工程性质描述 黏土1黄褐色，硬塑，厚1 3 m ，oo = 1 2 0 k p a 粉质黏土2 黄褐色，软塑，厚1 4 m ，oo = 1 3 0 k p a 1q 4 a 1 粉土3 黄褐色，密实，潮湿，厚1 8 m ，oo = 1 7 0 k p a 粉质黏土2灰褐色，硬塑，厚2 4 m ，oo = 1 3 0 k p a 粉土3黄褐色，密实，潮湿，厚1 7 m ，oo = 1 7 0 k p a 粉土3黑灰色，密实，潮湿，厚3 7 m ，oo = 1 6 0 k p a 粉砂1 1 灰黑色，稍密，饱和，含云母，夹1 0 1 5 的黏性 2q 4 m 土，厚2 7 m ，oo = 9 0 k p a 粉砂1 1 灰黑色，中密，饱和，含云母，夹1 0 1 5 的黏性 土，厚2 0 m ，oo = 1 1 0 k p a q 4 引 3 粉砂1 1黄褐色，密实，饱和，含云母，厚9 5 m ，oo = 2 0 0 k p a 4 q 3 a 。 粉质黏土2 黄褐色，软塑，含铁锈斑纹，厚4 6 m ，oo = 1 4 0 k p a 粉砂 oe = 2 0 0 k p a 地下水具硫酸盐侵蚀，环境作用等级为h 1 。地震动峰值加速度为0 10 9 ( 地 震基本烈度为度) 。土壤最大冻结深度0 7 m 。 2 3 观测内容及元器件安装 2 3 1 路基底面沉降观测 剖面沉降管监测c f g 桩桩顶平面处桩项和桩间土横断面的沉降。其安装 布置平面图见图2 2 ，施工图见图2 - 3 。 路 肩 i 桩间土剖面管 图2 - 2 剖面沉降管安装平面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 a ) 剖面管敷设在褥垫层下 c ) 观测坑开挖 b ) 剖面管敷设在褥垫层内 图2 - 3 剖面管安装施工图 d ) 砌筑完成后的观铡坑 232 桩土沉降观测 利用液位沉降计监测c f g 桩桩顶和桩间土的沉降。测点位置分布： 1 路基中心线桩顶、桩间土，左侧两桩中心桩间土、右侧四桩中心桩问 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 土： 2 线路中心线两桩及四桩中心桩间土； 3 左路肩桩项及两桩中心桩间土； 4 坡角桩顶及桩间土。 液位沉降计安装布置如图2 4 所示。 线i 路 路i 基 中：中 心：心 线! 线 图2 - 4 液位沉降计安装平面图 2 3 3 土体压缩量观测 单点沉降计监测c f g 桩桩顶平面与埋设点之间的相对变形量，即相对压 缩量。安装布置说明见表2 2 ，平面布置见图2 5 。 表2 - 2 单点沉降计安装说明表 单点沉降计测点高程( m )自地面起测点深度( m )说明 d c 11 9 42 3 4c f g 桩端 d c 22 0 42 4 4c f g 桩端下1 m d c 32 3 42 7 4c f g 桩端下4 m 路i j 肩! i 图2 - 5 单点沉降计安装平面图 l：i 9 i ； 路基中心线线路中心线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 4 监测数据及分析 自3 月1 4 日至3 月2 9 日进行路堤底层及表层的填筑，历时1 5 天。 自3 月2 9 日至3 月3 0e l 进行预压土的堆载，历时2 天。 具体进展情况见图2 - 6 。 一： 藿。8 鋈：4 o ， 05 1 0 】52 02 5 时间( d ) 图2 - 6 路堤填筑进展图 2 41 路基底面沉降分析 1 桩顶剖面沉降管监测数据如图2 - 7 所示。 ；差霎 图2 - 7 桩顶剖面沉降管测试数据 由数据图可以看出，监测曲线呈波浪形，处于波峰位置的测点位于桩顶上， 处于波谷位置的测点则是位于桩间土上。可见存在明显的桩土沉降差。 在加载及静置阶段，随着荷载的增加，断面桩顶与桩间土均产生沉降，在 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 加载期间沉降速率要大于静置阶段。从最后两次测量结果来看，沉降曲线基本 吻合，沉降趋于稳定。 曲线呈中间大两侧小的趋势，说明路基中部承受较大荷载，沉降比两侧要 大。桩土沉降差在中部表现的尤为明显，可以推知，中部的桩土应力比应大于 两侧，可见，荷载的增加，使桩土应力比也随之增加。 2 桩问土剖面沉降管监测数据如图2 - 8 所示。 图2 - 8 桩问土剖面沉降管测试数据 在此曲线图中。相邻测点差值不大。 在较小荷载作用下，路基横断面内各点变形趋于一致，路基中心处与两侧 没有明显的沉降差异；随着路堤本体的填筑成型，路基横断面内各点均产生沉 降，中心线附近变形比两侧要大，由路基中心向两端沉降量逐渐减小。 2 4 2 桩土沉降分析 1 坡脚处桩土沉降分析 坡角处液位沉降计监测数据如图2 - 9 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 2 5 0 ，、2 0 0 击 童 1 5 0 鬈1 0 0 5 0 图2 - 9 坡脚液位沉降计测试数据 由数据图可将曲线分成三段，即沉降快速发展、发展及基本稳定阶段。在 第一段中，即在路堤及超载土层填筑期间，桩顶沉降量为2 0 3 2 m m ，桩间土沉 降量为3 8 5 8 m m ，桩土沉降差为1 8 2 6 m m ，桩顶平均沉降速率为1 2 7 m m d ： 第二阶段，即3 月3 0 日加载结束至6 月5 日，该段曲线较前一段平缓，沉降 速率减小，此阶段桩顶沉降量为1 1 5 m m ，桩间土沉降量为1 0 7 4 m m ，桩项沉 降速率为0 1 7 m m ，d ；第三阶段，即6 月5 日至最终测试时间，曲线较前一段 曲线更为平缓，沉降速率减小，且趋于稳定。桩顶沉降量为1 3 6 m m ，桩间土 沉降量为1 2 9 m m ，桩顶平均沉降速率为0 0 1m m d ，桩土沉降差为17 4 3 m m 。 其中，静置期间桩顶沉降量为1 2 8 6 m m ，占总沉降量的3 9 ，桩间土沉 降量为1 2 0 3 m m ，占总沉降量的2 4 ，可见，沉降主要发生在加载期间。 加载结束时桩顶与桩间土沉降差为18 2 6 m m ，测试结束时桩项与桩间土沉 降差为1 7 4 3 m m 。 2 路肩处桩土沉降分析 左路肩处液位沉降计监测数据如图2 1 0 所示。 o c 2 加 如 一 一 - 一 一 一昌一潍掣 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 图2 10 左路肩液位沉降计测试数据 由数据图可见，数据曲线可分为三段，即沉降快速发展、发展及基本稳定 阶段。在第一段中，桩项沉降量为2 5 2 3 m m ，桩间土沉降量为3 3 3 m m ，桩顶 平均沉降速率为1 5 8 m m d ；第二段中，桩顶沉降量为1 3 6 5 m m ，桩间土累计 沉降量1 4 4 6 m m ，桩项平均沉降速率为0 2 1 m m d ；第三段曲线中，桩顶沉降 量为1 7 2 m m ，桩间土沉降量为3 仃m m ，桩项平均沉降速率为0 0 2 m m l d 。 其中，静置期间桩项沉降量为1 5 3 7 m m ，占总沉降量的3 8 ，桩间土沉 降量为1 7 6 3 m m ，占总沉降量的3 5 ，可见，沉降主要发生在加载期间。 在路堤及超载土层填筑期间桩顶与桩间土最大沉降差为8 0 7 m m ，静置阶 段桩顶与桩间土最大沉降差为10 3 3 m m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 3 线路中心线处桩土沉降分析 左线中心处液位沉降计监测数据如图2 - 1 1 所示。 圈2 - 1 1左线中心液位沉降计测试数据 由数据图可见，数据曲线可分为三段，即沉降快速发展、发展及基本稳定 阶段。在第一段中，两桩中心桩间土沉降量为2 9 7 5 m m ，四桩中心桩间土沉降 量为1 5 7 5 m m ；第二段曲线中，两桩中心桩间土沉降量为1 5 2 5 m m ，四桩中 心桩间土沉降量为4 9 0 5 m m ，两者沉降差为4 0 5 m m ；第三段曲线中，两桩中 心桩间土沉降量值为2 2 5 m m ，四桩中心桩间土沉降量为2 9 4 m m 。 其中，静置期间两桩中心桩间土沉降量为17 5 m m ，占总沉降量的3 7