（岩土工程专业论文）高路堤下cfg桩筏复合地基的沉降分析及优化设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 为保障列车高速稳定运行，尤其在松软土地基情况下，要采取经济合理的 工程措施，对松软地基进行处理，使工后沉降满足相关规范的规定。为此，本 课题对松软土c f g 桩筏复合地基进行了现场试验。对c f g 桩、桩间加固土体、 桩端下卧土层、桩顶碎石垫层、钢筋混凝土板、路堤填土和预压土这个系统进 行了现场测试，并对实测数据进行了分析和预测，由此推断路堤在预压填土作 用下的沉降规律，对系统最终沉降进行了预测，据此可以指导预压肘间和铺轨 时间。 文章在结构组织方面进行如下安排： 第一章介绍了选题背景和本文的创新点；着重研究了桩筏结构的理论基础 以及现阶段国内复合地基沉降常用的计算方法，并对这些方法的适用条件和不 足进行了评价；针对高速铁路地基处理技术，作者查找了国内外相关处理技术 和分析方法手段。第二章对现场试验进行了详尽的阐述，并对加固区土体、c f g 桩、下卧层土体，路堤本体等各部分的沉降大小，沉降速率进行了研究，得出 加固区的沉降在很短时间内就可以完成，且在总沉降中占的比重很小；下卧层 沉降变形量占复合地基总沉降的大部分；路堤采用a 、b 组填料，施工质量达 到规范规定的要求，其最终沉降为路堤高度的0 1 5 的结论；第三章安排了有 限元分析，采用p l a x i s2 d 模块对c f g 桩筏结构进行了2 d 简化，对路堤填筑、 超载预压1 8 2 天进行计算，并与实测结果和双曲线预测进行比较。可以看出运 用有限元模拟结果，有些中间点与实测值偏差较大，但最终沉降在1 以内，满 足工程实用要求。最后对试验段现有的设计方案进行了优化设计，主要从桩间 距的扩展和钢筋混凝土板厚的减小两个方面进行数值计算，得出了该试验方案 在桩间距上可以扩展至2 1 m ，钢筋混凝土板厚度也可减小至0 4 m 的结论。 关键词：高速铁路；c f g 桩；工后沉降；有限元；优化设计 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 t oi n s u r eh i g h s p e e da n ds t a b l eo ft r a i n so p e r a t i o n ，e s p e c i a l l yi ns o f t g r o u n dc i r c u m s t a n c e s ，e c o n o m i cm e a s u r e ss h o u l db et a k e nt od e a lw i t ht h e s o f tg r o u n ds ot h a tt h er e s i d u a is e t t l e m e n tw i l im e e tt h er e l e v a n tn o r m s a f i e l dt e s to fs o f ts o i lc f gp i l e r a f tc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sc o n d u c t e d c f g p i l e s ，t h er e i n f o r c e d s o i lb e t w e e nt h ep i l e s ，u n d e r l y i n gs t r a t u m ，g r a v e l c u s h i o no nt o po ft h ep i l e sw i t hat h i c k n e s so f15 c m 。r e i n f o r c e dc o n c r e t ep l a t e o f5 0 c m e m b a n k m e n tf i l l e dw i t hao rbf i l l e r sa n dp r e c o n s o l i d a t i o ns o i i c o n s i s tt h eo n s i t et e s ts y s t e m t h ec o l l e c t e dd a t aw e r ea n a l y z e da n da p r e d i c t i o nw a sm a d e ，t oi n f e rt h el o wo fc f gp i l e - r a f tc o m p o s i t eg r o u n d s e t t l e m e n tu n d e rp r e c o n s o l i d a t i o ns o i l a n dt h ef i n a is e t t l e m e n to ft h e s y s t e mc a nb eo b t a i n e db yh y p e r b o l i cc u r v e ，w h i c hc a nd e c i d et h ep r e p r e s s t e r ma n dw h e nt ou n l o a da n dw h e nt ol a yt r a c k s t h ea r t i c l es t r u c t u r ei sc a r d e do u ta sf o i l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h ea r t i c l ea n di n n o v a t i o n l n c l u d e di nt h et h e s i s ；a n df o c u s e so nc f gc o m p o s i t eg r o u n dt h e o r e t i c a i b a s i s ，a sw e l la sm e t h o d sc o m m o n l yu s e da sc a l c u l a t i n gc o m p o s i t eg r o u n d s e t t l e m e n tn o w a d a y sa th o m e t h ep r e c o n d i t i o n st h a tm e t h o d sc a nb e a p p l i c a b l ea n ds o m es h o r t a g e sa r ee v a l u a t e d ；a i m e da th i g hs p e e dr a i l w a y f o u n d a t i o ni m p r o v e m e n tt e c h n o l o g y ，t h ea u t h o rr e f e r st os o m ec a l c u l a t i o n a n da n a l y s i sm e t h o d c h a p t e ri ig i v e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no fo n - s i t et e s t s r e s e a r c h e sw e r ec a r r i e do nt h es e t t l e m e n ta n ds e t t l e m e n tr a t eo fc f g p i l e s ， t h er e i n f o r c e ds o i ib e t w e e nt h e p i l e s ，t h eu n d e r l y i n gs t r a t u m ，t h e e m b a n k m e n tb o d yi nd i f f e r e n ts t a g e s ac o n c l u s i o nw a so b t a i n e dt h a t s e t t l e m e n to fr e i n f o r c e dp a r tt o o kav e r ys h o r tt i m et oc o m p l e t e ，a n di t a c c o u n t e df o ras i n a i lp r o p o r t i o no ft h et o t a is e t t l e m e n t ；s e t t l e m e n to f u n d e d y i n gs t r a t u ma c c o u n t sm o s to ft h et o t a ls e t t l e m e n t ；e m b a n k m e n tf i l l e d w i t ha ，bg r o u pf i l l e r ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fn o r m s ，t h ef i n a l s e t t l e m e n to ft h ee m b a n k m e n tc a nb e0 15p e r c e n to fi t sh e i g h t ；c h a p t e ri i i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 a r r a n g e sa f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，u s i n gp l a x i s2 dt os i m u l a t ec f g p i l er a f t s t r u c t u r es i m p l i f i e da s2 d ac o m p a n s o ni sm a d ea m o n gt h er e s u l t so f e m b a n k m e n to v e d o a d i n gf o r18 2d a y sb yf e m ，m e a s u r e dr e s u l t sa n d p r e d i c t e db yh y p e r b o l i cc u r v e w ec a ns e et h a tt h ee r r o rb e t w e e nf i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t sa n dm e a s u r e di si e s st h a n1 w h i c hm e e t st h e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so fg e o t e c h n i c a lp r o j e c t i nt h ee n d ，a no p t i m u md e s i g n i sm a d et ot h ea v a i l a b l ep l a no ft h et e s t ac a l c u l a t i o ni sc a r r i e do u t c h a n g i n gt h ep i l e i n t e r v a l sa n dt h eh e i g h to ft h ec o n c r e t ep l a t e ，a n da c o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tt h ep i l ei n t e r v a ic a nb ee n l a r g e dt o2 1ma n dt h e c o n c r e t ep l a t eh e i g h tc a nb ed e c r e a s e dt o0 4 m k e y w o r d ：h i g h s p e e dr a i l w a y ；c f gp i l e ；r e s i d u a ls e t t l e m e n t ；f e m ； o p t i m u md e s i g n 一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，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文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 对现场试验的各元件测试数据进行分析，对路堤填筑期间、静置期间沉 降特征进行分析，得出路堤填筑期间沉降发展很快，静置期间沉降速率放缓， 静置9 0 天后，沉降趋于稳定，到达了用c f g 桩处理软弱地基并使沉降提前发 生的加固效果； 2 对柔性荷载作用下的c f g 桩筏复合地基进行了2 d 有限元分析，得到 复合地基工后沉降满足双曲线规律； 3 扩展桩间距对下卧层沉降影响甚微，对加固区沉降变化影响较大； 4 运用有限元进行优化计算，建议可以将桩间距扩展至2 1 m ，具有较大 的经济效益。 学位论文作者签名：笺“旷 日期：渺7 。哆7 西南交通大学 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 不保密彳使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：苏疆犷 日期：加夕一咿7 指导老师签名：一刍一 1 日期：跏c 年7 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 随着国民经济的高速发展，修建高速铁路并形成快速运输网络已成为我国 铁路建设发展的必然。“十一五”期间，在第四次大提速的推动下，“四纵四横” 铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统规划相继出台，为我国高速铁路 的发展提供了良好的机遇。 高速铁路具有国际性和时代性的涵义，随时代的发展而更新。目前普遍认 为最高速度达到或超过2 0 0 k m h 、运行速度超过1 5 0 k m h 的铁路即为高速铁路 【1 j 。西欧把新建时速达到2 5 0 3 0 0 k m 、旧线改造时速达到2 0 0 k m 的称为高速 铁路【2 l 。高速铁路的轨道结构主要有两类：即以日本为代表的板式轨道结构和 以法国t g v 为代表的传统的有碴轨道结构。传统的有碴轨道，结构简单，维 修方便，综合造价低廉，弹性较好，但在运营后会出现道床板结、路基翻浆冒 泥，养护维修工作繁重。板式轨道结构取消传统的轨道轨枕和道床，是作为“省 维修”轨道研制的。基本结构是在路基混凝土基础上铺设轨道板，基础稳固， 在列车荷载作用下累计变形缓慢，养护维修工作量减少，有较高的横向抗力， 有利于线路的稳定；缺点是前期造价昂贵，弹性差，基础一旦出现变形就难以 处理。在我国高速铁路修建中，参考国外已有的技术经验，结合我国的实际经 济水平进行比选：无碴轨道具有适宜性好、安全性好、后期维修少、使用寿命 长、生命周期内造价低等优点，更适合时速2 0 0 k m h 以上的高速列车运行。经 过论证后，我国正在修建和将要修建的高速铁路和客运专线，如京津客运专线、 武广客运专线和京沪高速铁路等的大部分线路均采用了无碴轨道。 对于铁路、公路、长大堤坝的地基，它可以允许有较大的施工沉降，我们 主要关心其工后沉降，通常也只需控制其工后沉降1 3 j 。所谓路基工后沉降， ( s e t t l e m e n to fs u b g r a d ea f t e ra c c e p t a n c e ) 是指路基竣工铺轨开始后产生的沉 降量。当工后沉降经过计算不满足要求时，利用路堤进行堆载预压( 换算土柱法) 或对软弱地基进行适当的处理，也可以两种方法联合使用，使工后沉降提前发 生，是降低工后沉降的有效方法，也是最经济合理的处理方法。 我国对无碴轨道结构的工后沉降要求一般不应超过扣件允许的沉降调高量 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 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 10 0 0 。可以说，对线路工后沉降控制的高标准， 是无碴轨道高速铁路区别于传统铁路的一个最大技术特点。这就需要我们不断 的引进新技术、新方案，在保证安全的前提下，节约造价，保护环境。 尤其是在松软土地区，必须选择合理的地基处理方式，采用规范规定的路 堤填料并在保证压实质量的前提下进行分层填筑，那么线路的工后沉降才有可 能满足不大于15 m m 的要求。 水泥粉煤灰碎石桩( c e m e n tf l y - a s hg r a v e l ，简称c f g 桩) 最初用于建 筑工程上，无论条形基础还是筏板基础都有较大的刚度，连通上部结构可视为 刚性基础。刚性基础下复合地基中，由于刚性基础的约束，桩体和桩间土的沉 降量是相等的。早期复合地基的承载力和变形理论是在以下三个假设条件下成 立：一是有刚性基础，基底处桩与桩间土的竖向变形协调；二是在竖向荷载作 用下桩与桩间土之间没有侧向挤压作用，各自都不发生侧向变形；三是复合地 基内部任一水平截面上桩与桩间土的竖向压缩变形相同。 在各类实用计算方法中【4 】，通常把复合地基沉降量s 分为两部分，且p ) j h 固 区土层压缩量s 和加固区下卧层压缩量s ：。 s = s l + s 2 ( 1 1 ) 若复合地基设有垫层，通常认为垫层压缩量很小，且在施工过程中已基本 完成，故可以忽略不计。 1 1 1 加固区土层压缩量的计算方法 1 1 1 1 复合模量法 将复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合土体，采用复合压缩 模量来评价复合土体的压缩量，并采用分层总和法计算加固区土层压缩量，加 固区土层压缩量s 7 的表达式为 墨= 窆缸( 1 - 2 ) 1d f 瓦= m r + ( 1 一所) 瓦 ( 1 - 3 ) 其中：卸，为第i 层复合土上附加应力增量；日。为第i 层复合土层的厚度。 疋通常采用面积加权平均法计算；为桩体变形模量，起控制作用的不 是桩体本身，而是桩端土，桩侧土的性质；瓦为桩间土压缩模量。具体数值需 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 要通过现场静载试验测得，用起来不算方便。 1 1 1 2 应力修正法 根据桩间土分担的荷载，按照桩间土的压缩模量，采用分层总和法计算加 固区土层的压缩量，其表达式为 s i - - 窆缸= 以窆缸= 以墨，( 1 - 4 ) 1 - 酊 1 - 西 其中：熊2 五磊乞面，为应力修正系数；行为桩土应力比；m 为置换率； 卸，为未加固地基在荷载第f 层复合土上附加应力增量；a p ，；为复合地基中第 i 层桩间土的附加应力增量；s i ，为未加固地基在荷载p 作用下相应厚度内的 压缩量。 桩土应力比，在复合地基中是一个平均概念，且随荷载水平变化而变化的， 故在实际工程中很难应用【5 】。 1 1 1 3 桩身压缩法 设桩底端刺入下卧层的沉降变形量为，则相应加固区土层的压缩量s ，计 算式为 s 1 = s p + a ( 1 - 5 ) 其中：s 。为桩身压缩量。 使用该公式时，是一个比较难以确定的量。 1 1 2 下卧土层压缩量的计算方法 1 1 2 1 压力扩散法 若复合地基上作用荷载为p ，复合地基加固区压力扩散角为，则作用在下 卧土层上的荷载p 。可表示为【6 】： 死= 万函面丽b d 万p 砑忑而( 1 - 6 )死2 万瓦瓦历湎i 丽 其中b 为复合地基上荷载作用宽度；d 为复合地基上荷载作用长度；h 为 复合地基加固区厚度。可根据相应规范得到。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 1 2 2 等效实体法 将复合地基加固区视为一等效实体，作用在下卧层上的荷载作用面与作用 在复合地基上的相同。在等效实体四周作用有侧摩阻力，设摩阻力密度为厂， 则复合地基加固区下卧层上荷载密度n 可表示为 仇：b d p - ( 2 i b - + 2 一d ) h f ( 1 7 ) 仇2 i i 一 u 。，j 其中b 、d 分别为荷载作用面宽度和长度；h 为加固去厚度。 实践表明，等效实体法使用上难以确定的是，等效实体和土体之间的侧 摩阻力的分布难以确定，也是按规范的近似取法。 1 1 2 3 改进g e d d e s 法 s d g e d d e s ( 19 6 6 年) 认为长度为l 的单桩在荷载q 作用下对地基土产生 的作用力，可近似的分成桩端集中力q 。，桩侧均匀分布的摩阻力q r 和桩侧随 深度线性增长的分布摩阻力q 。s d g e d d e s 根据弹性理论半无限体中作用一 集中力的m i n d l i n 应力解积分【7 1 ，导出单桩的上述三种形式荷载在地基中产生的 应力计算公式，然后计算地基土中附加应力，采用分层总和法可计算复合地基 沉降恻。 该方法需要计算确定荷载分担比，另外需假定桩侧摩阻力的分布，上述两 项估计将给计算带来较大误差。 要精确计算复合地基沉降变形量，必须对复合地基应力场和位移场的真实 分布情况有透彻的认识。到目前为止，对c f g 桩复合地基沉降计算还很不成 熟。 1 2 高速铁路地基处理技术在国内外发展现状 对于在路堤荷载下的c f g 桩复合地基沉降计算理论，现阶段还不成熟。 原因在于，已有的沉降计算是以桩一土有相同的应变为假设前提条件。在柔性 荷载下，桩与土的应变不一致，桩相对于土有“上刺”和“下刺”的位移，基 础具有调整复合地基桩土荷载分担的作用，给定褥垫层厚度和给定荷载条件下， 置换率相通时，基础刚度不同，则桩土荷载分担比例不同。基础刚度越小，桩 土应力比越小，桩分担的荷载越小。工业与民用建筑工程通常基础都具有足够 的刚度，在合理褥垫层厚度条件下，基础具有让桩多承担荷载的作用，复合地 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 基桩土应力比大于1 ，如图1 1 所示；在路堤等柔性荷载下，只有填土荷载没 有基础，桩土应力比等于1 1 9 1 。一般应在桩顶设置具一定“流动性的”褥垫层， 如砂、碎石等散体材料；在褥垫层上再设置有足够刚度的垫层，如混凝土板， 加筋碎石垫层等，如图1 2 所示。 煞础 素砼 褥憋 p ll 2 毖么纪么么施缓么么么笤磁後纥么绥物 了j ，一 岛魏礤捌 二j j ： ； ! ：； l 薹 乏气 矿 皇j ；桩 _ ；：三j ：， 桩 ：t 。桩阔麓：阀 鹫 ：薯土 毫。； 主 童。 爱 未： ， ：囊 鼗 ；：事 ：专 ； ：。2 擘 7 毒 0 k ：二二 ? 路堤荷载p 川、川川、y 、 川，wwv 、 陵麓鬟墨i 瑟妻麴婆萼 孽篡鬟鬟复蒌鬻载譬i 誊誉 森 垫层 桩植 蚋土l 搁土 图1 - 1 常见的c f g 桩复合地基基本结构图1 _ 2 路堤荷载下c 阳桩复合地基 1 2 1 国外研究状况 对于国外的高速铁路技术，最先开始研究的有日本的新干线技术、德国的 市内快速i c e 和法国的t v g 1 0 。1 1 1 ，世界各国高速铁路都十分重视路基沉降控 制。 1 9 5 9 年，日本开始国内的高速铁路“新干线( s h i n k a n s e n ) ”的建设，用来 连接东瀛四岛的主要城市。在高速铁路的土木工程等方面积累了许多值得借鉴 的经验，日本在处理软土地基方面的方法主要分为二类：一是地基改良施工方 法：如换填、堆载、直角排水、压缩法、夯实法等；二是地基处理如反压护道 法、缓速填筑法、表层加固法、填土加固法、采用轻质填料法等。日本修建高 速铁路初期拟定的工后总沉降为1 0 c m ，年沉降量3 c m 而在后来修建高速铁 路时，工后沉降已按3 c m 控制，对无碴轨道工后沉降的控制更为严格【3 z 】。 德国铁路规范第m 8 3 6 0 5 0 2 节规定，当线下结构或地基不满足沉降变形和 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 稳定要求时，必须进行加固或改善。德国铁路规范给出的、通常采取的地基加 固措施有：换填土；( 通过物理或化学方法进行的) 土的固化和改良；振动沉管 法：碎石桩、砾石砂土桩、素混凝土桩、粉喷桩、高压旋喷桩等类似的桩，高 压灌浆加固【亿2 1 】 4 7 - 4 8 ，对路基有了较高的要求，认为在列车开始运行后，路 基工后总沉降不应大于l c m ，年沉降速率不应超过2 m m ，并应避免在短距离 内发生不均匀沉降，在桥台附近不应有任何不均匀沉降。 1 2 2 国内研究现状 路堤荷载作用下c f g 桩复合地基随着高速铁路的发展，实践中被广泛的 运用，对于复合地基理论，由于其系统复杂，桩、桩间土及其相互作用使得复 合地基的应力场位移场分布难以定量描述，桩土荷载分担问题也仅能根据工程 经验来定性把握。 目前，研究c f g 桩复合地基有如下手段：室内模型试验、离心试验、现 场试验、在一定假设条件下的公式推导也就是解析方法、由单桩静载荷试验推 断多桩下复合地基的力学变形性能。 吴慧明等【2 2 1 ( 2 0 0 4 ) 现有沉降理论在不同刚度地基中的应用，从模型试验和 理论计算进行了研究，指出在桩土变形不一致的柔性基础下，现行复合地基沉 降理论计算误差很大，出现上述情况的原因是复合模量法将桩土的模量按面积 加权综合考虑，充分考虑了桩强度的发挥，这些假设比较符合刚性基础下复合 地基变形得实际情况。而在柔性基础下，桩和土的变形有不协调得趋势，桩有 相对刺入柔性基础中的趋势，桩的强度并不能充分发挥。 董必昌、郑俊杰【2 司( 2 0 0 2 ) 分析了c f g 桩复合地基沉降变形模式，推导出 一种考虑桩一土一垫层相互作用的沉降计算方法以及桩、土应力比公式，该沉 降计算方法充分考虑了桩土之间的相互作用即摩擦阻力的作用，在中间过程中 还可方便的求出等沉面位置以及桩土应力比等参数，并进一步对其进行了数值 仿真，得到的模拟值与计算值较为一致，结果证实了该沉降计算公式的可行性。 李海芳等( 2 0 0 5 ) 通过假设位移模式，考虑桩土相互作用，从力学角度推导 了路堤荷载下复合地基桩侧的摩阻力分布及加固区压缩量的解析解，并获得了 桩土应力比的解析表达式洲。 黄晶( 2 0 0 8 ) 针对中国客运专线在软土和松软土地基处理中大规模采用高强 度桩复合地基技术的应用情况，利用土工离心试验设备进行路堤荷载作用下高 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 强度桩复合地基试验，由试验数据得出了c f g 桩复合地基在路堤荷载作用下 的变形特征和受力特征。当高强度桩复合地基的下卧层为较硬持力层时，宜设 置3 倍桩径的桩间距；另外，如果既要把桩间距变大，又要使复合地基稳定地 发挥其承载力，于桩顶加设桩帽是一个很好的选择，这也应该是今后复合地基 研究工作中的一个重点课题刚。 章定文等( 2 0 0 8 ) 运用数值分析分析了路堤荷载下d j m - p v d 复合地基固结 机理和桩土应力分配特性。数值计算中采用单元体模型来代表复合地基，数值 分析结果表明：路堤荷载下，d j m p v d 复合地基上部中桩间土沉降大于桩体 沉降，桩端附近桩体沉降大于桩间土沉降，存在桩土差异沉降，桩土差异沉降 使得桩间土承担荷载和桩体承担荷载相互转移：复合地基的桩体应力集中、桩 土应力比等均与桩土差异沉降的发展密切相关；d j m p v d 复合地基的固结机 理主要包括3 部分：排水板的排水效应、粉喷桩的应力集中效应以及桩土间荷 载转移形成的孔压梯度，三者均能加速地基的固结，减小工后沉降i 刎。 李国维( 2 0 0 5 ) 通过现场实测数据表明柔性基础下的复合地基桩土应力比要 比刚性基础下小得多，其根本原因就在于柔性基础并不强迫桩沉降量与桩间土 相同，因此荷载并不会大规模向桩项转移。柔性基础下的复合地基桩间土的承 载力要比天然地基高的多，除了土的固结使桩间土承载力提高外，另一个重要 原因是桩的负摩阻力对桩间土承载力产生了增强作用。桩土应力比小，意味着 柔性基础下的桩间土与刚性基础下相比分担了更多的荷载，可以预料，随着荷 载的进一步增加，由于桩间土比桩承载能力小得多，桩间土必将首先破坏l ，j 。 杨涛( 2 0 0 3 ) 采用复合本构有限元和传统有限元两种计算模型，通过不同桩 土模量比和置换率条件下复合地基、双层地基、人工均质地基下卧层沉降与天 然地基相应计算结果的比较，得出复合地基下卧层的沉降要比相应的天然地基 大，也就是说加固区的存在并不能使下卧层中的附加应力在天然地基的基础上 进一步扩散，这是桩土间相互作用的结果。复合地基下卧层的沉降特性与双层 地基存在着显著差别，双层地基下卧层的沉降要比相应天然地基小，说明其下 卧层中的附加应力与天然地基相比发生了扩散。二者沉降特性的差异表明，复 合地基- f i l l - 层沉降计算不能采用基于双层地基模型的各种计算方法睇驯。 关云飞等通过现场试验实测沉降值验证了采用有限差分模拟结果的可靠 性，然后对影响c f g 桩复合地基沉降的因素分别进行变化计算，得出增加桩 长、减小桩间距、增大垫层模量和厚度都可以有效减小路堤沉降，但过分利用 这些因素减小沉降并不现实和经济，桩长、桩间距、褥垫层模量和厚度都存在 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 合理的取值p 圳。 肖伟等( 2 0 0 8 ) 以京津城际永乐站c f g 桩复合地基加固工程为背景，采用有 限元a n s y s 程序对该复合地基沉降进行了分析，得出c f g 桩复合地基最终沉 降在9 m m 左右，远小于相应的天然地基沉降，通过数值模拟c f g 单桩承载力 现场荷载试验来确定计算参数的方法是可行的，能为复合地基群桩分析提供可 靠的参数【3 0 1 。 刘升传( 2 0 0 8 ) 等着手研究适合于高速铁路复合地基的柔性载荷试验方法， 模拟高速铁路柔性加载的特征，通过数值分析对比了刚性荷载和柔性荷载作用 下c f g 桩土应力、位移分布隋况；通过现场载荷试验对设计方案进行了验证， 研究了高速铁路c f g 桩复合地基的承载力特性，结果证明柔性载荷试验是可 行的，能合理的模拟高速铁路c f g 桩复合地基承载特性，可为柔性基础下c f g 桩复合地基的设计提供基础【3 。 刑杨( 2 0 0 8 ) 通过现场静载荷试验，在荷载板和c f g 桩复合地基( 或褥垫层) 之间加入一层橡胶板来进行柔性基础下的静载荷试验。对比分析了刚性与柔性 荷载作用下，c f g 桩复合地基中桩土与土体承担荷载比例，桩土位移情况；同 时运用有限元软件a n s y s 对单桩情况下四种结构形式的静载荷试验进行模 拟，得出褥垫层的有无对于c f g 桩复合地基桩土荷载分担和沉降量变化有一 定影响，刚性单桩复合地基结构形式和柔性单桩复合地基结构形式在桩土荷载 分担及沉降量变化上也有一定的差异【3 2 】。 元翔( 2 0 0 8 ) 采用g e o s l o p e 有限元计算程序对路堤荷载下c f g 桩复合地 基特性进行了研究，分析了不同的复合地基处理方案，如水泥土、桩帽网和桩 板方案对沉降规律和桩土应力比的影响。研究表明复合地基处理方案为水泥土 方案是路基沉降量最大、桩土应力比最小，地基面有明显沉降盆。文章最后提 出复合地基的沉降主要由桩端土沉降引起的，基础刚度越小，桩端土沉降占总 沉降的比例越小；为控制工后沉降及施工期，建议采用桩板方案p 3 。 自上世纪9 0 年代以来，我国成功开发了轨枕埋入式、板式和弹性支承块 式无碴轨道结构，并在秦沈客运专线、西康线、渝怀线及赣龙线成功铺设了试 验段 3 4 - 3 s 。2 0 0 2 年，铁道部设立高速铁路桥梁、隧道及路基地段无碴轨道研 究课题，对无碴轨道技术进行系统研发。最近，铁道部先后在隧渝、武广、郑 西及京津城际等线路设立无碴轨道综合试验段，采用自主研发或中外联合设计 的方式，进行系统试验研究。我国第一条新建客运专线，秦沈客运专线于2 0 0 2 年正式运营通车，设计时速为3 0 0 k m h ，实际运行速度为2 0 0 k m h ，跨区间铺设 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 无缝线路，并试铺了无碴轨道，对于软土地基常用的处理方式为c f g 桩；石 郑客运专线是规划中北京一武汉一广州一深圳客运专线的组成部分，线路全长 3 7 0 0 9 k m ，设计时速为3 5 0 k m h ，全线全部铺设无碴轨道，沿线软土及松软土 等土质地基分布广泛，为了满足路基沉降控制标准的要求，对松软地基进行了 地基处理，处理措施原则上以复合地基法为主，加固深度原则上均穿透软土或 松软土层。武广客运专线【3 6 j 正线全长9 6 8k m ，路基长度3 8 8k m ，占线路长度的 4 0 0 8 。正线轨道一次铺设跨区间无缝线路，全线铺设无碴轨道。设计速度 3 5 0 k m h ，是目前我国已开工建设线路里程最长、技术标准最高的客运专线铁 路。武广客运专线软土及松软土地基分布较广，层位差异较大，拟用桩板结构、 钢筋混凝土桩网结构、c f g 桩复合地基进行加固，得出桩板结构是一种更优越 的工程措施，但作为一种新型地基处理方法，其适用性有待进行更多、更深入 的试验研究，其沉降计算( 尤其是下卧层为土层) ，目前尚没有成熟的计算方法， 更有待进一步研究刚。驯。 纵观以上国内的研究可见，在柔性基础下的桩体复合地基的工作性状以及 桩土应力比与基础刚度关系等的定性方面有了取得了很多成果。但切实可行， 简单实用的计算方法尚未能形成。 1 3 本文的研究内容和目标 通过以c f g 桩处理高速铁路无碴轨道软土地基的现场试验，针对c f g 桩 筏结构，即桩径0 5 m ，间距1 8 m ，正方形布置，每排18 根桩，共2 7 排。桩 顶标高3 9 5 m ，桩底标高1 9 4 m ，桩顶设0 1 5 m 厚碎石垫层，其上在中心2 3 9 m 范围内设0 5 m 厚钢筋混凝土板，钢筋混凝土板两侧各设置4 5 m 宽、0 6 m 厚 的碎石垫层夹两层土工格栅，进行综合分析。对c f g 桩处理软土地基的沉降 数据进行观测，对路堤沉降过程进行全程观测，并运用双曲线法进行拟合与预 测，进而确定铺轨时间，对为今后相似工程提出一定的参考价值；在此基础上 提出了复合地基优化设计方案，主要从扩展桩间距和减小钢筋混凝土板厚度两 个方面进行优化。 本文创新点： 1 对现场试验的各元件测试数据进行分析，对路堤填筑期间、静置期间 沉降特征进行分析，得出路堤填筑期间沉降发展很快，静置期间沉降速率放缓， 静置9 0 天后，沉降趋于稳定，到达了用c f g 桩处理软弱地基并使沉降提前发 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 生的加固效果； 2 对柔性荷载作用下的c f g 桩筏复合地基进行了2 d 有限元分析，得到 复合地基沉降满足双曲线规律； 3 扩展桩间距对下卧层沉降影响甚微，对加固区沉降变化影响较大： 4 运用有限元进行优化计算，建议可以将桩间距扩展至2 1 m ，具有较大 的经济效益。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第二章c f g 桩筏结构在高速无碴轨道路基中的沉降 现场测试 2 1 试验简介 为了弄清路堤荷载作用下桩筏结构c f g 桩复合地基在施工期间和预压期 以及工后沉降的规律，本课题以京沪高速铁路京徐段河北青县李窑d k l 9 0 + 0 0 6 7 5 d k l 9 0 1 3 7 0 1 1 松软地基为试验段，展开对沉降变形的观测现场足尺 试验。对c f g 桩筏结构形式沉降控制效果进行测试，从而在深厚层可压缩地 基条件下，推广适合高路堤c f g 桩筏结构复合地基。 2 1 1 路基沉降控制标准 高速铁路路基上铺设无碴轨道的核心问题是变形沉降控制，无碴轨道对沉 降变形特别敏感，特别是不均匀沉降【3 9 1 。试验段铺设无碴轨道，无碴轨道地段 路基、可压缩性地基均应进行沉降分析。按文献4 9 第4 1 4 条：路基在无碴轨 道铺设完成后的工后沉降，应满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求。工后沉 降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15 m m ；沉降比较均匀、长度大于2 0 m 的路基，允许的最大工后沉降量为3 0 m m ，并且调整轨面高程后的竖曲线半径 应能满足下列要求： r 幽0 4 瑶( 2 - 1 ) 式中轨面圆顺的竖曲线半径( m ) ； 1 7 7 盯设计最高速度( k m h ) 。 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 梁或隧道折角不应大于1 10 0 0 。 2 1 2 试验段地理位置 本现场试验段为高速铁路正线，京沪客运专线北段京徐段，d k l9 0 - 1 - - 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 1 2 4 d k l9 0 + 3 5 6 。2 ，该段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 7 2 m ，分层 填筑，预压土高度为3 5 m 。地质纵断面参见图2 1 所示，自上而下主要地层情 况为f 4 1 】： 表2 - 1 试验现场土层地质条件 名称 厚度( m ) 描述 基本承载力( k p a ) 黏土o 1 3黄褐色，硬塑 12 0 粉质黏土 1 4 - - - - 2 4黄褐色灰褐色，软塑硬塑13 0 粉土 1 7 3 7黄褐色、黑灰色，密实，潮湿16 0 粉砂 0 - - - , 4 7 灰黑色，稍密中密，饱和9 0 1 1 0 细砂 9 5 13 9黄褐色浅黄色，密实，饱和2 0 0 粉质黏土 3 3 , - - - , 4 6黄褐色，软塑，含铁锈斑纹14 0 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 1 0 9 ( 地 震基本烈度为度) 。土壤最大冻结深度0 7 m ，见图2 1 。 图2 - 1 地质纵断面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 1 3c f g 桩筏结构形式 该试验区段为桩筏结构，桩径0 5 m ，间距1 8 m ，正方形布置，每排1 8 根桩，共2 7 排。桩项标高3 9 5 m ，桩底标高1 9 4 m ，桩顶设0 1 5 m 厚碎石垫 层，其上在中心2 3 9 m 范围内设0 5 m 厚钢筋混凝土板，钢筋混凝土板两侧各 设置4 5 m 宽、0 6 m 厚的碎石垫层夹两层土工格栅。 2 1 4 试验元器件 图2 - 2 桩筏结构断面示意图 为了观测桩土差异变形，c f g 桩桩体变形和路堤整体变形，进行了单点沉 降计、液位沉降计和沉降板三种元器件的测试。 2 1 4 1 单点沉降计 单点沉降计由位移计、锚头、法兰沉降盘、测杆等部件组成，适用于测量 锚头与沉降盘之间土体的变形位移。 表2 - 2 单点沉降计埋设情况 元器件名称 元器件编号埋设标高( m )位置描述埋设日期 单点沉降计 b 1 d c 1一1 9 4 ，地面下2 3 4 m路基中心上，两桩中心，桩底处2 0 0 7 1 1 1 3 1 7 单点沉降计 b 1 一d c 2- 2 0 4 ，地面下2 4 4 m路基中心旁，两桩中心，桩底l m 处2 0 0 7 1 1 1 3 - - 1 7 单点沉降计 b 1 d c - 3- 2 3 4 ，地面下2 7 4 m 路基中心旁，四桩中心，桩底4 m 处 2 0 0 7 1 1 1 3 1 7 2 1 。4 2 液位沉降计 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 连通液位沉降计是一种智能数码电感调频的总线型位移计，由液缸、浮筒、 精密液位计、保护罩等部件组成。适用于测量参考点与测试点之间土体的相对 位移，主要用于路堤、大坝的单点沉降、线形沉降和剖面沉降等精密测量。 裘2 - 3 液位沉降计埋设情况 元器件名称元器件编号埋设标高( m )位置描述埋设日期 液位沉降计b 1 y j 一13 9 5左路肩外6 - 7 m ，两桩中心2 0 0 7 11 。2 5 2 7 液位沉降计 b 1 二y j 23 9 5左路肩外6 7 m ，桩顶2 0 0 7 11 2 5 2 7 液位沉降计 b 1 0 ，j 33 。9 5 左路肩旁，两桩中心 2 0 0 7 1 1 2 5 2 7 液位沉降计 b 1 - y j _ 43 9 5 左路肩旁，桩顶 2 0 0 7 11 2 5 2 7 液位沉降计 b 1 、，j 一53 9 5 左线中心旁，四桩中心 2 0 0 7 11 2 5 2 7 液位沉降计 b 1 一y j 63 9 5 左线中心旁，两桩中心 2 0 0 7 11 2 5 2 7 液位沉降计 b 1 、，j 73 9 5 左线中心旁，四桩中心 2 0 0 7 11 2 5 2 7 液位沉降计b 1 - 、，j 8 3 9 5 路基中心旁，两桩中心2 0 0 7 11 2 5 2 7 液位沉降计 b 1 二y j g 3 9 5 路基中心旁，桩项2 0 0 7 11 2 5 2 7 液位沉降计 b 1 y j 1 03 9 5路基中心，两桩中心2 0 0 7 1 1 2 5 2 7 2 1 4 3 沉降板 沉降板监测沉降板埋设点处土层的沉降。沉降板埋设在路堤顶面，预压土 之下，用于测量路堤表层的沉降量。 观测系统由钢底板、金属测杆( 咖4 0 m m 镀锌铁管) 及保护套( 由7 5 m m p v c 管) 组成。钢底板尺寸5 0 c m x 5 0 c m xlc m ，采用水准仪按二等测量标准测量沉 降板沉高程变化。精度基本满足要求，可靠，后期读数人工工作量大，读数时 受风等气候条件的干扰影响大。地面上的沉降板和保护管对路堤填筑施工有一 定干扰，施工期间存在沉降管的保护工作。 表2 - 4 沉降板安装情况 元器件名称元器