（岩土工程专业论文）高速铁路桩板、格梁结构复合地基数值模拟分析.pdf

摘要 高速、舒适、安全运送旅客是高速铁路的主要特点，它要求路基必须具备强度高、 刚度大、纵向变化均匀、长久稳定以及不易变形等优良性状。针对路基而言，过去多注 重于强度设计，并以强度作为轨下系统设计的主要控制因素。而现在强度已不是难题， 一般在达到强度破坏前，就已经出现了过大的不能容许的有害变形。因此，变形问题已 经成为高速铁路路基设计所考虑的主要控制因素。 本文以“沈哈客运专线四平车站进站口路基设计”项目为依托，基于探讨高速铁路 地基处理新方法的角度，利用非线性有限元软件m s c m a r e ，对桩板结构复合地基、桩 格梁土工格栅结构复合地基进行了不同参数组合模型的数值模拟计算。在计算中，土 体按弹塑性本构模型考虑，将轨道板、路堤以及下部地基作为一个系统，其上加组合荷 载。根据模拟结果，分析了各个模型的沉降变形规律和应力应变特点，得到了如下一些 认识： ( 1 ) 根据桩板结构复合地基的有限元数值模拟分析可知，6 组横向和8 组纵向组 合结构模型在沉降变形和应力方面均满足设计要求，稳定性均很好。从经济效益来考虑， 选择板厚0 4 m 、桩径1 0 m 、横向5 根桩、纵向桩间距为7 0 m 的桩板结构型式最优。 ( 2 ) 通过分析有限元数值模拟结果可知，桩格梁土工格栅复合结构中，铺设3 4 层土工格栅时基本能满足设计要求，但由于格梁与土工格栅接触部位应力比较集中， 格栅所承受的应力超过了其屈服应力值，存在土工格栅被拉断的可能。因此，此种组合 结构的稳定性与桩板结构相比较差。 ( 3 ) 通过改变垫层的性质可以发现，提高桩间填土和垫层的强度，可以改善格栅 的受力状态，提高结构整体的稳定性，桩格梁土工格栅复合结构也是可行的，并且可 以减少土工格栅的铺设层数。 关键词：高速铁路、复合地基、桩一板结构、桩一格梁一土工格栅结构、有限元分析 a b s t r a c t t r a n s p o r t i n gp a s s e n g e r si nt h ew a y so fh i g h - s p e e d ，c o m f o r ta n ds e c u r i t ya l et h em a i n c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - s p e e dr a i l w a y , w h i c hr e q u i r et h a tt h es u b g r a d em u s th a v et h ea d v a n c e d p r o p e r t i e so fh i g hs t r e n g t h , h i 曲s t i f f n e s s ，l o n g i t u d i n a lc h a n g e s i nu n i f o r m ，l o n g - t e r m s t a b i l i t ya n dn o t - e a s yd e f o r m a t i o n f o rt h es u b g r a d e ，s 仃e n g t hd e s i g ni sa l w a y sf o c u s e do n a n ds t r e n g t hi st a k e na st h em a i nc o n t r o lf a c t o ro ft h eu n d e r - t r a c ks y s t e m a tp r e s e n t , t h e s t r e n g t hi sn ol o n g e rap r o b l e m g e n e r a l l y t h eh a r m f u ld e f o r m a t i o nw o u l dr e a c ht o ol a r g e b e f o r et h es t r e n g t hi sd a m a g e d , w h i c hi sn o ta l l o w e d t h e r e f o r e ，t h ed e f o r m a t i o nh a sb e c o m e t h em a i nc o n t r o lf a c t o ro fs u b g r a d ed e s i g no f h i g h s p e e dr a i l w a y t a k i n g s u b g r a d ed e s i g no fs i p i n gs t a t i o ns t o pp a r a g r a p ho fs h e n - h ad e d i c a t e d p a s s e n g e rl i n e a st h eb a s i sp r o j e c t , b a s e do nt h ep 0 缸o fe x p l o r i n gn e wm e t h o d st ot r e a tt h e f o u n d a t i o no fh i g h - s p e e dr a i l w a y , t h i sp a p e rm a k e sn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h em o d e l so f p i l e - - p l a n ks t r u c t u r ea n dp i l e l a t t i c eb e a m - g e o t e c h n i c a lg r i l l es t r u c t u r ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n 、析md i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so ft h ep a r a m e t e r sb yt h eu s eo fn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e o fm s c m a r c i nt h ec a l c u l a t i o n , t h es o i li sc o n s i d e r e da st h ee l a s t i c - p l a s t i cc o n s t i t u t i v e m o d e l ，a n dt h et r a c kp l a t e ，e m b a n k m e n ta n df o u n d a t i o na r ec o n s i d e r e da sas y s t e mo nw h i c h t h ec o m b i n e dl o a di sa p p l i e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h es e t t l e m e n td e f o r m a t i o n l a wa n dt h es t r e s s - s t r a i nc h a r a c t e r i s t i c so fe a c hm o d e la r ea n a l y z e d ，a n dt h em a i n a c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so fp i l e p l a n ks t r u c t u r e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n , i tc o u l db eo b t a i n e dt h a t6g r o u p sh o r i z o n t a la n d8g r o u p sv e r t i c a l c o m b i n e ds t r u c t u r em o d e la l ls a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fs e t t l e m e n td e f o r m a t i o na n d s t r e s s ，a n dt h es t a b i l i t i e so fa l lm o d e l sa r ev e r yg o o d c o n s i d e r i n gt h ee c o n o m i cb e n e f i t s ，t h e p i l e p l a n ks t r u c t u r em o d e lo fp l a n kt h i c k n e s sb e i n g0 4 m ，p i l ed i a m e t e rb e i n g1 0 m ，f i v ep i l e s i nh o r i z o n t a l ，v e r t i c a lp i l es p a c i n gb e i n g7 0 mi st h eb e s to n et oc h o o s e ( 2 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，l a y i n g3o r4 l a y e r so fg e o t e c h n i c a lg r i l i ei nt h ep i l e - l a t t i c eb e a m - g e o t e c h n i c a l 酣l i ec o m p o s i t es t r u c t u r e c o u l db a s i c a l l ys a t i s f i e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s h o w e v e r , d u et os t r e s sc o n c e n t r a t e sa tt h e c o n t a c tp a r to fl a t t i c eb e a ma n dg e o t e c h n i c a lg r i l l e ，t h es t r e s sb e a r db yt h eg r i l i ei so v e ri t s i i y i e l ds t r e s sv a l u e ，a n dt h eg e o t e c h n i c a lg r i l i em a yb ep u l l e do f fp o s s i b l y t h e r e f o r e ， c o m p a r e dw i t ht h ep i l e - p l a n ks t r u c t u r e ，t h es t a b i l i t yo fs u c hac o m p o s i t es t r u c t u r ei sal i t t l e r e l a t i v e l yp o o r 0 ) b yc h a n g i n gt h ep r o p e r t yo fc u s h i o n , i tc o u l db ef o u n dt h a ti m p r o v i n gt h es t r e n g t ho f f i l l i n gs o i lb e t w e e np i l e sa n dc u s h i o nc a ni m p r o v et h es t r e s ss t a t eo fg n l i ea n dt h es t a b i l i t yo f t h ew h o l es t r u c t u r e ，t h ep i l e l a t t i c eb e a m - g e o t e c h n i c a lg r i l i ec o m p o s i t es t r u c t u r ei sa l s o f e a s i b l e ，a n di ta l s oc a nr e d u c et h el a y e r so fg e o t e c h n i c a lg r i l l e k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dr a i l w a y ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；p i l e - p l a n ks t r u c t u r e ； p i l e - l a t t i c eb e a m - g e o t e c h n i c a ig r i l l es t r u c t u r e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：扣训孕v o 弘1 年彳月了 e t 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：驴m 舞扫1 年占月夕日 导师签名： 之z 瘌 年苦其je t 长安大学硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 铁路是国民经济的大动脉，承担着国家的繁重的客货运输任务。为了适应我国经济 的快速发展，在铁路既有线大面积提速的同时，也在加快高速铁路客运专线的建设。1 9 9 4 年1 2 月，我国的第一条准高速铁路一广一深铁路正式开通运营，这标志着我国的铁路 建设向高速化迈出了一大步。2 0 0 2 年秦一沈客运专线建成，2 0 0 2 年9 月国产动力分散 型“先锋号”电力动车组创造了2 9 2k m h 的中国最高的试验速度，2 0 0 2 年1 1 月国产动力 集中型“中华之星”电力机车又历史性地让中国铁路跨进了3 0 0k m h 的门槛，达到了创 纪录3 2 1 5k m h 的最高试验速度。秦一沈客运专线、遂一渝高速铁路客货共线已开始运 营，郑西、京津、温福、沪宁等客运专线也己开始建设，京沪高速铁路已经在建设之中， 这些都表明我国已经迎来了高速铁路建设的高潮。 高速铁路必须为列车的高速行驶提供一个高平顺性和高稳定性的轨下基础结构，而 路基作为轨道结构的基础，则必须具备强度高、刚性大、稳定性和耐久性好等特点，以 满足在运营条件下能将线路轨道的设计参数保持在要求的标准范围之内。因此，高速铁 路的建设对传统铁路的设计、施工和养护维修都提出了新的挑战，在许多方面都改变了 常规的设计理念。对于高速铁路路基而言，主要表现在以下几个方面【l j 。 ( 1 ) 控制变形成为路基设计的关键 过去的路基，主要按强度破坏进行设计，而现在强度己不成难题，一般在达到强度 破坏之前，可能就已出现了不能容许的过大变形。高速行车对轨道变形有非常严格的要 求，因此，控制变形已经成为高速铁路路基设计的关键。同时，高速铁路对路基的填料、 工后沉降、密实度、变形特性以及动力特性等指标的要求都高于一般的铁路。高速铁路 路基设计要求在许多方面深化和改变常规的设计思路，集中体现在：过去对路基工程主 要满足在强度设计的要求上，而高速铁路则更体现在对路基变形的控制上。 ( 2 ) 高速铁路路基是一个多层结构体系 高速铁路的线路结构，己经突破了传统的轨道道床土路基这种传统的结构型式， 既有有碴轨道也有无碴轨道。对有碴轨道而言，在道床与土路基之间，已经抛弃了将道 碴直接铺在土路基上的结构形式，而是做成了多层结构体系。对于正在建设中的高速铁 路无碴轨道，则多数采用了桩一板结构路基以及桩网结构复合地基等结构形式。 第一章绪论 ( 3 ) 列车需要与整个线路系统相互匹配 包括路基在内的轨下结构的垂直变形都集中反映在轨面上，并且直接影响着轮和轨 作用力的大小，因此，必须把轮轨系统的各个组成部分放在整个系统中来考虑。 根据以上高速铁路路基的主要特点，可以看出，控制路基变形已经成为高速铁路路 基设计的最大特点和最困难的工作。依据京沪高速铁路设计暂行规定【2 】和铁路特 殊土路基设计规范【3 】，各速度设计目标值所对应的路基工后沉降量控制标准参见表 1 1 。对板式轨道而言，因可调控的轨顶高度有限，控制标准更加严格，工后沉降的控 制值在一般地段为3 c m ，而桥路过渡段则为0 5 c m 。 表1 1 路基工后沉降标准 工后沉降控制值( c m )年沉降速率 项目 一般地段桥路过渡段 ( c m 年) 高速客运专线( 2 5 0 - 3 5 0 k i n h ) ( 无碴) 30 5| 高速客运专线( 3 0 0 3 5 0 k m h ) 532 客运专线( 2 5 0 k i n h ) l o| | 高速铁路( 2 0 0 k m h ) 1 584 i 级铁路( 1 6 0 k m h ) 2 01 05 级铁路( 1 6 0 k m h 以下) 3 01 5| 我国地域广阔，工程地质条件复杂，软土地基类别多且分布广。高速铁路客运专线 是绵延千里的带状土工建筑物，在建设中面临着大量的各种地基的处理问题。而路基工 程在施工数量、用地面积和投资比例方面都占有重要地位，因此，如何对地基进行快速 有效的治理已成为铁路快速建设中不可回避的重点问题。地基工程处理的好坏，与工 程质量、工程进度以及投资都有直接的关系，其重要性越来越多地被工程决策者和技 术人员所重视。 目前，桩板结构路基是高速铁路无碴轨道的一种新的路基结构形式。与传统的路基 形式比较，桩板结构路基即是无碴轨道一种新的路基结构形式，也是无碴轨道一种新的 地基处理技术和加固方法。此结构是介于路基与桥梁之间的一种新型的特殊结构形式， 不仅实际应用不多，而且理论研究更是远远滞后于工程应用，其工作机理目前也不是十 分清楚，既没有现成的设计理论和方法，也没有较为成熟的施工工艺和控制措施，处于 一种边实践边摸索总结的状态。在国外，只有德国和日本使用过类似桩一板的高架桥梁 结构，而关于桩板结构路基的研究文献则较为少见；在国内，主要是西南交通大学路基 课题组在对桩板结构路基的系统研究中，公开发表了一些可供参考的相关文献。 鉴于高速铁路路基工程建设的新特点及地基处理技术的发展现状，本文对桩板结 2 长安大学硕士学位论文 构复合地基和桩格梁土工格栅结构复合地基进行了大量不同参数组合模型的模拟计 算分析，以获得量化的数据，给设计和施工提供重要的数据参考和支持，对推动高速铁 路的建设和发展具有重要的意义。 1 2 国内外研究及应用现状 高速铁路无碴轨道路基的工后沉降是指铺设无碴轨道后出现的不能通过路基工程 本身加以克服的沉降。其包括地基和路堤工后压密沉降、列车动荷载作用下路堤基床产 生的累积变形。路基面的弹性变形，是指在列车动荷载作用下可恢复的变形，与基床表 面的支承刚度密切相关，采用强化基床措施则能使其控制在1 - 3 m m 。因此，路基工后 沉降的管理重点主要是地基的工后压密沉降、路堤压密沉降以及路基基床在动荷载长期 作用下的累积沉降变形。 路基基床累积变形，是指基床岩土在列车动荷载反复作用下产生的不可恢复的塑性 变形，与基床的岩土材质和压实度紧密相关。采用强化基床措施可使累积变形很小，一 般不超过5 m m 。路堤通过采用优质填料并控制压实度，则可使工后沉降较小，一般小 于路堤高度的1 1 0 0 0 ，且大部分可在竣工后乱1 2 个月完成；通过合理安排无碴轨道的 施工时间，则可减小甚至消除路堤压密沉降的不利影响。地基工后压密沉降，因受地基 岩土性质和相应地基处理措施影响较大，不确定因素多，而成为了路基工程建设管理重 点中之重点【4 】。 为了有效控制地基压密工后沉降，需要选择合理的地基加固方法。地基处理的主要 目的有两个方面：一是承载力和稳定性控制；二是变形( 主要是沉降) 控制。一般情况下， 承载力和稳定性控制不是难题，并且对此己经积累了丰富的设计与施工经验。但沉降控 制却是个大难题，也是一项复杂的系统工程。在我国，软土地基分布十分广泛，而且性 质也各不相同。目前，铁路路基工程中加固软土地基的方法有许多种，按其技术措施可 以分为：物理方法、机械方法、电化学方法、热处理法及外加剂法等；根据加固机理则 可分为加筋法、置换法、灌浆法、排水固结法及复合地基法等。一般软土地基处理的参 考方法见表1 2 5 - 6 1 。各处理方法加固软土的作用过程是非常复杂且多种多样的，根据土 的性质与结合料的种类不同而变化。一般可大体概括为化学过程、物理化学过程和物理 力学过程三种情形。根据加固方法的不同，上述的每一过程都有可能占主导地位，而这 三种过程又往往相互联系、彼此配合且相互促进。一般说来，只有产生了化学过程或物 理化学过程才能使土体的强度和稳定性得以彻底的改善。而物理过程则可以加速并保证 3 第一章绪论 化学过程和物理化学过程的充分发生【6 】。在选用加固方法时，应根据土体的物理、力学 特性，并结合当地的自然环境，对几种地基加固方法进行技术、经济以及施工进度等方 面上的比较，选出技术上可靠、经济上合理、且能满足施工进度要求的最佳处理方案。 对工程地质条件较复杂或对工程建设有特殊的要求时( 如工期) ，则可采用多种处理工法 进行联合加卧丌。 表1 2 中的软土地基加固工法都被在实际工程中广泛采用过，实践证明了这些工法 是行之有效的，但也存在一些问题，主要为：( 1 ) 地基完成固结沉降的时间太长，剩余 沉降达到满足规定工后沉降量的要求一般需要1 5 - - - 2 年：( 2 ) 准确计算出总沉降量值 还存在困难，如果预测沉降量值不准确，则由此推算出的工后沉降量也就很难准确可靠； ( 4 ) 设计方案选用的参数值与实际值有出入，影响加固效果；( 4 ) 施工工艺方面存在 缺陷。总之，上述铁路建设中常规的软基加固方法现在还存在着地基固结时间长，且难 以准确有效控制工后沉降等问题。 表1 2 软基处理的一般方法 置 密 加 灌复合地基法 种类换实筋浆砂桩 碎石桩 c f g 桩 深层干振 法法法法 石灰桩搅拌桩复合桩 表层软弱地基 、， 浅层软弱夹层地基 、， 、， 小型构造物地基 、，、， 深层软弱地基 、， 目前，铁路建设中软基加固主要采用的方法有排水固结法、堆载预压法、粉喷桩和 水泥搅拌桩加固法、真空联合堆载预压法和c f g 桩加固法等。 排水固结法辅以等载或超载预压法对高含水量、高压缩性及低强度软土是一种既经 济又合理的有效加固措施，可取得良好效果。采用堆载预压法对路基进行加固是最经济 的处理方案，不仅加固效果好，而且消除工后沉降作用明显。但由于要达到高速铁路工 后沉降控制标准所需的工期较长，无法满足高速铁路建设的需要。真空联合堆载预压法 是在真空预压法和堆载预压法的基础上发展起来的一种软土地基加固工法，其具有真空 预压法和堆载预压法的双重作用效果。通过抽真空而形成负压，当真空度达到8 0 k p a 以上时，相当于一次性施加4 , - 一5 m 高度的填土荷载，对消除软土地基工后沉降作用明 显。但这两种方法固结时间较长，由固结理论可知，粘性土固结所需的时间与排水距离 的平方成正比，即土层越厚，则固结延续的时间越长，因此，对深厚层软土地基，难以 满足铁路建设工期的要求i s 1 5 1 。粉喷桩和水泥搅拌桩具有减少桩身范围沉降变形量、减 4 长安大学硕士学位论文 少侧向变形和加快工期等优点。影响粉喷桩和水泥搅拌桩用于处理深厚层软土地基的一 个主要因素是有效桩长问题。虽然深层搅拌桩的加固深度可达1 5 米以上，但深层部位 的搅拌桩施工质量却难以保证。因此，对于深度超过1 2 米的软土地基，采用深层搅拌 桩进行处理还有待于进一步研究【1 6 _ 3 3 1 。c f g 桩复合地基中的桩体强度与素混凝土相当， 通过在基础与加固区之间铺设由散体材料构成的褥垫层来达到分配桩土荷载的效果，保 证桩土协同工作，形成复合地基，减小沉降变形量 3 4 一s l 。 由于高速铁路对线路的高平顺性、稳定性及耐久性等均提出了新的要求，其对路基 地基的总沉降、工后沉降及差异沉降量都有严格的控制要求。对传统的路基结构而言， 采用高路堤时，总沉降量及工后沉降量较大、差异沉降很难控制；若采用低路堤结构， 则动力荷载对地基的影响显著；由于动力荷载对地基的影响，工后沉降难以控制。传统 的设计方案只是将路基结构改为桥梁结构，以桥代路。一般而言，桥梁结构的横向稳定 性较差，尤其在曲线段上，横向稳定性问题是设计中考虑的主要因素。我国的高速铁路 建设规模大、线路长，工程地质条件复杂且优质填料缺乏；若整条线路都采用优质填料， 无论从投资方面还是优质填料的来源方面都存在很大困难；而桥梁结构造价又很高，在 如此的前提下，迫切需要去寻求新的路基结构形式和地基加固方法。 目前，桩板结构路基( p i l e - p l a n ke m b a n k m e n t ) 是高速铁路无碴轨道一种新的路基 结构形式。它由下部的钢筋混凝土桩基、路基本体及上部钢筋混凝土承载板组成，承载 板与上部轨道结构直接连接，桩、板固结与土路基共同组成一个承载结构体系 4 9 - 5 1 1 。 其综合了板式无碴轨道结构与桩基础结构的各自特点，充分发挥桩一土、板一土之间的 共同作用来满足无碴轨道对路基在强度和沉降变形方面的要求。在构造上，可分为上部 结构与下部结构，上部结构由扣件、钢轨、混凝土道床板( 对于板式轨道还有沥青砂浆 层) 和钢筋混凝土承载板共同组成；下部结构则由路基、桩基和地基共同组成，钢筋混 凝土承载板现浇在路基填土表层，通过钢筋与桩固结相连，形成了一种桩一板一土三者 共同作用的复合结构体系。 文献 4 9 】首次提出了桩一板结构路基的概念，对无碴轨道桩板结构路基设计的方法 及理论分析进行了简要介绍。 文献 5 0 】对客运专线土质路基桩板结构的设计及计算方法进行了系统阐述，概括了 桩一板结构路基的静态和动态设计方法，并分析了在列车动荷载作用下结构的动力响应 问题，得出了桩板结构路基的动力系数。 文献【5 l 】基于弹塑性理论研究，通过三维数值模拟方法，对桩一板结构路基在天津 5 第一章绪论 波地震荷载作用下的动力响应问题进行了阐述，其计算结果表明，在地震荷载作用下桩 板结构路基不同位置处的动位移和加速度响应基本一致，滞后现象不明显；桩底持力层 的动位移和加速度幅值略小于其它位置。相对于输入的地震加速度，桩板结构路基响应 的加速度幅值被扩大，而对应的时刻均滞后于输入的加速度最大值的时刻。在桩截面处 的承载板受力状态不利，所以在桩截面处的板截面需经过加固处理以满足抗震设计要 求。桩的存在对周围土体的动力响应具有一定的影响，但总体来看，影响程度很有限。 文献 5 2 j 1 臣过对遂渝线无碴轨道线下工程的关键技术研究，提出了桩板结构路基的 适用条件和设计方法。 文献【5 3 】通过对遂渝线桩板结构路基进行离心机模型试验，研究了桩一板结构路基 的沉降变形和工后沉降，对桩一土共同作用的问题进行了一些有益的探讨。 文献 5 4 5 6 基于遂渝线土质路基上无碴轨道综合试验段桩板结构路基设计方案，对 此类结构进行了大比例动态模型试验研究，得出了桩具有摩擦桩的特性：桩的存在，虽 然加大了路基土的动力影响深度，但改善了路基土的受力状态，表明桩板结构路基在遂 渝线上能够满足铺设无碴轨道的要求。 文献【5 7 】通过大比例动力模型试验，利用激振器加载法模拟列车荷载，计算分析了 路基浸水前后，在列车荷载长期作用下桩板结构路基动力相互作用机理及其沉降变形规 律。 文献【5 8 】对无碴轨道桩板结构路基的沉降变形进行了三维有限元模拟分析，采用 a n s y s 软件，基于弹塑性本构模型，用面一面接触单元来考虑桩一土间的接触问题； 分析了桩板结构路基沉降的影响因素及其变化规律，指出了影响路基沉降的重要参数。 文献 5 9 1 针对遂渝线桩板结构路基，通过对红层泥岩填料浸水前后的物理和力学特 性的试验研究，表明了红层泥岩散体填料在最优含水量附近可得到最大密实度，在不浸 水条件下满足高速铁路基床以下桩板结构对填料强度和变形的要求；浸水后有一定的膨 胀性，但其膨胀率远低于弱膨胀土；因压实填料具有较大的软化性，作为桩板结构路基 填料需要进行相应的防水处理措施。 文献【6 0 】通过遂渝线的现场实测试验，对c r h 动力分散型机车在桩板结构路基试 验段高速行车条件下的动响应规律进行了研究，分析了路基动力响应与列车速度之间的 关系，以及动应力沿路基深度方向的变化规律等。 文献【6 l 】概括总结了无碴轨道桩板结构路基的设计思路，探讨了桩板结构路基静 态、动态设计方法和沉降变形的计算理论。在进行了桩板结构路基离心机模型试验、大 6 长安大学硕士学位论文 比例动态模型试验及现场测试的基础上，以遂渝线无碴轨道试验段为工程背景，对其桩 板结构路基进行了具体的设计和计算，为以后在土质路基上铺设无碴轨道桩板结构路基 提供了科学依据和参考。 在国内，桩网结构复合地基是一种比较新的地基处理方法，具有很好的应用前景和 广阔的研究空间。桩网复合结构地基是由桩( 预应力管桩等刚性桩、c f g 桩) 、桩帽、网 ( 土工格栅、土工格室等) 及桩间土构成的复合结构体系。桩作为竖向加强体，能够提高 地基的承载力，减小沉降变形；同时利用桩帽和网，均化上部荷载；充分利用桩间土的 承载力，减小桩土之间的差异沉降。2 0 世纪7 0 年代，桩网结构路基产生于日本。作为 一种刚性桩加固地基工法，其具有竖向沉降变形小和变形稳定时间短的突出优点，且施 工质量容易控制，可用于无碴轨道深厚软弱地基加固、已建土质路堤的加固、无碴轨道 道岔区等地段。在中国，桩网结构路基起步较晚，工程应用最早见于上个世纪9 0 年代。 少数人对其进行了有限的研究，得出了一些有益的结果，但并未形成系统，理论研究远 远滞后于实践应用。目前，桩网结构路基在国内外均有成功应用的实例，并且桩型已由 最初的混凝土桩或经防腐处理的木桩发展成当前的钢筋混凝土预制桩、预应力管桩等多 种型式。值的注意的是，桩网结构路基能否满足修建无碴轨道的设计要求，国内尚未见 到任何相关报道【6 2 】。 国际上，日本是最早应用桩网结构路基的国家。其6 0 的软土地基是采用深层搅拌 桩桩网结构进行加固的，在北欧有8 5 的软土地基是采用深层搅拌桩桩网结构进行加固 的【6 3 】。日本石狩川广泛分布着泥炭软土，1 9 7 5 年，在其堤岸改造工程中，因雨季汛期 急需缩短工期，又需考虑软土地基等其他技术条件的影响，经研究，最后决定采用“桩 网工法”对软基进行加固，其桩是经防腐处理的木桩，网材为钢筋，这是世界上首次提 出并应用此法，因效果好，日本随后迅速将此法推广应用于铁路、公路、建筑等领域m j 。 日本东北新干线在盛冈- a 户高速线区间地段，由于地基为软弱有机质土层，无法满足 工程设计要求，经研究采用了深层搅拌桩桩网结构路基1 4 j 。 在国内，桩网结构路基已被广泛应用于公路、铁路、市政、港口码头等领域的软土 地基加固。在铁路方面，2 0 0 4 年，铁四院在一段路堤填高为5 0 5 5 m 的高速铁路试验 工点，采用了深层搅拌桩桩网结构对软土地基进行加固。在路肩范围内桩间距为1 2 m 、 边坡下桩间距为1 4 m 、排间距为1 2 m 、桩径为0 5 m 、桩长为1 5 0 - 1 7 5 m ，桩端嵌入 粉质粘土夹薄层粉砂层0 5 - - 1 0 m ，桩项面铺设厚0 5 m ( 含有强度为8 0 k n m 的土工格 栅) 的碎石加筋垫层【6 5 1 。在改建铁路沪汉蓉通道老河口东至安康段增建的二线工程中， 7 第一章绪论 对y d k 2 + 7 0 0 y d k 3 + 0 0 0 段软土地基采用了桩网结构路基进行加固。桩用预应力混凝 土管桩，桩径为0 3 m ，现浇钢筋混凝土正方形桩帽为0 9 m x 0 9 m 0 3 m ，桩间距为2 5 m ， 呈梅花形布置【鲫。此外，温福铁路在国内首次客运专线上采用了预应力管桩桩网结构路 基加固铁路软土地基【6 7 1 ；2 0 0 6 年，遂渝线在国内首次土质路基无碴轨道综合试验段上 多处采用钢筋混凝土桩网结构对软土地基进行加固 6 8 1 。 在数值分析方面，张建勋、陈福全等采用快速拉格朗日分析软件f l a c 3 d 对粉喷 桩与土工格栅联合加固地基工法进行了数值模拟，探讨了加固后地基的位移场和应力场 的变化规律，并与实际监测分析结果进行对比，得出了一些有益的结论 6 9 1 。晏莉( 2 0 0 4 ) 基于有限差分法数值模拟软件f l a c ，建立了深层搅拌桩桩网结构路基的二维平面应变 模型，通过对结构变形、应力分布及土工合成材料拉力特征的对比分析，探讨了桩网结 构路基的基本特性及其工作机理【7 0 1 。陈凯杰( 2 0 0 5 ) 运用a b a q u s 有限元软件对桩网结 构路基的工作性状进行了数值模拟分析，得出了各因素对桩土应力分布、桩土应力比、 桩土加固区沉降以及路基侧向位移的影响规律；并基于数值模拟结果，对桩网结构路基 的优化设计思想进行了一些有益的探讨【7 l 】。阎澎旺等( 2 0 0 5 ) 针对山区沟谷软基的特殊土 质，利用平面应变弹塑性有限元p l a x i s 数值分析方法，对夯实水泥土桩和土工格栅联合 加固地基的作用特性进行了分析研究，提出了用夯实水泥土桩与土工格栅联合加固的方 案来处理沟谷软基【7 2 1 。陈福全，李大勇( 2 0 0 6 ) 以一个具体的路堤工程为原型，应用 p l a x i s 8 2 数值分析软件，基于拉格朗日大变形的分析方法，研究了桩网结构加固软土地 基的变形性状，并分析了加筋材料的抗拉刚度、加筋的布置方式、桩间距和桩身刚度对 桩网结构路基性状的影响【7 3 1 。强小俊( 2 0 0 6 ) 应用有限元软件a n s y s ，考虑桩土材料的 非线性特性，对桩网结构路基的荷载传递规律、承载特性以及位移特性进行了数值模拟 分析，概括了随路堤荷载水平、桩间距和网材性质等各主要因素变化的基本规律1 7 4 。 在国内，桩板结构和桩网结构的理论探讨与应用研究基本上都是新课题，其有限的 应用却显示出非常良好的技术经济效益，有开展进一步深入研究的巨大价值。本文基于 国内外关于此两种结构的研究现状，结合铁一院“沈一哈高速铁路四平车站进站口路基 设计”项目，对桩板结构、桩格梁土工格栅结构进行了大量的有限元数值模拟分析， 得出了各个设计模型的应力应变情况，通过对比分析，推荐了一种最为合理的桩板结 构模型。 8 长安大学硕士学位论文 1 3 研究内容 本文的结构形式及研究内容如下： 第一章，绪论。首先，综述了目前我国高速铁路建设的研究和发展状况，概述了常 见软土地基的处理方法，提出了课题的研究目的及意义；其次，分析了桩一板结构、桩 网结构复合地基在国内外的研究及应用现状。 第二章，复合地基有限元分析基本理论。首先，阐述了复合地基的定义、分类及作 用；其次，概述了有限元法及其在岩土工程中的应用，介绍了复合地基有限元分析的基 本理论；最后，介绍了非线性有限元软件m a r c 的基本应用及其在模拟计算中各种问 题的处理情况。 第三章，桩板结构复合地基有限元模拟分析。首先，介绍了课题依托项目的工程 概况，给出了模拟计算的基本条件，主要包括计算模型、荷载分类、计算条件和计算参 数；其次，对各个组合结构模型进行了数值模拟计算分析及讨论，并给出了结构的配筋 计算结果：最后，对模拟结果进行了总结分析。 第四章，桩格梁土工格栅复合地基有限元模拟分析。首先，对各个组合结构模型 进行了数值模拟计算分析及讨论；其次，给出了该组合结构的配筋计算结果；最后，对 模拟结果进行了总结分析。 第五章，结论及展望。总结了本文的研究成果并提出了需进一步研究的工作。 9 第二章复合地基有限元分析基本理论 第二章复合地基有限元分析基本理论 2 1 复合地基概述 近年来，复合地基理论和实践的研究日益得到重视。从可持续发展的角度看，复合 地基技术符合在工程设计与施工中充分挖掘土体本身固有的强度潜能和自稳能力的软 基处理发展趋势；从受力性能上讲，复合地基与天然地基相比，具有承载力高、沉降和 差异沉降小等优点。复合地基的适用范围大，可根据土性、承载力要求、地下水位、地 方材料、施工环境及工业废料供应条件等方面，选择不同类型、不同桩体强度的复合地 基处理工法。基于复合地基的上述优点，其已受到学术界及工程界的广泛关注。 2 1 1 复合地基分类 复合地基( c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 的概念是日本学者在2 0 世纪6 0 年代提出的。随着 地基处理技术的快速发展，复合地基的概念也得到了很大的扩展。龚晓南【7 5 1 对复合地基 进行了较全面且准确的定义，即复合地基是指在地基处理过程中，部分土体得到增强或 被置换，或在地基中设置加筋材料，加固区由基体和增强体两个部分组成的人工地基。 按照地基中增强体的方向，可将其分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基两 类，如图2 1 所示。 荷载 i r i _ ( a ) 水平向增强体复合地基( b ) 竖向增强体复合地基 图2 1 复合地基的分类 水平向增强体复合地基主要指加筋土地基，加筋材料主要是土工织物与土工格栅 等。竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基，根据增强体的性质可以将其分为三类： 散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基及刚性桩复合地基。 散体材料桩复合地基的桩体由散体材料组成，桩身材料无粘结强度，单独不能形成 桩体，必须依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体，如砂桩复合地基、碎石桩复合地基 1 0 长安大学硕士学位论文 等。散体材料桩在荷载作用下，桩体容易产生鼓胀变形，依靠桩周土提供的被动土压力 来维持桩体平衡，承受上部荷载的作用。 相对于散体材料桩而言，柔性桩和刚性桩也可称为粘结材料桩，在荷载作用下依靠 桩周摩擦力与桩端端阻力把作用在桩体上的荷载传递给地基土体。柔性桩的桩体刚度较 小，在外荷载作用下桩体会产生一定的变形；刚性桩的桩体刚度较大，在荷载作用下桩 体变形很小，通常是通过桩体向上刺入垫层或向下刺入下卧层来达到桩土共同承担外部 荷载作用。 各种材料的桩体复合地基都具备以下两个基本特点： ( 1 ) 加固区由基体和增强体两部分组成，非均质且各向异性； ( 2 ) 在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。 上述两个基本特点，第一个是使复合地基区别于均质地基，后一个是使复合地基区 别于桩基础。在荷载作用下，桩基础中的土不承担荷载或只承担极小一部分荷载，土体 处于弹性变形阶段；而复合地基中桩和桩间土体共同承担荷载，土体承担较大的荷载， 使得部分土体在工作荷载阶段就可能产生非线性变形或达到塑性变形阶段，这就使得复 合地基和桩基础的计算方法在本质上是不同的，通过现场模型试验发现【7 6 】：在柔性基础 下复合地基中桩间土的承载发挥度远大于桩体的承载发挥度。 从复合地基的两个基本特点可以看出，在荷载作用下，增强体和地基土体共同承担 上部结构传来的荷载是复合地基的本质，然而如何设置增强体来保证基体和增强体共同 承担上部结构荷载是有一定条件的，这就涉及到复合地基的形成条件。形成复合地基的 基本条件为：在荷载作用下，增强体和基体通过变形协调，共同分担荷载，要求能够保 证土体在承载过程起到积极作用。 从荷载传递机理看，竖向增强体复合地基界于均质地基和桩基础之间。从某种意义 上讲，均质地基和桩基础是竖向增强体复合地基的两种特殊情况。当复合地基的置换率 等于零时，复合地基就蜕化为均质地基；而当复合地基桩间土强度发挥度为零时，复合 地基则蜕化为桩基础。 水平向增强体型和竖直向增强体型复合地基各有其长处，也有各自的局限性。对工 后沉降有严格要求的工程，单采用水平向增强体来处理，其沉降控制效果并不理想；仅 采用竖向增强体，要使桩承担主要上部荷载时，要求桩必须紧密布置，否则可能产生较 大差异沉降，影响路面的正常使用性能。由于实际工程地质条件的复杂多变性，加上控 制地基沉降、保持地基稳定、加快工期及节约投资等技术经济因素的制约，仅仅采用其 第二章复合地基有限元分析基本理论 中一种型式往往不能满足加固软土地基的要求。因此，应该利用两者的联合作用来达到 对软土地基加固的效果。本文模拟分析的两种模型就属于此类复合地基。 2 1 2 复合地基作用 复合地基中增强体的材料不同、施工方法不同，则复合地基的作用也不同。无论何 种型式的复合地基，均具有以下一种或多种作用。 l 、桩体作用 由于复合地基中桩体的刚度比周围土体的刚度大，当刚性基础下桩土竖向发生等量 变形时，地基中的应力按材料的模量进行分配。因此，桩体上会出现应力集中现象，大 部分荷载将由桩体来承担，桩间土承担的荷载较小，其应力也相应减小，这就使复合地 基承载力较原地基有所提高，沉降量有所减少；随着桩体刚度增加，其桩体作用更为明 显，可通过桩土应力比来体现。 2 、垫层作用 桩与桩间土共同组成的复合地基，在加固深度范围内形成复合层，可起到类似垫层 的换土效应，均匀地基应力及增大应力扩散角等作用，在桩体没有贯穿整个软弱土层的 地基中，垫层的作用尤为显著。 3 、振动挤密作用 对土桩、砂桩、砂石桩、二灰桩、灰土桩以及石灰桩等，在施工过程中由于受振动、 沉管挤