（地质工程专业论文）京津城际轨道交通北京试验段cfg桩复合地基沉降特性研究.pdf

中文摘要 摘要：京津城际是我国首条开通速度达3 5 0 k m h 的客运专线，线路采用无砟轨道 博格板技术，工后沉降应控制在2 5 m m 以内，路基采用c f g 桩复合地基处理形式。 基于国内外尚无高速铁路的c f g 桩复合地基的工程实例，本文依托“客运专线路 基沉降控制措施及变形观测技术研究 课题进行北京段c f g 桩复合地基沉降特性 研究。课题通过对比不同位置桩土应力比及桩土沉降差异，评价了c f g 桩复合地 基在北京段应用效果；并通过m a r c 有限元软件，研究了桩长、桩距、挚层厚度 及模量等参数对复合地基沉降特性及桩土应力的影响程度，并提出了合理的设计 参数。通过以上研究，得到了以下初步结论： 1 、桩承担着大部分荷载，在堆载过程中，桩的部分荷载转移到土体；在该地 区填筑路基，其产生的超孔隙水压力很小；在监测段时间内，堆载时间段的沉降 量最大，而卸载后，沉降量就很小。 2 、路基荷载作用下c f g 桩复合地基沉降呈倒钟形，在路基中心线处，路基 表面沉降达到最大，随着距路基中心线距离的加大，路基表面沉降逐渐减少，靠 近边界区域地基表面产生少量的隆起，桩顶部有上刺现象。 3 、桩长越长，复合地基沉降就越小，但桩长一定长度时，桩长对沉降的影响 就很小；桩长越长，桩土应力比越大，越能过发挥桩的作用；桩间距越大，复合 地基的沉降也越大，桩土应力比也随着桩i 日j 距的增加而增大：沉降最随挚层模量 增加略有减小，但模量越大，桩土应力比越大；挚层厚度对沉降的影响并不显著， 更多的作用是调整桩、土之间的应力。 关键词：京津城际；c f g 桩复合地基；沉降特性；桩土应力比；数值计算 a b s t r a c t a b s t r a c t ：b e i j i n g t i a n j i ni n t e r c i t yr a i lt r a f f i cw a st h ef i r s tp a s s e n g e rl i n eo p e n e di n c h i n ai nw h i c ht 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 ka n dc f g - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n w e r ea p p l i e d t h ep 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 d b ec o n t r o l e dw i t h i n2 5 m m b a s i n go nt h eg a po fc f g - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na p p l i e di nh i g hr a i l w a y , s e t t l e m e n t c h a r a c t e r so fc o m p o s i t e f o u n d a t i o nw a ss t u d i e db e t w e e nb e i j i n gt e s ts e c t i o n ，w h i c h r e l i e do nt h es u b j e c t - - s t u d yo ns u b g r a d es e t t l e m e n tc o n t r o lm e a s u r e sa n dd e f o r m a t i o n o b s e r v a t i o nt e c h n o l o g yi np a s s e n g e rl i n e t h e n ，t h ee f f e c to fc f g p i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o na p p i l e di nb e i j i n gs e c t i o nw a se v a l u a t e d ，b yc o m p a r i n gp i l e - s o i ls t r e s sa n d s e t t l e m e n td i f f e r e n c e si nd i f f e r e n tl o c a t i o n ；a tt h es a m et i m e ，t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c t s e t t l e m e n tc h a r a c t e r sa n dp i l e - s o i ls t r e s sw e r er e s e a r c h e da n dar e a s o n a b l ed e s i g n p a r a m e t e r sw e r em a d e t h ef a c t o r st h e ya r et h el e n g t h 、p i l ep i t c h 、m o d u l u sa n dt h i c k n e s s o fc u s h i o n b a s e do nt h ea b o v es t u d y ，s o m ec o n s l u s i o n sa l eb e l o w ： 1 、m o s to ft h el o a dw a sb e a r e db yp i l e ，b u td u r i n gt h ep r o c e s so fp r e l o a d i n g s o m el o a d w a st r a n s f e r r e df r o mp i l et os o i l ；u l t r a - p o r ew a t e rp r e s s u r ec a u s e dw a sl i t t l ei nt h e r e g i o n ；t h es e t t l e m e n tw a st h el a r g e s td u r i n gt h ep r e l o a d i n ga n di tw a s l i t t l ea f t e rt h el o a d r e m o v e d 2 、t h es e t t l e m e n tc h a r a c t e r so fc f g - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nc a u s e db ys u b g r a d el o a d w e r ei n v e r t e db e l l s h a p e d ；t h es u r f a c es e t t l e m e n tw a st h el a r g e s ta tt h er o a d b e d c e n t e r l i n e ；w i t ht h ed i s t a n c ef r o mt h er o a d b e dc e n t e ri n c r e a s e i n g ，s e t t l e m e n tr e d u c e d g r a d u a l l y ；t h e r ew a s l i t t l eg r o u n du p l i f tc l o s et ot h eb o r d e rr e g i o n 3 、t oac e r t a i nl e n g t h ，t h er e l a t i o n s h i pb e r w e e ns e t t l e m e n ta n dp i l e - l e n g t hi si n v e r s er a t i o ； t h el o n g e rl e n g t h ，t h eg r e a t e rp i l e - s o i ls t r e s sr a t i oa n dt h er o l eo fp i l e ；t h el a r g e rd i s t e n c e b e t w e e np i l e t h el a r g es e t t l e m e n ta n dp i l e - s o i l s t r e s s ；w i t hc u s h i o nm o d u l u si n c r e a s e d ，t h e s e t t l e m e n tr e d u c e ds l i g h t l y ；b u tt h ep i l e - s o i ls t r e s sr a t i oi n c r e a s e ，t h ei m p a c to fc u s h i o n t h i c k n e s so nt h es e t t l e m e n ti sn o ts i g n i f i c a n t ，b u tt h ep i l e - s o i ls t r e s sr a t i oi sn o t i c e a b l y a f f e c t e db yt h ec u s h i o nt h i c k n e s s k e y w o r d s ：j i n g - - j i ni n t e r - c i t yr a i l w a y ；c f g - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；s e t t l e m e n t c h a r a c t e r s ；p i l e s o i ls r e s sr a t i o ；n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：峦风姊吻芪 导师签名： 签字日期：7 卯髟年歹月殄日 签字日期：d 叫声月i 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：釜慰枷签字日期： 劢6 孑年j 7 月叼。日 致谢 本论文的工作是在我的导师王连俊教授的悉心指导下完成的，王连俊教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢二年来 王连俊老师对我的关心和指导。 在论文撰写期间，沈宇鹏老师、丁铭绩博士对我论文中的研究工作给予了热 情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 在项目现场的工作中，陈祥老师、刘升传、姜龙、丁桂伶等师兄师姐以及陈 菲、邢杨、魏朝霞等同学给了我很大的帮助，在此向他们表示感谢。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 研究背景 第一章绪论 1 9 6 4 年1 0 月1 日，世界上第一条时速2 0 0 k i n 的高速铁路在同本建成，随后， 法国、意大利、德国、英国、西班牙、瑞典等发达国家也纷纷建起高速铁路。世 界高速铁路的发展方兴未艾，在欧洲根据规划，2 0 2 0 年将形成一个新建高速铁路 1 0 0 0 0 k m 和改建既有线1 5 0 0 0 k m 的遍及全欧的高速铁路网。美国加利福尼亚州和 佛罗罩达州均将建造高速铁路。 京津城际轨道交通工程是中长期铁路网规划中的一条重要快速通道，设 计时速3 5 0 公罩，全程直达运行时间为3 0 分钟以内，2 0 0 8 年6 月份投入运营。京津 城际客运专线连接了北京、天津两大直辖市，线路全长l1 6 5 k m ，地处我国华北地 区，也是环渤海经济圈的中心地带。该地区是全国经济、技术最发达的地区之一。 京津城际客运专线的修建，对促进环渤海地区经济的快速发展和区域内部的优势 整合具有十分重要的意义。 京津城际轨道交通工程是我国第一条开工建设的高等级客运专线。京津城际轨 道交通工程也是我国第一条无砟轨道的铁路，对路基工后沉降有着严格的要求。轨 道采用德国的博格板技术，要求工后沉降小于2 5 m m ，因此需要对沿线的地基进行 加固处理，京津城际在设计上采取了c f g 桩复合地基技术。 c f g 桩复合地基加固技术经过数十年的科研和工程实践，已广泛应用高层建筑、 超高层建筑以及高速公路的地基处理中，因其大幅度的提高天然土层的承载力，降 低建筑物的基础沉降，在我国部分地区成为最普遍的地基处理方法之一。但其被应 用于铁路的地基处理，特别大规模的应用于客运专线，在我固尚属首次。因此需要 明确c f g 桩在铁路工程的应用效果和复合地基沉降特征。 1 2c f g 桩复合地基研究现状 1 2 1c f g 桩复合地基概述 c f g 桩又称为水泥粉煤灰碎石桩( c e m n e tf l y a s hg r a v e lp i l e s ) ，是由碎石、石 屑、砂石和粉煤灰掺适量水泥加水拌合，用各种成桩机械在地基中制成的强度为 c 5 c 3 0 的桩。而c f g 桩复合地基就是c f g 桩体、桩间土和褥挚层一起构成的刚性 桩复合地基。 c f g 桩是针对碎石桩承载特性的一些不足，加以改进而发展起来的。c f g 桩 与碎石桩区别在于：在竖向荷载作用下，桩身横向变形不显著，不会如碎石桩般 出现鼓胀破坏，并可以全桩长发挥侧摩阻力。桩落在好土层上具有明显的端承力， 桩承受的荷载通过桩周的摩阻力和桩端阻力传到深层地基中，其复合地基承载力 大幅度提高。另外c f g 桩没有像碎石桩那样的临界桩长，它可以把外荷载传到深 层地基。其与钢筋混凝土桩相比，桩体强度和刚度小很多，这样有利于充分发挥 桩体材料的潜力，降低地基处理费用。 c f g 桩复合地基试验研究是建设部“七五”计划课题，于1 9 8 8 年立题进行试 验研究，并应用于工程实践。其成果子1 9 9 2 年由建设部组织鉴定，1 9 9 4 年被建设 部、国家科委列为国家级全国重点推广项目。1 9 9 7 年被列为国家级工法，并制定 了中国建筑科学研究院企业标准，现已列入国家行业标准建筑地基处理技术规 范( j g j 7 9 - 2 0 0 2 ) 。为进一步推广这项技术，国家投资对施工设备和施工工艺进 行了专门研究，并列于“九五”国家重点攻关项目，1 9 9 9 年1 2 月通过国家验收， 该技术已在全国2 3 个省、市广泛应用。 1 2 2c f g 桩复合地基加固机理 c f g 桩复合地基的加固机理主要可概括为以下五种：桩体作用、挤密作用、 褥垫层作用、排水作用和加筋作用。 ( 1 ) 、置换作用 文献旧表明c f g 桩复合地基就桩体和桩间土的材料特性而言，原天然土的泊 松比较c f g 桩大，而桩体的强大和弹性模量远远大于桩间土，c f g 桩承担的荷载 远大于桩间土，可见被c f g 桩置换是复合地基承载力得到提高的主要原因之一。 文献瞄1 表明复合地基置换作用的大小，主要取决于桩体材料的组成，高粘结强度 桩的置换作用较大，加大桩长可使复合地基置换作用明显提高。当桩体强度超过 某一数值时，提高桩体强度对复合地基承载力没有影响，一般取桩顶应力的3 倍 即可。 ( 2 ) 、排水作用 文献表明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 桩桩体的渗透系数般在1 0 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 咱1 0 c m 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敞，有效应力增长，c f g 桩 复合地基在成桩仞期，桩体实际上已构成了固结排水通道，加速了桩周土的固结 2 过程，桩体的排水作用效果较明显。 ( 3 ) 、挤密作用 文献乜儿铲6 1 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的试验分 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 类图基本没有改变，但振密效果比较显著。 ( 4 ) 、褥挚层作用 c f g 桩桩体模量大于桩问软土，则其在荷载下的压缩变形小于桩问软土。首 先，褥挚层的存在使得桩体在竖向荷载作用下逐渐产生向上的刺入量，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，从而使桩问土承载力得到充 分的发挥，达到桩土共同承担荷载的目的。其次，褥挚层的存在减少了基础底面 的应力集中。这是因为挚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挚层厚度增加而减少。 ( 5 ) 、加筋作用 复合地基不但提高地基的承载力，而且可用来提高土体的抗剪强度，因而可提 高土坡的抗滑能力。这种人工复合的土体可增加地基的稳定性。 1 2 3c f g 桩复合地基研究现状 c f g 桩复合地基通过褥挚层与基础连接，无论桩端落在一般土层还是唪硬土 层，均可保证桩间土始终参与工作。因此，作用在基础上的荷载，将土的承载力 充分利用，桩间土和c f g 桩共同承担褥挚层传来的荷载。显然，与传统桩基设计 相比，桩的数量和工程造价大大减少。c f g 桩复合地基通过改变桩长、桩距、褥 垫层厚度和桩体配合比，可使承载力提高、沉降变形减少。加上c f g 桩不配筋， 桩身材料采用了粉煤灰，大量消耗工业废料。在降低工程成本的同时，保护了环 境，大大降低了工程造价。和桩基相比，造价可省1 2 1 3 。 阎明礼儿圳等人对c f g 桩复合地基的作用机理、设计方法、在水平荷载作用 下的承载性状进行了全面的阐述，涵盖了c f g 桩复合地基基本理论、工作机理、 设计方法、竖直和水平荷载下的承载力性状等做了系统全面的阐述。 董必昌、郑俊杰叫1 分析了c f g 桩复合地基的变形模式，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字仿真，得到的模拟值 3 与计算值较为一致，结果证实了该沉降计算公式的可行性。 娄国- 充【1 2 】【1 3 j 通过对桩式复合地基的理论分析，认为在荷载一定，其它条件相 同时，桩承担的荷载随桩长、桩截面积增加而增大，随桩距减小而增大；土的强 度越低，褥挚层越簿，桩承担的荷载越大。 张尚东【2 l 等人通过桩复合地基桩土应力比试验研究，得到桩土应力比与试验 点的荷载关系先增后减，而桩土分担荷载百分比则正好相反。 陈娟、吴西引1 4 】对桩网复合地基的加固机理进行分析，并结合自然平衡拱理 论和加筋挚层拉膜效应理论推导出路堤下桩网复合地基桩土应力比计算公式，同 时分析了各设计参数变化对桩士应力比的变化规律。 冯瑞玲1 1 5 l 等人实测了桩顶及桩间土的压力，计算出了相应的桩土应力比n 及 复合地基承载力发挥值。结果表明：( 1 ) 在相同荷载水平下，支承式复合地基中桩 体与桩问土体所承受的压力均大于悬浮式复合地基中的相应值；( 2 ) 在加荷初期， n 值增长较快，但随着桩土变形的协调，n 值趋于稳定无论柔性基础下粉喷桩复合 地基的形式如何，按土体先破坏计算的复合地基承载力发挥值更接近于工程的实 际荷载水平：( 3 ) 柔性基础下复合地基的破坏模式应为桩间土体先破坏，继而引起 整个复合地基的破坏。 王瑞光、李建光u 驯应用滑移线场理论解释了c f g 桩复合地基桩顶刺入变形的 发生发展变化过程，并推导了产生桩顶刺入变形的力学条件，为更准确地计算c f g 桩复合地基中桩土应力比提供了一条新的思路。 孙健1 等人根据c f g 桩复合地基的作用机理和特性，通过对复合地基c f g 桩 负摩阻力大小的计算，基于桩土变形协调条件，求出复合地基c f g 桩负摩阻力的 作用长度。根据负摩阻力大小和作用长度分析了在c f g 桩复合地基中负摩阻力的 危害和影响，并提出一些相应的结论和处理措施。 张忠坤驯通过对柔性单桩竖向加荷、大面积荷载作用下复合地基中心单桩轴 对称及路堤荷载作用下复合地基的有限元数值分析，探讨了临界桩长问题，得出 了桩体临界桩长不仅与桩土模量比有关，而且与荷载分布有关的结论。 潘星u 圳分析了c f g 桩复合地基加固机理及沉降模式，详细讨论了其沉降计算， 包括它的计算厚度、影响因素、压缩模量选取及附加压力计算等。提出按变形控 制理论进行变形计算有其优点。 陈东佐，梁仁旺比刚通过工程实例，对c f g 桩复合地基的设计方法进行了简要 阐述；并采用有限元a n s y s 程序对c f g 桩复合地基的应力传递特性进行了分析； 对c f g 桩体的强度和弹性模量进行了测试，对c f g 桩体、c f g 桩复合地基进行 了静载荷试验，对桩间土进行了标准贯入试验。试验和分析结果表明：c f g 桩能 够把荷载传递到深层土上：c f g 桩复合地基与天然地基的变形比随面积置换率m 4 的增大而减小，且当m l0 9 6 时，效果显著；经c f g 桩处理后的复合地基的承载力 高达天然地基承载力的2 5 倍以上。 林晖针比u 对不同材料构成的褥垫层( 相同厚度) 及同一种材料不同挚层厚度情 况进行了土压力盒试验，各桩试验结果表明，桩土应力比随着荷载的增大而逐渐增 大，随着荷载的增大，桩分担的荷载也逐渐增大。 张晶、李斌比引通过对该工程软弱土层进行复合地基处理后的静荷载试验结果， 分析了c f g 桩复合地基的承载力性状，并对单桩、桩土复合、桩间土等不同的复 合地基试验结果进行了分析对比，这些试验结果和分析结论对指导软弱土地基处 理与加固具有一定的参考价值。 冯震比驯等人通过室内模型桩试验，分析了竖向荷载对c f g 桩的水平位移、桩 身弯矩的影响。接着，运用三维有限元的方法，考虑了土体的弹塑性( p r a n d t l - - r e u s s 模型) ，以及在桩土界面处设置接触单元来考虑桩土的滑移和开裂，对模型桩进行 了模拟分析。通过现场原形实验，对分析结果进行验证结果显示轴向倚载的存在对 c f g 桩产生附加弯矩和水平位移，但在试验荷载范围内影响很小。 邢仲星、陈晓平瞄制采用有限元分析方法对采用刚性桩、柔性桩、搅拌桩处理 后的复合地基的不同情况进行了计算分析，通过对应力场、变形场、应力水平等特 性的研究认为c f g 桩复合地基的变形主要是由桩间土及桩端土的压缩组成以及 c f g 桩整个桩群的桩端应力相互影响，出现了应力叠加现象。 夏力农比副等人通过研究表明，当有桩顶荷载作用时，中性点的位置明显高于 无桩顶衙载时，下拽力也明显小于无桩顶荷载时，而且随着桩顶荷载的增加，中 性点上移和下拽力减小的趋势也很明显；桩顶荷载较小时，负摩阻力对于桩基沉 降的影响基本上是线性的；在桩顶荷载作用下，长桩比短桩的中性点位置和下拽 力的变化都小些。 李国维和杨涛瞄刮通过试验研究提出，柔性基础下的复合地基工作机理与刚性 基础下的复合地基截然不同。由于桩土应力比数值较小，桩问土分担了更多的荷 载，桩侧负摩阻力的增强作用使得桩间土承载力比较大。随着倚载增加，桩间土 必将首先破坏。桩问土承载力充分发挥，不足部分由桩承担。路堤倚载下的复合 地基设计应按变形控制。 万林海皑等人应用有限差分，对褥挚层、荷载、桩长、桩土模最比，置换率、 桩周土和桩端土模量比以及桩群等影响沉降的因素进行了系统的分析，得出：群 桩的沉降要比单桩的沉降大，置换率及桩、土性质相同的情况下，群桩的平面尺 寸越大( 桩数越多) ，群桩效应越明显，沉降量越大。 刘吉福驯通过对复合地基上部填土的力学分析推导出一个求解桩顶平面处的 桩土应力比的公式该公式表明桩顶处桩土应力比的大小与复合地基置换率桩顶处 5 桩土沉降差填土厚度填土弹性模量等关系密切。 池跃君咄圳等人讨论了桩土应力比及荷载分担比等随复合地基荷载、挚层厚度、 垫层模量、桩长、桩j 口j 距、桩问土模鼍和桩端土抗力系数等因素变化的规律计 算结果表明，竖向荷载作用下，桩土应力比随复合地基荷载、垫层模量、桩长和 桩间距的增加而增大，随挚层厚度和土体模量的增加而减小，同时也表明复合地 基的设计参数有合理的取值范围。 何结兵等瞄训利用a n s y s 程序对c f g 桩复合地基的承载与变形特性进行数值 分析，通过多种方案计算，分析研究了在不同的倚载水平、桩长、置换率、桩土 模量比、桩尖地质条件等因素下，桩土应力比和桩土荷载分担的规律。 化建新等u 根据单桩复合地基载荷试验，研究了桩土应力比随垫层厚度、垫 层材料粒径的变化趋势。 吴建奇等u 引通过c f g 桩复合地基的室内模拟试验研究，分析得出了桩长、褥 垫层、桩土应力比之间的关系。 张建伟等驯通过有限元数值模拟分析得到了桩土沉降与荷载之间的关系，获 得了褥挚层厚度及其压缩模量对桩土应力比、桩土沉降等的影响规律。 1 3c f g 桩复合地基存在的问题 c f g 桩复合地基是近几年发展起来得一种地基处理方法，它具有承载力高、沉 降量小造价低、施工方便的特点。但由于理论研究的滞后，c f g 桩复合地基理论 还存在许多问题。c f g 桩复合地基在解决高低层建筑不均匀地基差异沉降、湿陷 性黄土和灵敏土等工程问题方面，取得了可喜的成绩。但是与浅基础、桩基相比 较，c f g 桩复合地基理论还不成熟，落后于实际。目前对c f g 桩复合地基在荷载 作用下，考虑桩一土一垫层相互作用的应力场和位移场的分布规律研究较少；桩 体与桩间土如何相互作用及协调作用机制的研究也处于不成熟阶段；对于地基变 形和沉降计算没有形成统一的认识。相比之下，沉降计算远不如承载力研究得更 深入、成熟。和桩基相比，复合地基一般沉降过大，若不能合理控制沉降量，复 合地基沉降过大易使上部结构产生裂缝或倾斜，而减小沉降量需增加投资，因此 合理控制沉降量非常重要，对高速铁路路基，严格控制路基的工后沉降更是如此。 1 4 本文的研究内容及技术路线 1 4 1 本文的研究内容 6 高速铁路要为列车高速行驶提供一个高平顺性和稳定性的轨下基础，而路基作 为轨道结构的基础必须具有强度高、刚性大、稳定性和耐久性好。因此，对路基 沉降控制提出了更高的要求。然而，c f g 桩复合地基应用于城际轨道的地基处理 还没有现成的实例可供参考。因此，本文依托京滓城际轨道客运专线路基沉降控 制措施及变形观测技术研究项目，进行了以下研究： ( 1 ) 、分析研究京津城际轨道北京试验段c f g 桩复合地基桩及桩间土的沉降基 本特性；并分析桩土应力分布的关系特征。 ( 2 ) 、用m a r c 有限元软件建立c f g 桩复合地基数值计算模型，研究桩长、桩 间距、挚层模最和挚层厚度对c f g 桩复合地基沉降特性和对桩、土应力的影响。 1 4 2 技术路线 本文以京滓城际轨道北京试验段段c f g 桩复合地基为研究对象，通过室内外 试验，测出天然地基土的物理力学参数；通过对比不同位置桩土应力比及桩土沉 降差异，评价了c f g 桩复合地基在北京段应用效果；在此基础上，建立c f g 桩复 合地基计算模型，研究了桩长、桩距、挚层厚度及模量等参数对复合地基沉降特 性及桩土应力的影响程度。 7 第二章京津城际轨道北京试验段工程概况 2 1 京津城际轨道北京试验段概况 2 1 1 京津城际轨道铁路概况 京津城际轨道交通工程是我国中长期铁路网规划中的一条重要快速通道， 设计时速达3 5 0 公里，全程直达运行时间为3 0 分钟以内。 京津客运专线地处华北平原的东北部，北依燕山山脉，南接华北平原，东临 渤海湾，是连接北京、天津两大直辖市的快速铁路客运通道。全线由北京南站东 端( d k 0 + 0 0 0 ) 引出，沿京津塘高速公路通道至杨村，后沿京山线至天津站 ( d k l l 7 + 1 2 0 ) ，全长1 1 8 2 9 6 k m ，线路基本呈西北东南向展布，见图2 1 。 k 图2 1 京津客专示意图 京津客运专线是按照建设世界一流客运专线的要求，为达到承重结构的使用 寿命能满足1 0 0 年的要求，主体工程质量实现“零缺陷”，并满足高速列车开行 安全性和舒适度的要求，需解决的主要工程技术重、难点主要在于必须严格控制 路基的工后沉降和沉降率，减少过渡段的不均匀沉降，保证轨下基础刚度的均衡 过渡。 京津城际轨道交通工程，路基工程5 5 0 5 k m ，占线路总长度的4 6 5 ；除车站 到发线外，其余线路均铺设无砟轨道。其上轨道形式采用德国博格板式无碴轨道 ( 如图2 2 ) ，由大板、灌浆层和挡台组成，其结构高度4 7 4 m m 。大板长6 4 5 m ，宽 2 5 5 m ，厚0 2 0 m ；灌浆层厚3 c m ；挡台为长方形，设置于板的两侧，板与板的连接 处。大板为工厂预制，运输到现场安装铺设。在路基上铺设时，其下部基础由水硬 性材料支承层和防冻层组成，水硬性材料支承层具有刚度过渡的作用，厚3 0 c m ；防 冻层由级配碎石组成；防冻层e 们一1 2 0 n m m 2 。 圄 图2 2 博格板式轨道系统 ii i 图2 3 京津城际北京段路基结构图( c f g 桩+ 碎f i 桩) 图2 4 京津城际北京段路基结构图( c f g 桩) 9 2 1 2 京津城际轨道北京试验段地基处理方式 地基处理形式考虑不同区段地质条件的不同，采用三种地基处理形式，一种 是c f g 桩，二是c f g 桩+ 碎石桩，三是c f g 桩+ 碎石桩处理+ 部分旋喷桩( 考虑京 山线接触网回流线影响) 。其中c f g 桩径0 4 m ，桩间距1 5 m ，正方形布置，桩长 8 5 m - - 1 0 m ；碎石桩桩径0 5 m ，桩问距1 5 m ，正方形布置，桩长2 5 m - - 4 m ：旋喷 桩桩径0 6 m ，桩问距为1 5 m ，c f g 桩+ 碎石桩+ 部分区段的旋喷桩处理形式的整体 平面布置呈梅花型( 见图2 3 - 2 4 ) 。c f g 桩设计单桩承载力不小于2 0 0 k n ，碎石桩 压实系数不小于o 9 3 ，旋喷桩复合地基承载力不小于1 5 0 i o a ，无侧限抗压强度不 小于3 o m p a 。桩项设置厚0 5 m 的碎石挚层，其问铺设两层抗拉强度为1 0 0 l 喇m 带 凸点双向钢塑土工格栅。路基基床表层填筑级配碎石，厚度0 4 m ，基床底层及以 下填筑a 、b 组土( 掺加8 水泥) 。 2 1 3 地基处理施工关键技术 ( 1 ) 、路基地基处理工艺的研究 京津城际客运专线北京段路基( d l o + 9 0 0 一d l 3 + 8 0 8 ) 位于北京市二环路附 近，跨越多条城市主干道，近邻居民区和既有京山线，同时大量地下管线防护涵 施工影响，使路基不能有效连续，多种路基地基处理桩基的联合采用。另外，工 期非常紧张，更加大了施工困难。综合上面因素，在设备选型上充分考虑降噪， 既有线施工安全，每种桩基丌工前都进行了工艺试桩试验，取得了施工参数；在 大面积施工，同时施工中针对不同地下情况，又连续设计和监理单位，个别地段 又进行了换填处理，不断优化施工安排，完善施工工艺。 ( 2 ) 、路基填筑方式的改进 考虑京津客运专线铁路路基本体的特殊设计形式，表层以下基床范围内采用 a 、b 组土掺加8 水泥处理形式，同时考虑沿线路基被分割成不同段落，大型摊 铺机无法作业，水泥人工摊铺，采用了较为简单的农用旋耕犁进行翻拌，碾压采 用2 0 t 大型振动碾和2 t 小型振动碾，平整度通过推土机，人工配合整平，虽然方 法简单，但效果较理想，取得了不错的效果。确保了既有线铁路运营安全，同时 确保了附近居民正常休息。 ( 3 ) 、多项检测指标的联合应用 1 0 京津城际客运专线路基，不论在地基处理方面，还是路基基床部分的填筑上， 都采用了多项检测指标，共同控制工程的施工质量。地基处理部分：c f g 桩复合 地基检测包括低应变桩体完整性检测和单桩静载试验；碎石桩进行动力触探试验： 旋喷桩取芯进行无侧限抗压强度试验。路基填筑部分：基床底层以下采用三项检 测指标e v 2 、k 3 0 和孔隙率n ；基床底层及表层采用四项检测指标e v 2 、e v d 、k 3 0 和孔隙率。不同部位诸多检测指标的联合使用，使路基工程在施工过程中得到了 有效控制，更好的保证了路基的质量。 ( 4 ) 、采用预压方案，通过沉降变形观测数据，指导了施工 高路堤部分采用横剖管和沉降观测板，底路堤或路铌采用沉降板，按照规定 观测频率取得的数据，由铁三院和德国博格公司共同分析评估，确保路基在无砟 轨道施工前路基沉降满足要求，保证工后沉降不超过1 5 m m 。通过对观测数据的分 析评估，又为后续其它段落路基填筑施工提供了参数，不断改善了施工工艺。 ( 5 ) 、通过埋设的不同部位传感器分析了路基和地基土的地变形情况 为了更进一步了解客运专线路基不同部位的实际变形情况，在桩顶、桩间埋 设振弦式传感器，分层沉降计和沉降板，分析路基填筑各个部位的沉降和应力分 布情况，为其它今后将建的高速铁路路基设计提供更为可靠的技术数据 2 2 京津城际轨道北京段工程地质概况 2 2 1 试验段工程地质条件 ( 1 ) 、试验段自然地理概况 京津城际轨道交通北京试验段位于北京南二环，北京地区属于暖温湿润带季 风气候，四季分明，春季干旱多风沙，夏季炎热多雨，秋季天高气爽、冬季寒冷 干燥。年平均气温1 1 4 度，极端最高温度4 0 6 度，极端最冷温度零下1 7 7 度， 全年可施工。 北京试验段位于冲积平原，地形平坦，地势开阔，地面高程1 9 - - 3 0 m ，沿线 分布有坑塘，坑塘内水深1 0 - - 1 2 m ，淤泥厚0 5 , - - , 1 0 m ，左侧为公路，右侧为既 有京山线。 地震动参数根据国家标准中国地震动参数区划图g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 ，沿线地 震动峰值加速度值划分为：北京地区为0 2 0 9 ( 地震基本烈度度) ，最大冻结深 度为0 7 m 。 ( 2 ) 、试验段工程地质条件 京津客运专线全线位于华北平原的东北部。沿线广泛分布新生界第四系松散 堆积层，厚度可达数百米，市区附近局部分布厚度不等的人工堆积层。自北京至 天津，地貌由冲洪积的缓倾斜平原过渡到海陆交互堆积的冲积平原，地层特征也 随之变化。其中北京至宋家场间为冲洪积平原，宋家场至天津问为冲积平原。沿 线地平坦开阔，地势由西北向东南缓倾，海拔高程由北京的4 6 m 左右逐步下降至 天津的0 5 m 左右，相对高差一般小于2 m 。北京段主要为冲洪积地层，由永定河、 潮白河、温榆河等河流携带的大量松散物质堆积而成，成份为砂类土及碎石类土。 人工堆积层主要为杂填土、素填土、填筑土。 本段的地层分布有：1 、杂填土，厚度0 3 0 m ，黄灰色，稍密，以粉土为主， 含砖屑，灰渣