（岩土工程专业论文）客运专线cfg桩复合地基沉降特性研究.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 高速铁路是高速列车高平顺性和高稳定性行驶的轨道基础，而路基作为 轨道结构的基础，必须在运营期间将线路轨道的设计参数保持在基本要求的 标准范围之内，这就对高速铁路路基的沉降提出了很高的要求。既有研究表 明：列车行驶过程中的弹性变形、塑性变形及路基填土压实下沉，只要满足 基床及路基本体填筑材质、压实标准，其值都是有限的，而且也是可控制的。 因此，如何控制路基的沉降变形，关键在于控制地基的沉降。 。 本文从理论推导及数值分析两方面对高速铁路c f g 桩复合地基沉降展 开了系统研究。主要内容如下： ( 1 ) 综述了复合地基现有沉降计算方法的研究现状，针对现有沉降计算 公式的多样性，分别列出了各种计算方法的优缺点。 ( 2 ) 运用复合模量法( 规范法) 计算c f g 桩复合地基沉降时，讨论了 应该如何选取计算所需的桩体模量和土体模量。 ( 3 ) 通过分析c f g 桩复合地基的沉降变形过程，考虑桩土的相互作用， 引入土体压缩模量随荷载变化的计算模型，对现有复合地基沉降计算公式进 行修正，得出了复合地基沉降计算公式。 ( 4 ) 将本文方法与工程实测结果进行对比分析表明：常模量法对计算复 合地基桩土应力比是可行的；变模量法对计算复合地基沉降更适合。 ( 5 ) 利用大型有限元软件a n s y s 建立了单桩三维模型和平面应变群桩 模型，对影响c f g 桩复合地基沉降的各种因素，如桩端土和桩间土的变形模 量，桩体强度，垫层的模量及厚度，桩径和桩间距等进行了较详细的分析和 研究，并借助正交试验分析，得出了c f g 桩复合地基优化设计方案。 关键词c f g 桩复合地基，沉降，压缩模量，有限元分析，影响因素 硕士学位论文 a b s t r a c t h i g hs p e e dr u n n i n go fat r a i nn e e d sas m o o t ha n ds t a b l et r a c ks u b g r a d e a s t h ef o u n d a t i o no ft r a c ks t r u c t u r e ，t h es u b g r a d es h o u l dm a i n t a i nt h ed e s i g n i n g p a r a m e t e r sw i t h i nas t a n d a r du n d e rt h er u n n i n gc o n d i t i o n ，a n dt h i sm e a n st h a ta h i g hq u a l i t yo fs t a b i l i t yf o rt h es e t t l e m e n to fs u b g r a d ei sn e e d e d c u r r e n ts t u d y i n d i c a t e st h a ti ft h er o a d b e d f i l l i n gm a t e r i a lo fr o a d b e db o d ya n dc o m p a c t i o n s t a n d a r d sc a nb es a t i s f i e d ，t h ee l a s t i cd e f o r m a t i o n ，p l a s t i cd e f o r m a t i o ni nt r a i n t r a 师ca n dt h es e t t l e m e n ta n dc o m p a c t i o no fr o a d b e df i l l i n g i sl i m i t e da n d c o n t r o l l a b l e t h ek e yp o i n to fc o n t r o l l i n gt h es e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o no ft h e r o a d b e di st oc o n t r o lt h es e t t l e m e n to ff o u n d a t i o n t h i sa r t i c l es y s t e m i c a l l ys t u d i e dt h es e t t l e m e n to fh i g h s p e e d r a i l w a y c o m p o s i t ef o u n d a t i o no fc f gp i l e s b o t hb yt h e o r e t i c a lm e t h o da n dn u m e r i c a l m e t h o d t h ec o n t e n t sa r ed e v e l o p e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) s u m m a r i z e s c u r r e n tm e t h o do f c a l c u l a t i n gc o m p o s i t e f o u n d a t i o n s e t t l e m e n t ，l i s t st h ea p p l i c a b i l i t ya n dc h a r a c t e r i s t i co ft h e s em e t h o d ss e p a r a t e l y a c c o r d i n gt ot h em u l t i f o r m i t y ( 2 ) c e r t i f i e st h a tb e c a u s eo ft h ea m b i g u i t yi ns e l e c t i n gc o m p o s i t em o d u l e ， w h e nc a l c u l a t i n gt h es e t t l e m e n to fc o m p o s i t ef o u n d a t i o no fc f gp i l e sw i t ht h e m e t h o do fc o m p o s i t em o d u l e i ti sd e f o r m a t i o nm o d u l u so fc f gp i l e ss h o u l db e s e l e c t e da sc o m p o s i t em o d u l eo ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ( 3 ) c o r r e c t se x i s t i n gf o r m u l a so ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o no fc f gp i l e s ，a n d o b t a i n sf o r m u l a st oc a l c u l a t et h es e t t l e m e n to fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，b y a n a l y z i n gt h es e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o nc o u r s eo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o no fc f g p i l e s ，c o n s i d e r i n gt h ep i l e s o i li n t e r a c t i o n ，a n di n t r o d u c i n gt h ec a l c u l a t i n gm o d e l s o fs o i lc o m p r e s s i o nm o d u l u sw h i c ha r ec h a n g i n gw i t hl o a d s ( 4 ) c o m p a r e st h er e s u l t so ft h e s em e t h o d sw i t hp r a c t i c a ld a t a t h er e s u l t s i n d i c a t et h a ti ti sa v a i l a b l et oc a l c u l a t ep i l e - s o i ls t r e s sr a t i oi np r a c t i c a lb yu s i n g t h ef i x e dc o m p r e s s i o nm o d u l u sm e t h o d h o w e v e r , i ti sm o r es u i t a b l et ou s e v a r i o u sc o m p r e s s i o nm o d u l u sm e t h o dt oc a l c u l a t et h es e t t l e m e n to fc o m p o s i t e f o u n d a t i o no fc f g p i l e s ( 5 ) e d u c e so p t i m a ld e s i g nb yu s eo fo r t h o g o n a ld e s i n ge x p e m l i n e t a r t n i n ， a n d t h r o u g hs e t t i n gu p 3 一d s i n g l e d p i l e m o d e la n d2 一dm a t h e m a t i c a l g r o u p e d p i l e s m o d e li n a n s y s ，a n a l y z i n g t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c e n g r o u p e d - p i l e s s e t t l e m e n ts u c ha st h ed i s t o r t i o nm o d u l u sb e t w e e np i l e e n d s o i l a n dp i l e a r o u n d s o i l ，i n t e n s i t yo fp i l e ，t h ed e p t ha n dm o d u l u so fm a t t r e s sl a y e r ， p i l ed i a m e t e r a n dp i l es p a c i n g ，e t c k e yw o r d s c o m p o s i t ef o u n d a t i o no fc f gp i l e s ，s e t t l e m e n t ，c o m p r e s s i o n m o d u l u s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，i n f l u e n c i n gf a c t o r s ! 1 1 原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：垃丕筵日期：勉丑年上月丝日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者躲妇速翩签此吼丝年朔盟日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着国民经济建设的迅猛发展，工程建设规模日益扩大、技术要求也越来越高。比如： 楼房越建越高而要求的地基承载力越来越高，列车越行越快而要求的轨道越来越平顺，这 就要求地基沉降控制的精度也越来越高。尤其，近年来，我国客运专线建设发展迅猛，这 对铁路质量要求越来越高，不仅要满足地基承载力的要求，更重要的是要满足沉降变形的 要求。一般情况下，把沉降变形作为建筑物或构建物的主要控制指标。因此，为了满足这 些要求，通常需要对天然土层进行人工加固处理。复合地基作为主要的加固手段之一，以 其良好的经济效益和社会效益，得到越来越广泛的应用。 “复合地基【l 】”一词最早源于6 0 年代日本，当初主要用于研究分析砂桩抵抗地基的滑动 计算，提出了砂桩与桩周土共同作用的分析模型。7 0 年代中期以来，随着我国地基工程技 术的进步，诸如碎石桩法、深层搅拌桩法、石灰桩法、加筋法，c f g 桩法等多种地基加固 技术得到了开发和应用。依照复合材料的理论，复合地基是指天然地基在地基处理过程中 部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料。加固区是由基体( 天然地 基土体) 和增强体两部分组成的人工地基【2 】。加固区整体看是非均质和各向异性的，根据 地基中增强体的方向又分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。水平向增强体 复合地基主要包括由各种加筋材料，如土工聚合物、金属材料、土工格栅等形成的复合地 基。竖向增强体复合地基习惯上称为桩体复合地基【3 1 。 复合地基技术在我国得到了广泛的应用和发展。据不完全统计，在地基处理中应用的 桩型不下十几种，其中应用比较广泛的有：振冲碎石桩复合地基；干振碎石桩复合地 基；土桩复合地基；灰土桩复合地基；石灰桩复合地基；深层搅拌水泥土桩复合 地基；粉喷水泥土桩复合地基；夯实水泥土桩复合地基；水泥粉煤灰碎石桩复合地 基( 即c f g 桩复合地基) 。 显然，上述复合地基主要是由增强体材料性质和成桩工艺而定名的。例如，增强体材 料为水泥土，则称为水泥土桩复合地基。而按施工工艺不同又分为深层搅拌桩( 由水泥浆 与原土强制搅拌而成) 复合地基、粉喷桩( 由水泥粉与原土强制搅拌而成) 复合地基、旋 喷桩( 由高压喷射注浆旋喷法形成的水泥土桩) 复合地基和夯实水泥土桩( 由在孔外将水 泥粉和过筛的土均匀拌和并分层回填夯实而成) 复合地基。 又如，桩体材料为碎石的称为碎石桩复合地基，根据施工工艺的不同又可分为振冲碎 石桩复合地基、干振碎石桩复合地基、振动沉管挤密碎石桩复合地基和强夯置换碎石桩复 合地基。 硕七学位论文 第一章绪论 许多学者基于试验研究和工程应用方面的考虑，按桩体材料的性质、施工工艺和桩在 复合地基中的承载特性，对复合地基进行分类。 ( 1 ) 按成桩材料分类 散体土类桩复合地基。如砂( 砂石) 桩、碎石桩等。 水泥土类桩复合地基。如水泥土搅拌桩、旋喷桩等。 混凝土类桩复合地基。如c f g 桩、树根桩等。 ( 2 ) 按桩体刚度分类 柔性桩复合地基。散体土类桩属此类桩。 半刚度桩复合地基。如水泥土类桩。 刚性桩复合地基。如混凝土类桩。 ( 3 ) 按桩体材料形状、桩体置换作用分类 散体桩复合地基。如以砂桩、碎石桩为增强体的复合地基。 一般粘结强度桩复合地基。如以石灰桩、水泥土桩为增强体的复合地基。 对一般粘结强度复合地基也可再细分为： 低粘结强度桩复合地基。如石灰桩复合地基。， ( i ) 中等粘结强度桩复合地基。如以旋喷桩、夯实水泥土桩为增强体的复合地基。 ( i i ) 高粘结强度桩复合地基。如c f g 桩复合地基。 桩体粘结强度的变化，对复合地基的工作形状影响很大。按桩体材料粘结强度分类， 有助于对复合地基个性的认识和共性的研究。 ( 4 ) 按基础刚度分类 具体足够刚度基础下的复合地基。 柔性基础下的复合地基。 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 换率相同时，基础刚度不同，则桩土应力比不同，即桩土荷载分担比例不同。基础刚度越 小、桩土应力比越小，桩分担的荷载越少。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，复合地基桩土应力比大 于l ，复合地基承载力会较原土有较大提高。市政和公路建设工程中，为削除桥头跳车现 象，常采用c f g 桩、水泥土桩复合地基，如果打桩后在桩顶和桩间土表面以上设置较厚的 填土。当只有填土荷载而没有基础，或视为柔性基础与填土荷载相联系，由于没有足够的 刚度的基础让桩多承担荷载，通常桩土应力比接近等于l ，此时复合地基承载力就是桩间 土承载力。显然，这样的设计是不合理的。合理的设计应在桩顶及桩间土表面设置一定厚 度的褥垫层，在褥垫层上再设置具有足够刚度的垫层( 或加筋刚性垫层) 。这种具有足够 刚度的垫层相当承台的基础，具有调整荷载向桩上转移的作用，以提高复合地基承载力和 复合土层的复合模量，减少地基变形。 ( 5 ) 按桩体的强度与原土的相关性分类【4 】 2 硕士学位论文第一章绪论 桩体强度与原土无关的复合地基。如石灰桩、夯实水泥土桩、c f g 桩。 桩体的强度与原土密切相关的复合地基。如搅拌水泥土桩、粉喷水泥土桩、旋喷桩。 桩体的强度与原土无关的复合地基，增强体的强度不随地基土分层而变化。而桩体强 度与原土密切相关的复合地基，如搅拌水泥土桩复合地基，桩长范围内地基土分几层，便 有几个不同的增强体强度。当桩长范围分布有含水量、孔隙比、塑性指数大的淤泥时，这 段桩长的桩体强度较低，对桩传递垂直荷载的能力产生很大的影响。 ( 6 ) 按复合地基中桩型数量分类 单一桩型复合地基。 多桩型复合地基。 复合地基中的桩体为同一种类型的称为单一型复合地基。 由两种或两种以上类型的桩组成的复合地基，称为多桩型复合地基。由于不同类型的 桩的承载能力、变形特性以及适用范围各不相同，将其进行合理的组合能更充分地发挥各 桩型的优势，从而取得更好的技术效果和经济效益。例如，不同桩型间承载能力和变形特 性的差异亦当计算土层为相对硬土层，考虑到复合地基中桩距既不宜过大也不宜过小，当 全部采用短桩方案时，承载力和变形不能满足要求，当全部采用长桩方案时，设计又过于 保守。此时可采用长、短桩相结合的复合地基方案。又如，对可液化地基，设计既要求消 除土体的液化，又要求有很高的承载力。用单一的振冲碎石桩或振冲沉管挤密碎石桩加固 地基，虽然可以消除液化，但地基承载力达不到要求。此时，可采用碎石桩加c f g 桩多桩 型复合地基方案。以达到既能消除地基液化又大幅度提高承载力的目地。 当基础底面以下的地基土有相对较软的土层或平面上局部有较软土层时，亦可采用水 泥土桩( 软土层不厚且无地下水时可采用夯实水泥土桩) 加固，然后再打设模量更高的桩， 如c f g 桩等，形成多桩型复合地基，应用效果很好。 1 2c f g 桩复合地基特点 1 2 1c f g 桩复合地基简介 c f g 桩复合地基的设计思想是由中国建筑科学研究院黄熙龄院士首先提出【5 1 。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 年由中国建筑科学研究院立题进行试 验研究，其试验成果于1 9 9 2 年通过部级鉴定，专家一致认为该成果具有国际领先水平， 推广意义很大，尤其这几年更是得到大力推广。， c f g 桩是近年来运用很广泛的桩，它是由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺适量水泥加水拌 和，用各种成桩机制成的可变强度桩，称之为水泥粉煤灰碎石桩( c e m e n tf l y a s hg r a v a lp i l e 简称c f g 桩) ，桩体强度等级为c 5 - 4 3 1 5 。复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强 体，并由原土和增强体共同承担由基础传来的建筑物荷载的一种人工地基，增强体一般是 由强度和模量相对原土高的材料组成，而c f g 桩是黏结强度桩，桩体强度高，弹性模量也 3 硕士学位论文 第一章绪论 很大，因而它可以很好地充当复合地基的增强体。总之，c f g 桩复合地基具有较高的承载 能力、造价低廉、施工速度快和质量容易控制的特性，所以现广泛用于处理粘性土、粉土、 砂土和已固结的素填土等地基。 1 2 2c f g 桩复合地基的工程特性【6 7 】 ( 1 ) 承载力提高幅度大、可调性强 c f g 桩桩长可以从几米到2 0 多米，并且可全桩长发挥侧摩阻力，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。当地基的承载力较高时，荷载又不大，可将桩长设计得短一点，荷载大时，桩长可设 计的长一点。特别是天然地基承载力较低而设计要求的承载力较高，用柔性桩复合地基一 般难以满足设计要求，c f g 桩复合地基则比较容易实现。 ( 2 ) 适应范围广 对基础形式而言，c f g 桩既可适用于条形基础、独立基础，也可适用于筏基和箱形基 础。 就土性而言，c f g 桩可用于填土、饱和及非饱和粘性土，既可用于挤密效果好的土又 可用于挤密效果差的土。 当c f g 桩用于挤密效果好的土时，承载力的提高值既有挤密分量又有置换分量；当 c f g 桩用于不可挤密土时，承载力的提高只与置换作用有关；当土的承载力特征值 厶 _ 5 0 k p a 时，c f g 桩的实用性值得研究；当塑性指数高的饱和软粘土，成桩时土的挤密 分量为零。承载力的提高唯一取决于桩的置换作用。由于桩间土承载力太小，土的荷载分 担比太低，因此不宜再做复合地基。 ( 3 ) 刚形桩的形状明显 对柔性桩，特别是散体桩，如碎石桩、砂石桩，它们主要是通过有限的桩长( 6 - - 1 0 ) 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。 c f g 桩像刚性桩一样，可全桩长发挥侧阻力，桩落在好的土层时，具有明显的端承作 用。 ( 4 ) 桩体的排水作用 c f g 桩在饱和粉土和砂土中施工时，由于沉管和拔管的振动，会使土体产生超空隙水 压力。较好透水层上面还有透水性较差的土层时，刚刚施工完的c f g 桩将是一个良好的排 水通道，空隙水将沿着桩体向上排出，直到c f g 桩体结硬为止。这样的排水可延续几个小 时。 ( 5 ) 时间效应 利用振动沉管机施工，将会对周围土产生扰动，特别是对灵敏度较高的土，会使结构 破坏、强度降低。施工结束后，随着恢复期的增长，结构强度会有所恢复。 ( 6 ) 复合地基变形小 4 硕士学位论文第一章绪论 复合地基模量大、建筑物沉降量小是c f g 桩复合地基最重要的特点之一。大量工程实 践证明，c f g 桩复合地基对沉降能控制到相当小的范围，并且又比同类刚形桩有价格上的 优势。 1 2 3c f g 桩复合地基主要优点 ( 1 ) 复合地基沉降变形小。早期主要是散体材料桩，如碎石桩、砂桩等，后来逐渐 发展了自身具有粘结强度的柔性桩，如水泥搅拌桩、石灰桩等。这两类桩所形成的复合地 基的共同特点是，桩与土的模量比不太高，桩土变形协调，桩土共同作用形成复合地基承 受上部荷载。但复合地基承载力都不是很高，一般不超过2 0 0k p a ，这是由桩身强度决定 的，而且由于复合地基压缩模量较天然地基的压缩模量的提高幅度有限，因此复合地基仍 有较大的变形。然而，c f g 桩复合地基承载力标准值可达6 0 0k p a 以上，它具有刚性桩的 性状，很好控制了沉降。 ( 2 ) c f g 工程造价低【6 】。由于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 可节省1 2 1 3 。 1 3 本文的选题背景、目的和意义 1 3 1 选题的背景 铁路的快速、便捷和舒适化是一个国家发达与否的重要标志之一。为适应我国社会经 济发展的需要，必须抓紧研究规划和修建适合我国路情的高速铁路网，如目前，广深准高 速铁路和秦沈客运专线已投入运营、前不久开通的动车组和现阶段正在大力兴建的武昌至 广州的客运专线( 武广客运专线) 等等。近几年，客运专线铁路是我国“十一五”铁路规划 网的骨架，已成为铁路交通事业发展的主流方向。 、， 然而，正在修建的武广客运专线经过的地区属于低山或重丘区，挖方路基和填方路基 的工程量均很大，平均挖方深度1 6 m ，占全线7 0 之多。研究人员经沿线考察及取样研究 发现，路堑开挖岩体中的岩石主要有泥岩、页岩、砂岩、砾岩和板岩等软岩。这些软岩， 稳定性差，在地表水和地下水的作用下，其强度迅速减弱。这些软岩的弃碴，抗风化能力、 抗水性及抗变形能力与其母岩一样性能不稳定、变异性大，遇水、风化作用后其强度会急 剧降低。这一系列性质给武广客运专线桥基础、桩基础和路基的建设带来了极大的麻烦和 风险【刀。 ： ， 由于地质情况很差，这就给高速铁路带来很大的麻烦。实践告诉我们，现在，制约列 车速度的已经不是列车本身的动力技术，而是线路的质量。因此，这对高速铁路质量要求 越来越高，不仅要满足地基承载力的要求，更重要的是要满足沉降变形的要求。因此，这 5 硕士学位论文 第一章绪论 就要求列车必须有一个平顺、稳定的路基。路基作为铁路轨道结构的基础，必须具有强度 高、刚度大、稳定性和耐久性好，并能抵抗各种自然因素的影响，在运营条件下将线路轨 道的设计参数维持在要求的精度范围内，确保轨道的高平顺性，满足高速行车需要。这就 要求对高速铁路路基沉降必须采取严格的控制。 j ， 随着对软土路基沉降对铁路运行影响的逐步认识和列车速度的提高，对软土路基的工 后沉降要求也越来越严格。铁路特殊土路基设计规则( t b j 3 5 9 2 ) 第一次对工后沉降提 出了要求，之后的时速1 6 0 公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定规定：路基工后沉降 不应大于2 0 c m ，沉降速率小于5 c m 年；秦沈客运专线要求软土地基路堤的工后沉降小于 1 5 c m ，沉降速率小于4 c r r g 年【8 】。 然而，新建铁路武汉至广州客运专线为一次双线。设计时速3 0 0 k m h ( 线下远期 3 5 0 k m h ) 。时速达到这个速度的铁路在我国尚属空白，路内有关专家进行讨论研究，认为 对客运专线路基工后沉降控制应建立起趋于“零”的沉降概念。原则上应按客运专线无碴 轨道铁路设计指南进行设计。但在设计中一般应满足德国专家提出的1 5 m m 工后沉降值 的控制标准。对个别设计中出现工后沉降为3 0 m m 的路段必须进行地表平均沉降分析和判 断【9 1 。 但是，面对武广客运专线设计时速3 0 0 k m h 的铁路而工后沉降仅仅1 5 m m 这个要求很 严格的问题，特别是在我国还没有确切的经验借鉴的条件下，如何确保路基沉降变形满足 设计要求就成为路基工程中的难题，特别是深厚软土路基，迫切需要引入更为有效的路基 处理方式。 1 3 2 选题的目的和意义 以往路基按强度破坏设计，而现在强度己不成问题，一般在达到强度破坏前，可能出 现了不能容许的过大变形。高速行车对轨道变形有严格要求，因此，控制变形是高速铁路 路基设计的关键。同时，高速铁路对路基的填料、密实度、工后沉降、变形特性、动力特 性等指标的要求均高于一般铁路。高速铁路路基的设计要求许多方面深化和改变传统的设 计思路，其中集中体现在：过去对路基工程主要满足在强度的要求上，而高速铁路更多体 现在对路堤变形的控制中。 由于武广客运专线要求整体技术水平都远远超过秦沈客运专线。所以，在国内由于没 有可靠经验借鉴的情况下，我们只能靠边借鉴国内外先进理论和经验边试验。以我国目前 积累的知识、经验和国外先进理论、经验为导向，以国内试验为基础的设计方针。 在试验方面，客运专线上设置了很多试验和观测基地；在理论和经验方面，从德国针 对我国高速铁路设计咨询的成果来看，德、法强调控制路基的不均匀沉降，其追求沉降的 目标为不均匀沉降为零；对于无碴轨道路基，德国有更为严格的要求，要求路基的差异沉 降为零。由于中德两国的国情不同，德国采用较长的施工周期来达到工后沉降为零的目的 ( 德国2 0 0 k m 左右的高速铁路的工期可能达5 - - - 8 年) ，而我国只能采用“金钱换时间”的办 6 硕士学位论文 第一章绪论 法来尽量消除工后沉降的影响( 即加大对地基的处理力度) 。所以说， 路是个世界难题，主要体现在：不仅列车的速度之快和地质情况之差， 之快。 路基沉降变形主要包括三部分：列车行驶中对路基面的弹性变形； 床积累下沉( 塑性变形) ；路基本体填土及地基的压缩下沉。 我们修建的高速铁 而且要求完成时间 长期行车引起的基 参考国内外经验可知，列车行驶中弹性变形、运营阶段的塑性变形及路基填土压实下 沉，只要满足基床及路基本体填筑材质、压实标准，其值都是有限的，而且也可得到控制 的。因此，如何控制路基的沉降变形，关键在于控制支承路基的地基的沉降。 c f g 桩与桩间土和褥垫层一起形成复合地基。由于桩体的强度和模量比桩间土大，在 上部荷载作用下，桩顶应力比桩问土面应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并 相应减少了桩间土承担的荷载，这样，由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形显著减 少。为有效解决工后沉降问题，武广客运专线除上部路堤采用密实度高、水稳性好的优质 填料以最大限度减少列车动载引起的工后沉降外，地基处理还采用了强有力的加固措施， 包括强夯、预压、复合地基等。c f g 桩适用于粘性土、粉土、砂土和已有自重固结的素填 土等地基，强度高，模量大，加固深，成桩快，质量可控性强，造价适中，这些特点决定 了它广泛的应用市场。作为控制沉降措施，在武广客运专线使用桩总长超过1 0 0 0 万m 。 因此，如何准确有效地确定桩复合地基的沉降，具有重要的工程意义。 本文是依托武广客运专线岳阳段地基处理工程，该段有相当部分是处于软土和松软土 等不良地质地区，地基存在一定的压缩性，需采取相应工程措施处理。根据地质条件、工 程造价、施工时间综合分析及其最重要的沉降估算分析，通常的复合地基处理方法如粉喷 桩、碎石桩等措施不能满足无碴轨道路基工后沉降要求。经过最终比选，武广客运专线岳 阳段大量使用了c f g 桩网复合地基。 1 4c f g 桩复合地基计算研究现状 c f g 桩复合地基属于典型的刚性桩复合地基。c f g 桩复合地基在工业与民用建筑工程 中得到了广泛的应用，并取得了大量研究成果。与常规桩基不同，刚性桩复合地基考虑了 土体的承载作用。龚晓南【i o 】对刚性桩复合地基的定义：刚性的桩与土共同作承担上部荷载， 考虑了桩土的共同作用的复合地基。宰金珉【l l 】将这类地基定义为复合地基，即按大间距 ( 5 - 6 倍桩径甚至以上) 稀疏布置的低承台摩擦群桩或端承作用较小的端承桩与承台底土 体共同承载的、纯桩基与天然地基之间的过渡型的新型基础形式。传统桩基计算理论是由 桩承担全部上部荷载，不考虑桩间土直接承担荷载的作用。然而，疏桩地基是将全部由桩 承担上部荷载改为由桩土共同承担荷载。桩间土参与承担上部荷载后，桩可以疏布。桩疏 布后，桩数减小，可降低工程造价，但建筑物沉降量增大。因此，疏桩基础桩数的确定要 根据允许的建筑物沉降量来确定。在软粘土地基上修建大型建筑物有时会遇到这样的情 7 硕士学位论文 第一章绪论 况，采用天然地基可以满足承载力要求，但不能满足沉降量要求，为了减少沉降，必须再 适当多布置一些疏桩，桩土共同承担上部荷载。疏桩( 减少沉降量桩) 是用“控制沉降量设 计法”来代替传统的“按承载力桩基设计法”。 刚性桩复合地基的发展同整个复合地基的发展一样也是逐步起来的。在国际上， b u r l a n d 1 2 首先提出“减沉桩”的概念：认为桩距扩大，利用少数桩就可以把筏沉降减少到可 以接受的程度。h a i na n dl e e t l 3 】用理论的方法验证了这一设计思想的可行性。h o o p e r 1 用 有限元分析表明具有较大竖向刚度的地基中桩体并不是越多越好。c o o k e 【1 5 】作了模型试验， 验证了减沉桩的思想。f r e d r i k s s o n 和r o s e n i 】报导了在软粘土中考虑桩、承台共同承担荷 载的桩筏基础设计实例，承台始终承担着一定荷载。 在国内，管自立【1 7 】在实际工程中应用“疏桩基础”，使摩擦桩体采用大桩距，充分发挥 其承载力，同时又可达到沉降控制的目的。侯学渊、杨敏【1 8 l 为“减沉桩”的设计思想在工程 中的推广与应用作了大量的工作。宰金珉【1 9 】根据大尺寸模型试验和桩土承台非线性数值模 拟分析的结果得出：对于大间距桩基，单桩的非线性工作特性在群桩的非线性性态中占主 导地位，以单桩p s 曲线的特征反映群桩中各桩的非线性性态不仅可行而且偏于安全。 其中前人对沉降的计算的方法大体分为三个方面：解析法；数值解法；半经验 半理论解法。下面分别说明现有的研究成果。 ( 1 ) 解析法计算方面。在国内外，针对桩土复合地基的变形模式，很多学者基于一 些假设，得出了复合地基沉降计算的不同解析解。其中代表有： 1 9 7 7 年英国b u r l a n d 教授等学者根据桩土相互作用理论研究指出1 2 0 j ，对于天然地基的 强度能满足设计荷载要求但沉降却过大的情况，可以采用少量的桩来减少沉降。 池跃君【2 l 】提出刚性桩复合地基新的破坏模式及极限平衡分析方法，建立了极限承载力 的解析表达式。 秦然，陈征宙【2 2 】等选取常用的双曲线函数来表征单桩与地基土的荷载一沉降曲线，导 出了一组确定桩土应力比的解析算式。分析了桩土应力比与总荷载的关系，并指出置换率 和桩土极限强度对桩土应力比的影响。 董必昌，郑俊杰【2 3 】从c f g 桩复合地基沉降变形模式出发，推导出一种考虑了桩一土 一垫层相互作用的沉降计算方法以及桩土应力比公式，并讨论了参数取值问题。 徐洋，谢康和【2 4 l 等针对当前求解刚性基础下复合地基沉降变形时较少考虑桩间土变形 协调的情况，在对若干试验结果分析的基础上，提出了刚性基础下复合地基桩侧摩阻力分 布形状的假定，然后分别用荷载传递法、m i n d l i n 解答和弹性力学解答分析了单桩模型中桩 体和桩间土的沉降变形。 沈伟，池跃君等【2 5 】充分考虑了桩、土、褥垫层协同作用，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；桩端土符合w i n k l e r 地基 模型，结合桩、土、褥垫层工作机理分析，建立了协同作用的微分方程，进而得到了大面 积群桩复合地基桩、桩间土沉降解析解。 8 硕士学位论文第一章绪论 郑俊杰，区剑华等【2 6 】选取双折线模型作为土的弹塑性本构模型，并在假设桩土变形协 调的前提下，应用参变量变分原理求解多元复合地基的复合模量在弹性及塑性状态下的解 析解。， 尚新生，邵生俊【27 】从单桩与桩问土的荷载沉降曲线出发，采用荷载- 沉降的双曲线 模型，给出了多元复合地基桩土应力比的解析解。分析表明，桩土应力比随荷载的变化形 式有3 种，具体的变化形式与桩、桩间土的初始切向压缩模量和极限承载强度有关。 李海芳，龚晓南【2 8 】在假设的位移模式下考虑桩土相互作用，通过力学推导，得到了填 土荷载下复合地基桩侧摩阻力、加固区桩间土压缩量和桩土应力比的解析解。考虑到桩侧 摩阻力的发挥水平，给出了假设位移模式下的简化算法。 詹云刚，纪淑鹏f 2 9 1 分析了路堤荷载下c f g 桩复合地基的变形机理，根据假定的沉降 模式及桩侧摩阻力分布形式，推导出了考虑桩一土一褥垫层共同作用的简化沉降计算公 式，其结果与试验数据吻合较好。 ， 郑俊杰，陈保国掣3 0 】分析了双向增强体复合地基中筋材一桩一桩间土协同作用机理， 利用圆弧线模拟筋材的挠曲变形，假设桩间土为理想弹塑性体，通过对筋材、桩体和桩间 土进行力学分析，推导出了双向增强体复合地基桩土应力比的一种解析解和筋材挠曲变形 的计算公式。结合算例和现场试验结果分析了桩土应力比和筋材挠曲变形的影响因素及其 变化规律，算例分析结果说明该计算方法是合理的，可为工程实际提供理论参考。 ( 2 ) 数值计算方面 。 h o o p e r 教授根据有限元的模拟分析指出【3 1 】，为了建立竖向刚度较大的桩土复合地基 而需要的桩数不多，桩数的进一步增加对减少最大沉降和差异沉降作用很小。 施建勇掣3 2 l 假定桩侧摩阻力分布规律，运用单位元法推导了深层搅拌桩复合地基沉降 计算公式和设计用曲线，同时采用轴对称有限元法，对实际工程的实测成果进行分析。 郑刚掣3 3 】通过轴对称有限元一无限元祸合分析，研究了软土层中水泥搅拌桩复合地基 的荷载传递规律。分析结果表明，基础、桩长和垫层对水泥搅拌桩复合地基的荷载传递有 较大影响，在软土中桩身上部桩土之间可以产生相对滑移，产生相对滑移的深度与桩土模 量比有关。 q 朱云升1 3 4 通过有限元分析方法，考虑复合地基中各种材料的非线性特性，对柔性基础 下复合地基的力学性状作了初步的数值模拟，找出了柔性基础地基桩土间的荷载分担、荷 载沿深度变化和传递、桩土间相互作用、变形特性等力学性状的一些基本规律。 池跃君，宋二祥等【3 5 1 利用有限元程序，对刚性桩复合地基在竖向荷载下的轴力、沉降 特性进行计算分析，讨论了桩身轴力、基础沉降等随垫层厚度、垫层模量、桩长、土体模 量及桩间距等因素的变化规律，并在此基础上对刚性桩复合地基设计参数的选取原则进行 了讨论。 刘丽萍掣3 6 1 采用半解析有限元，将复合地基水平两个方向上的位移选取解析函数，竖 向离散为多项式，并将复合地基视为横观各向同性材料，将三维沉降问题转化为一维问题 9 硕+ 学位论文第一章绪论 计算。 张建伟【3 7 1 研究了复合地基上褥垫层的设计是桩体复合地基设计的关键技术，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、土沉降等的影响规律。 朱瑞钧【3 8 】运用f l a c 软件对杭州开发区某办公楼复合地基沉降进行数值模拟，结合工 程实际对f l a c 模拟结果进行了位移矢量和沉降分析，并将数值模拟结果和实测沉降值进 行对比。在对数值模拟结果和实测数据进行深入分析的基础上，总结出影响c f g 桩复合地 基沉降的主要因素。分析发现桩土相互作用、桩的设置、载荷时间关系和土层应力分布对 复合地基沉降影响显著。 ( 3 ) 半理论半经验法在第二章有详细的叙述。 1 5 本文的主要工作 本文是在总结了前人研究的基础上，依托武广客运专线地基处理工程，对复合地基的 一些沉降特性进行了理论上的推导，并与实测数据对比，得出一些有意义的结论，为以后 工程上的设计提供了更多的指导。主要工作有： ( 1 ) 综述了复合地基现有沉降计算方法的研究现状，针对现有计算公式的多样性， 分别列出了各种计算方法的优缺点。 ( 2 ) 运用复合模量法( 规范法) 计算c f g 桩复合地基沉降计算时，针对复合模量选 取的模糊性，讨论应该如何选择计算的桩体模量和土体模量。 ( 3 ) 通过分析c f g 桩复合地基的沉降变形过程，考虑桩土的相互作用，并引入土体 的压缩模量随荷载变化的计算模型，根据力学推导，求出c f g 桩复合地基设计一些重要参 数的计算公式，为以后工程设计提供理论依据。 ( 4 ) 利用大型有限元软件a n s y s 建立了单桩三维模型和平面应变群桩模型，对影响 c f g 桩复合地基沉降的各种因素，如桩端土和桩间土的变形模量，桩体强度，垫层的模量 及厚度，桩径和桩间距等进行了较详细的分析和研究，并借助正交试验分析，设计c f g 桩 复合地基优化方案。 l o 硕士学位论文第二章c f g 桩复合地基作用机理及沉降计算方法 第二章c f g 桩复合地基作用机理及沉降计算方法 桩土褥垫层之间的相互作用是个复杂的力学过程。本章叙述了桩土相互作用机理， 总结了现有复合地基计算的一些计算方法，并分析这些计算方法各自的优缺点，推荐合适 的沉降计算方法。 2 1c f g 桩复合地基桩土协调变形机理 c f g 桩复合地基桩与桩间土之间所承受荷载的比例问题，实际上是一个涉及多种介质 及其界面的多种变形间的反复协调过程。c f g 桩复合地基在基础与桩间土之间要设置一定 厚度的褥垫层( 由散体状材料组成) ，当建筑物荷载加于复合地基之初，由于c f g 桩的模 量远大于土的模量，荷载通过垫层较多部分传向刚度大的c f g 桩，较少部分传向桩间土， 随着荷载的增加和桩间土的固结，桩间土表面变形大于桩顶变形，桩向褥垫层刺入，伴随 这一过程，粒状散体材料不断调整补充到桩间土表面上，基础通过褥垫层始终与桩间土接 触，桩间土始终参与工作，桩间土承载力可得以发挥。 可见，基础下设置褥垫层，桩间土承载力的发挥就不单纯依赖于桩的沉降，即使桩落 在好的持力层上，也能保证荷载通过褥垫层作用把荷载传到桩间土上，使桩土共同承担荷 载。 总之，桩的刺入变形、褥垫层的调整和桩问土的压缩变形就这样经历着一个反复循环、 协调的过程，这个过程同时还伴随着土体压密和强度增长的过程，这种协调过程最终会达 到平衡。 2 2c f g 桩复合地基负摩阻力作用机理 普通混凝土桩与承台刚性连接，受垂直荷载作用后桩顶的沉降、桩间土表面的沉降以 及承台的沉降都相等。桩顶以下桩各部位的位移都大于相应部位土的位移，桩问土体对桩 产生与桩位移相反方向的侧阻力，即正摩擦力。桩的最大轴力发生在桩的顶部。然而，复 合地基中的负摩阻力与桩基的有所不同。对桩基而言，并不是所有的桩都能产生负摩阻力， 只有桩在穿过欠密实的软粘土或新填土等欠固结土层时才产生，其结果可能导致基础结构 沉降、桩基损坏等工程事故，甚至被迫拆除或需花费大量资金进行补救加固，故应采取有 效措施防止产生过大的负摩阻力。对于刚性c f g 桩复合地基而言，c f g 桩施工在复合地 基中铺设了一定厚度的褥垫层，桩端无论落在软弱土层还是硬土，从加荷一开始就存在一 个负摩阻区，也就是在初始加荷时即有负摩阻力产生，其作用由于桩间土参与承担上部荷 硕士学位论文 第二章c f g 桩复合地基作用机理及沉降计算方法 载，适当的负摩阻力的可以提高土的承载力，对整个地基的承载