（道路与铁道工程专业论文）高速铁路CFG桩复合地基沉降变形研究.pdf

摘要 摘要 控制地基变形是确保高速铁路路基稳定性和线路平顺性的重要措施，也是乘坐高速列车安全性 和舒适性的重要保障。工程实践表明，c f g 桩可有效控剑地基变形，并在国内高层建筑以及高速公 路软土地基处理中得到越来越广泛的应用，对其承载机理以及沉降变形规律的研究也在逐渐深入的 展开，且已取得很多有益的研究成果。相比而言，c f g 桩复合地基在高速铁路上的应用才刚刚起步， 这主要由于高速铁路路基的特殊要求以及荷载状况完全不同于高速公路，对于其沉降变形的研究， 在理论、试验、数值计算等各方面还亟待深入研究。本文结合了京沪高速铁路凤阳试验段，通过现 场试验测试、理论计算以及数值模拟的手段对高速铁路c f g 桩复合地基在路堤荷载作用下的沉降变 形情况进行了深入细致的研究，所做的主要工作可归纳为以下几个方面： l 、结合京沪高速铁路风阳试验段，根据现场的试验测试结果，对c f g 桩复合地基在路堤荷载 作用下的桩土应力、孔隙水压力、分层沉降、地表沉降的变化情况进行分析，比较了不同方案的c f g 桩复合地基的加固效果。 2 、分析了c f g 桩复合地基沉降变形的机理。以及从固结性状上分析其沉降过程。介绍了复合 地基沉降的理论计算方法，并指出各自的优缺点；重点分析了修正的带褥垫层的c f g 桩复合地基的 沉降计算公式，结合工程实例进行计算，并与实测结果比较，取得了较为接近的结果验证了其应 用在高速铁路c f g 桩复合地基沉降计算上的可行性。 3 、采用平面有限差分法建立数值模型，并利用现场试验的结果验迂模型的合理性，深入研究了 路堤荷载下c f g 桩复合地基的桩、土应力分布以及孔隙水压力和地表沉降随时间的变化情况。 4 、采用平面有限差分法的数值模拟手段，系统地探讨了在路堤荷载下桩长、桩间距、桩帽尺寸、 垫层厚度、桩帽形式等因素变化时，c f g 桩复合地基表面应力、沉降的变化情况，得出了这些因素 影响下c f g 桩复合地基沉降变形的规律，为实际工程的优化设计提供依据。 关键词：高速铁路，c f g 桩复合地基，沉降，试验测试，理论计算，数值分析 a b s 扛a c t a b s t r a c t g r o u n dd e f o r m a t i o nc o n t r o li sa ni m p o r t a n tm e a s u r et oe n s u r es u b g r a d cs t a b i l i t ya n df i d ec o m f o r to f h i g h - s p e e dr a i l w a yl i n e ，i t i sa l s oi m p o r t a n tg u a r a n t e eo fs a f e t ya n dc o m f o r to fh i g h - s p e e dt r a i n e n g i n e e r i n gp r a c t i c es h o w st h a t ，g r o u n dd e f o r m a t i o nc a nb ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e db yc f gp i l e s ，w h i c ha r e m o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nd o m e s t i ch i g h - r i s eb u i l d i n g s h i g h w a y st od e a lw i t l ls o f tg r o u n d t h e i r b e a r i n gm e c h a n i s m ，a sw e l la ss e t t l e m e n tr e s e a r c hh a ss t a r t e da n dm a d eal o to fu s e f u lr e s e a r c hr e s u l t s r e l a t i v e l ys p e a k i n g ，c f gp 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 h - s p e e dr a i l w a yh a sj u s ts t a r t e d , t h i si s m a i n l yd u et ot h ed i f f e r e n c ef r o mt h eh i g h w a yw h i c hh i g h - s p e e dr a i l w a yh a ss p e c i a lr o a d b e dr e q u i r e m e n t s a n dl o a dc o n d i t i o n 。f o rt h es t u d yo ns e t t l e m e n t ，i nt h e o r y , e x p e r i m e n t s ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n do t h e r a s p e c t s ，a l s on e e di n - d e p t hs t u d y i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt of e n g y a n gt e s to fb e i j i n g s h a n g h a ih i g h s p e e d r a i l w a y , d e e pa n dd e t a i l e da n a l y s i sw e r eg i v e ni nf i e l dt e s t ，t h e o r yc a l c u l a t i o n ，a sw e l la st h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no ns e t t l e m e n to fc f gp i l ec o m p o s i t ep i l ef o u n d a t i o nu n d e rt h el o a do ft h ee m b a n k m e n to n h i g h - s p e e dr a i l w a y , t h em a j o rw o r kd o n ec a nb es u m m a r i z e di nt h ef o l l o w i n ga r e a s 1 a c c o r d i n gt of e n g y a n gt e s to fb e i j i n g - s h a n g h a ih i g h s p e e dr a i l w a y , i ns i t ut e s tr e s u l t so fp i l e s o i l s t r e s s ，g r o u n ds t r a t i f i e ds e t t l e m e n t ，s u r f a c es e t t l e m e n t ；t h ep o r ew a t e rp r e s s u r ec h a n g e so nc f gp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e rt h ee m b a n k m e n tl o a dw e r ea n a l y z e d d i f f e r e n tc a s e sw e r ec o m p a r e da b o u t t h e i re f f e c to fr e i n f o r c e m e n t 2 m e c h a n i s mo ft h es e t t l e m e n to fc f gp i l ea sw e l la st h ep r o c e s so fs e t t l e m e n tw a sa n a l y z e du s i n g t h et h e o r yo fs o i lc o n s o l i d a t i o n i n t r o d u c e dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n so fs e t t l e m e n to nc o m p o s i t e f o u n d a t i o na n dp o i n t e do u tt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ；f o c u so nt h ea n a l y s i so ft h ea m e n d m e n t f o r m u l ao ft h es e t t l e m e n to nc f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hc u s h i o n ，ae x a m p l eo fp r o j e c tw a s c a l c u l a t e d ，t h er e s u l th a db e e nc l o s e rt ot h et e s t ，w h i c hv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ea p p l i c a t i o no n h i g h - s p e e dr a i l w a yi nt h ec a l c u l a t i o n so fs e t t l e m e n to nc f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n 3 p l a n ef i n i t ed i f f e r e n c en u m e r i c a lm o d e lw a sb u i l ta n do n s i t et e s tr e s u l t sw e r eu s e dt ov a l i d a t et h e r a t i o n a l i t yo ft h em o d e l t h ep i l e s o i ls t r e s sd i s t r i b u t i o nw a sd e e p l ys t u d i e d , a sw e l la st h ep o r ew a t e r p r e s s u r e ，s e t t l e m e n tc h a n g e so fc f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e re m b a n k m e n tl o a da st i m eg o e s 4 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp l a n ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dw a su s e d , a n dp i l e s o i ls t r e s s ，s e t t l e m e n to f c f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e re m b a n k m e n tl o a dw h e nt h el e n g t ho f p i l e ，p i l es p a c i n g ，p i l ec a ps i z e ， t h i c k n e s so ft h ec u s h i o n ，f o r m so fc a pc h a n g e d ，r e a c h e dt h el a wo fs e t t l e m e n to fc f gp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nu n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h e s ef a c t o r sw e r es y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e d ，w h i c hp r o v i d es o m ea d v i c e f o rt h ep r a c t i c a lp r o j e c t sw i t ho p t i m a ld e s i g n k e yw o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y ；c f gp 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 ；t e s tm o n i t o r i n g ；t h e o r y c a l c u l a t i o n ；n u m e r i c a la n a l y s i s n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名： 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 避 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 现代交通运输，主要有铁路、公路、水运和航空等运输方式，它们各有优势，相辅相成，组成 综合运输体系，而作为快捷、安全、高效和优质的交通方式，高速铁路已经成为许多国家旅客运输 发展的共同趋势。据了解，当前世界上已有6 个国家建成高速铁路4 6 0 0 余公里，有许多国家和地区 正在新建和规划新建高速铁路【l 】。自1 9 6 4 年日本建成世界上第一条高速铁路一东海道新干线，并 以2 1 0 k m h 的速度投入商业运营以来，高速铁路就迅速地展示出明显的技术经济优势，以崭新的态 势开拓了客运市场。高速铁路具有强大的生命力和吸引力，历经多次更新换代，在技术上取得了新 突破，它不但给传统铁路注入了新的活力，还带动了交通运输行业的革新。此外，高速铁路的业绩 深受世人瞩目，紧接日本之后，法国及时发展了独具特色的t g v 高速列车技术，而后，德国、意大 利、西班牙等都相继修建了高速铁路。2 0 世纪9 0 年代中期，世界经济繁华地区掀起了修建高速铁 路的热潮，不仅西欧各国开始筹划联网，北美、东欧、大洋洲及东亚的一些国家和我国的台湾省等 也正积极推进高速铁路项目。时至今日，全世界有日、法、德、意、西班牙、比利时等正在建设及 已立项准备修建高速铁路的国家和地区有1 2 个，长度在5 0 0 0 k m 以上。日本、法国的高速铁路至今 未曾发生过一起旅客死亡事故，其安全、快速、准点的业绩为全球所瞩目【2 叫。 我国未来5 到1 0 年，是经济和社会发展的重要时期，也是我国实现现代化第三步战略目标的关 键阶段。国家经济贸易委员会一国经贸技术( 2 0 0 2 ) 4 4 4 号文件指出：铁路方面，重点发展以高速铁 路、快速铁路为主的快速客运网系统，以缩短货物送达时间和过程信息监控为主的快捷货运系统， 以铁路综合运营管理为核心的现代运输信息体系，以监控为主的铁路行车安全保障体系，并在此基 础上逐步朝向现代物流产业发展。在百万人以上城市，优先发展以轨道交通为主的公共交通系统。 可见，我国己经进入了一个高速铁路蓬勃发展的新时期，京沪高速、武广客运专线等多条高速线路 即将建设或者已经在建。可以预见，这些高速铁路的建成，将会极大改善我国的客货运输体系并促 进地方经济的发展，有利于国家交通运输结构的合理布置，有力地支持可持续发展战略的实施 5 6 1 。 作为新一代的高速运输方式，高速铁路的出现对传统铁路的设计、施工和养护提出了新的挑战， 在软土地基上修建路基所遇到的问题尤为突出。高速铁路要为列车的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，在 运营条件下将线路轨道的设计参数保持在要求的标准范围内。因此高速铁路路基的设计要求在许多 方面深化并改变传统设计思路，其中集中体现在：过去路基工程主要满足在强度稳定要求上，而高 速铁路更体现在对路基特别是对路基沉降变形的严格控制中。根据京沪高速铁路设计暂行规定 1 7 和铁路特殊土路基设计规范【8 】，高速铁路工后沉降控制值一般地段为5 c m ，桥路过渡段为3 e m ： 对板式道床而言，由于可以调控的轨顶高度有限，因此上述标准更为严格，工后沉降控制值一般地 段为3 c m ，桥路过渡段为0 5 c m 。 由此可见，在软土地基上修建高速铁路，它的稳定性就集中体现在对路基沉降稳定的严格控制 过程中，一般情况下，只要能够满足沉降稳定，强度稳定也就能自然满足。京沪高速铁路设计暂行 规定 7 】手旨出，路堤建成后发生的变形沉降主要有：路堤本体( 主要是基床) 在列车荷载作用下发 生的变形；路堤本体在自重作用下的压密沉降：支承路基的地基的压密沉降。前两部分的数值是有 限的，路堤填土的压密沉降主要通过压实密度来控制，我国对路堤填土的压密沉降控制要求与其他 各高速铁路国家基本一致。根据国外高速铁路的经验和实测资料，路堤填土压实沉降量一般在路基 l 东南大学硕士学位论文 竣工一年左右完成，且都有标准可查，因此控制路基的沉降，主要是控制地基的沉降。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，会导致复合地基变形过大而易在上部结构产生裂 缝或倾斜，对列车的行驶稳定性产生重大影响，甚至造成事故。这样，基于变形控制的设计方法比 按承载力控制的设计方法更严格、合理。 水泥粉煤灰碎石桩c f g ( c e m e n tf l y a s hg r a v e l ) 桩复合地基是由中国建筑科学研究院地基所在 2 0 世纪8 0 年代末期研究开发的。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强 度桩，是建设部“七五”计划课题，于1 9 8 0 年立题进行试验研究，并应用于工程实践。它和石灰低 强度混凝土桩复合地基及水泥碎石桩复合地基都是国内外新开发的地基处理技术。它主要用来加固 粉质粘土、非饱和粘土、饱和软粘土及淤泥质。c f g 桩复合地基通过褥垫层与基础连接，无论桩 端落在一般土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参与工作。因此，作用在基础上的荷载，首先 将土的承载力充分发挥，不足部分由c f g 桩承担。显然，与传统的桩基础设计相比，桩的数量大大 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比，可使承载力提高、沉降变形 减小；加上c f g 桩不配筋，桩身材料采用粉煤灰，大量消耗工业废料，保护了环境的同时，降低了 工程成本，较之传统的桩基础，工程造价可节省l 2 1 3 。c f g 桩复合地基在处理低层建筑、不均匀 差异沉降、湿陷性黄土和灵敏土等方面，取得了可喜的成绩。但是，在推广运用的同时也产生了一 些问题，与浅基础、桩基础相比较，c f g 桩复合地基理论还不成熟，落后于实际，其承载力和沉降 计算理论正在发展之中，相比之下，沉降计算远不如承载力研究得更深入、成熟，和桩基础相比， 复合地基的沉降过大，若不能合理控制沉降量，复合地基沉降过大可使上部结构产生裂隙或倾斜， 而减小沉降量就需要增加投资，因此合理控制沉降非常重要，并不是工后沉降越小越好，而是在确 保安全，满足使用功能的基础上控制合理的工后沉降量。 因此，有必要对复合地基的工作特性，尤其是沉降变形特性作进一步的研究，特别是在高速铁 路条件下使用c f g 桩( 水泥粉煤灰碎石桩) 处理软土地基时，对c f g 桩复合地基的沉降变形进行 研究。 1 2 国内外研究现状 现代地基处理技术起源于欧洲，1 8 3 5 年，法国工程师设计了最早的砂石桩，第二次世界大战以 后在前苏联得到了广泛的应用，并在施工工艺、计算理论以及施工机械水平等方面取得较大的成就。 我国复合地基的研究起步较晚，初期复合地基的应用与研究主要集中在碎石桩复合地基上。碎 石桩复合地基技术是由1 9 7 6 年南京水利科学研究院最早引进的，并用于1 9 7 7 年的南京船舶修造厂 船体车间软土地基加固，这是碎石桩复合地基在我国最早应用的工程实例。我国地域广阔，软土地 基类别多，分布广，自改革开放以来工程建设规模发展较快；同时我国又是发展中国家，建设资金 短缺，由于复合地基能够较好利用增强体和天然地基两者共同承担建筑物荷载，具有经济实用的特 点，因此复合地基技术比较适合我国国情，近年来得到了长足的发展。c f g 桩复合地基最早是由中 国建筑科学研究院地基所研究开发的，其试验研究是在1 9 9 2 年开始的，随着工程实践中数据资料的 积累及试验研究的迸一步深入，于2 0 0 2 年由中国建筑科学研究院组织编写了c f g 桩的相关规定， 现已列入国家行业标建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ，j 2 2 0 2 0 0 2 ) 。 总结各国在复合地基的研究主要集中在桩土接触面力学的研究、桩土应力比的研究以及沉降变 形计算方面的研究。 2 第一章绪论 1 2 1 桩土接触面力学特性研究 从荷载传递路径的角度看，复合地基中的c f g 桩可以作为摩擦桩。复合地基承担的荷载大部分 依靠桩侧阻力扩散、传递到较深的土层中。桩侧阻力的发展规律取决于桩土接触面的力学特性。因 此，研究桩土接触面力学特性是分析桩土相互作用的前提，也是计算桩土应力比的必要条件。在桩 土接触问题中，桩体材料力学性能与周围土层力学性质相差较大，在一定的受力条件下有可能在其 接触面上产生错动滑移或开裂。为充分揭示桩土接触面的受力及变形特性，许多学者围绕这个问题 开展了多方面的研究。 c l o u g h 和d u n c a n 等【9 1 提出剪应力与相对位移间关系的双曲线模型：g o o d m a n t l 0 将该模型用于无 厚度的单元，提出单位切向劲度的计算公式；b r a n d t 1 1 提出简化的双曲线模型；b o u l o n 等【1 2 】提出接 触面变形的弹塑性模型；k i s h i d a ”l 利用单剪仪对砂土与钢块接触面变形进行了研究，认为当剪应力 小于接触面的抗剪强度时，接触面上几乎不会发生相对位移。这些研究成果纷纷被借鉴到复合地基 桩土接触面的研究中，对桩土接触面研究起到了积极的引导作用。 张嘎、张建民等【m 1 9 】在土与结构接触面方面作了一系列的研究，主要包括以下两方面：一方面 使用新研制的大型土与结构接触面循环加载剪切仪，把粗骨料与人工粗糙钢板接触面，在单调荷载 作用下的力学特性进行了较系统的试验研究。另一方面通过用损伤理论描述接触面在受载过程中的 物态演化过程，提出新的建模思路，建立一个可统一描述粗粒土与结构接触面静动力学特性的弹塑 性损伤模型，并对模型的有效性进行了初步验证。其主要成果为：( 1 ) 接触面的变形可分解为同时发 生、互相影响的土与结构交界面上的滑移变形以及结构面附近的土在结构面约束之下的剪切变形两 部分，而后者是引起相对法向位移的主要原因：( 2 ) 接触面的抗剪强度与法向应力近似成直线关系， 剪应力随着剪应变的增加而不断增长且趋于稳定；( 3 ) 在试验的基础上建立一个可统一描述粗粒土与 结构接触面力学特性的本构模型。 刘希亮等 2 0 】对高应力作用下土与结构接触面剪切特性进行了研究。结果表明在高应力下土与桩 体接触面f 一玑的关系，当法向应力小于4 m p a 时，可用理想弹塑性模型来模拟，当法向应力大于 4 m p a 时，可用三直线段来表示；接触面剪切特性的峰值强度与残余强度相差不大；峰值强度的大小 与法向力和剪切位移有关；当法向力较大时，残余强度随基底刚度的增大而增大。 张丙印等【2 l 】在清华大学土与结构接触面循环加载剪切仪的基础上，研制了可进行两种散粒体间 接触面试验的叠环式单剪试验系统。研究结果表明：两种散粒体材料剪接触面的强度包线为其单相 材料强度下的包线。当达到破坏强度后，在接触界面附近会产生集中的刚塑性接触面剪切变形，其 位置发生在强度最薄弱处。 杨林德、刘齐建【2 2 】将连续强度理论和统计理论结合，从接触面内部残缺分布的随机性出发，建 立了土与结构物接触面的统计损伤本构模型。该模型能反映接触面的应力应变特性，具有参数少、 概念明确及应用简便的特点。 胡黎明等【2 3 】利用改进的直剪仪进行了砂土与结构物的接触面剪切试验，研究了不同接触面相对 粗糙度对接触面的物理力学性质的影响，并通过数字照相技术记录了接触面附近土颗粒的位移情况， 分析了土与结构物接触面剪切破坏的变形机理。结果表明，较光滑的接触面剪切变形时沿土与结构 物接触面产生滑动破坏，接触面附近体积变化很小，剪切破坏时无明显的剪应力峰值，为理想的弹 塑性模型：较粗糙接触面剪切破坏时在接触面附近产生应力局部变化，形成剪切带，并伴有应变软 化和剪胀现象；并进一步对土与结构接触面进行了数值模拟，提出了接触面损伤本构模型。 殷宗泽等【2 4 】进行了土与混凝土接触面的大尺寸式样的直剪试验，认为剪应力与相对位移关系曲 线是不唯一的，是特定尺寸的式样剪切破坏过程逐步发展的宏观反映，不能用来表示接触面上剪切 交形的普遍规律。 3 东南大学硕士学位论文 张冬霁、卢廷浩等 2 5 1 在进行了一系列接触面单剪试验的基础上，提出错动位移、剪切位移以及 接触面“剪切错动带”的概念。 许多学者通过自己的试验研究提出了相应的成果，他们从不同的角度或用不同的理论来解释这 种接触面的力学特性，至于与实际的吻合程度还需要经过大量的工程实践的检验。但是，着眼于工 程实际应用，为大家接受并被广泛采用的只有少数几个。如至今仍被广泛采用的c l o u g h 和o u n c a l l 等i 2 6 j 提出双曲线模型，该模型可以反映土变形的非线性，并在一定程度上反映土变形的弹塑性，但 由于该模型是建立在增量广义胡克定律基础上的变模量的弹性模型，有它固有的缺陷，如不能反映 应力路径的影响、反映土的剪胀性等。由于土体本身的复杂性，桩土接触面特殊的受力条件，要全 面描述其受力特性显得十分困难，具体到实际问题的分析还要根据现场土层情况、荷载水平等具体 选择。但是，桩土接触面力学模型的建立，有助于加深人们对桩土荷载传递规律的认识，也为目前 通过弹性理论求解桩土应力比提供了理论条件。 1 2 2c f g 桩复合地基桩土应力比研究 建筑物荷载通过基础传给地基，并在地基中应力扩散。由于土具有可压缩性，地基在附加应力 作用下，必然产生竖向变形，从而引起建筑物基础的沉降。对于c f g 桩复合地基而言，其沉降发生 过程就是桩、土、垫层共同作用相互协调变形过程，桩间土本身是非均质的、各向异性的；桩土变 形模量差异巨大；加上垫层的设置使其受荷过程中桩土体系工作性状复杂化，桩土应力比可以认为 是复合地基的桩土体系受力过程中各种因素相互作用的宏观表现结果，并且可以作为复合地基工作 性状问题描述的切入点。桩土应力比作为复合地基产生沉降过程中反映桩土协同工作的一个重要参 数指标，许多学者都根据自己假定的桩土接触面力学模型，围绕这个问题进行研究。 秦然等【2 7 】通过选取双曲线来表征单桩与地基土的荷载一沉降曲线，导出了一组确定水泥桩复合 地基桩土应力比的解析式，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。 秦建庆等【2 8 】结合水泥土桩复合地基载荷试验，现场量测了桩项反力、桩间土反力，并分析了复 合地基的桩土应力比。 郑俊杰【2 9 】选取常用的双折线荷载传递函数，推导出一组轴向荷载一沉降曲线的解析式，从而表 征桩的荷载一沉降曲线，并选取双曲线来表征地基土的荷载一沉降曲线。推导出了水泥土桩复合地 基中考虑桩一土相互作用的桩土应力比的解析式，并讨论了相关参数对桩土应力比的影响。 李作勤【3 0 】从复合地基的设计思想出发，阐明影响桩土应力比的主要因素，介绍用荷载试验检验 应力比的方法。 池跃君等 3 1 。3 5 分别通过解析计算和现场试验分析了刚性桩复合地基中桩土荷载传递规律，及桩 间土竖向应力的分布特征，着重论述了桩土应力比，随复合地基荷载、垫层厚度、垫层模量、桩长、 桩间距、桩间土模量和桩端土抗力系数等因素变化的规律。 朱世哲等【3 6 j 研究了带垫层的刚性桩复合地基桩土应力比计算方法，同时，考虑到桩顶刺入垫层 和桩端刺入下卧层的情况，从理论上论证了各种因素对桩土应力比的影响。 这些学者们从不同的假定条件出发对复合地基桩土应力比进行了讨论，由于针对要解决的问题 不同，各自忽略的因素也就不同。但鉴于c f g 桩复合地基桩土应力比的复杂性，要精确计算桩土应 力比确实比较困难。事实上，群桩复合地基中的桩土应力比一直处于变化之中，它会随着地基受到 的荷载水平、荷载作用时间、桩间土性质、桩长、桩体刚度、复合地基置换率等诸多因素影响【3 7 】而 变化。即使各种外在条件一定的情况下，桩间土中竖向应力不可能是均匀分布的，即在复合地基中 不同的位置，桩土应力比也是不同的。为方便问题的描述和解决，一般情况下桩土应力比在数值上 4 第一章绪论 取桩顶平均应力与桩间土表面平均应力的比值；而对于带桩帽的c f g 桩复合地基，应力比在数值上 取桩帽顶的平均应力与桩帽闯土表面平均应力的比值。 在计算桩土应力比过程中，各种数值方法由于可以考虑复杂边界条件、复杂应力状态等优势而 异军突起，但数值方法也存在计算模型参数不易选取、计算结果不易判断等缺点，而且受计算机内 存及其它客观条件限制，要计算大面积群桩的情况显得费时费力，极其困难。解析方法或者说半经 验法简单实用，易于被广大工程技术人员掌握，并在大范围内推广，它的主要思路就是抓住问题的 主要矛盾，忽略次要矛盾，从而使问题得到简化。由此可见，应用解析方法来处理问题的结果如何， 关键就在于问题能否得到合理的简化。 1 2 3c f g 桩复合地基沉降变形计算研究 c f g 桩复合地基沉降简化计算方法借鉴了桩基沉降算法的思路，这是因为相比较而言，对于桩 基沉降计算理论研究，国内外都已经取得了相当丰硕的成果。国外研究更早些，文献3 8 吨1 分别从群 桩沉降、桩侧阻力、桩土荷载传递等方面对群桩沉降进行了详细的分析，系统的桩基沉降计算理论 为复合地基沉降计算研究提供了必要的理论基础和研究经验，所以大多数学者在研究复合地基实用 沉降计算方法时仍采用桩基沉降算法的思路。 p r i e b eh 【4 3 1 ( 1 9 7 5 ) 根据半无限弹性体中圆柱孔横向变形理论推导了复合地基在垂直荷载作用下 最终沉降量的计算方法；h u g h e s t 4 4 1 ( 1 9 7 5 ) 提出了基于横压试验应力应变曲线计算沉降的方法； h g p o u l o s t 4 5 1 ( 1 9 8 0 ) 黜了减沉桩的沉降计算方法。瑞典的j w 设计咨询研究院将减沉桩的设计思想 大力推广，并应用于工程中；n a y a k t 4 6 1 ( 1 9 8 9 ) 提出采用载荷试验所获得的沉降量折算复合地基沉降的 经验公式。 o o u g h n o u r rr 【4 7 1 ( 1 9 8 3 ) 在考虑了弹性和塑性两种情况下提出了碎石桩复合地基沉降量的计算 理论，当基础荷载小，桩与土处于弹性状态，可用弹性分析法求取复合地基的沉降量，当基础载荷 大时，桩体发生侧向凸出，须用塑性分析方法求解，两者都计算完毕后，取其最大值。 a l a m g i r 等【4 8 1 ( 1 9 9 6 ) 在分析柔性基础下端承桩复合地基时，假定桩和桩间土均为线弹性体， 通过选择合适的典型单元体变形模式，利用典型单元体侧面零剪应力和桩土界面位移协调条件，通 过各桩、桩间土单元的平衡分析给出了柔性基础下端承桩复合地基中桩和桩周土的附加应力和沉降 计算的解析方法。 c a n e t t a 等m 9 1 假定桩侧摩擦阻力与桩土的相对位移满足弹性变化规律，得到桩分担的荷载与桩顶 沉降的关系式，根据等应变假定，土体位移等于桩顶位移，从而导出土分担的荷载与土体沉降关系 式。 e k s t r o m 等5 0 1 认为文献【4 2 】中不能考虑桩顶发生向上刺入的情况，仅适于刚性基础的沉降计算， 对于柔性荷载不适用。 董必昌等【5 1 1 从c f g 桩复合地基沉降变形模式出发，推导出一种考虑桩一土一垫层相互作用的沉 降计算方法。 池跃君等【5 2 1 对规范建议的刚性桩复合地基沉降计算方法进行了讨论，指出该法在应力场假定、 加固区复合模量的取法上还有待完善。根据试验结果并结合理论分析，提出沉降计算的一种近似方 法一双层应力法。 杨涛f 5 3 1 引入刚性摩擦桩沉降计算中常用到的“中性点”概念，推导柔性基础下悬桩复合地基的 沉降公式。 施建勇和邹坚f 钳1 对深层搅拌桩复合地基沉降计算理论进行了研究，运用单位元法推导了该类复 合地基沉降计算公式。 s 东南大学硕士学位论文 詹云刚等( 5 5 】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。 潘星嘲阐述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，包括其计算厚度、 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的优点，并指明了 后续的研究工作。 刘席军等【5 7 】应用受力平衡分析对c f g 桩复合地基桩间土模量进行了详细推导，同时考虑成桩过 程的扰动，提出利用圆孔扩张理论计算扰动区半径，改进和完善了复合土体和桩间土模量的计算方 法，有助于提高沉降计算精度。 王炳龙掣5 8 1 根据某加固深厚层软土的试验成果，研究地基沉降规律控制软土路基工后沉降的效 果及c f g 桩地基沉降的计算方法。 王瑞芳等【5 9 - 6 0 l 采用有限元a n s y s 程序对c f g 桩复合地基单桩、群桩的荷载传递规律、变形特 性及影响因素进行了分析，得出了减小复合地基沉降的方法和措施，对工程有一定的借鉴作用。 汪小平1 6 1 】等讨论了关于c f g 柱沉降计算的凡种其他方法的优缺点，并将有限元法运用在复合地 基沉降计算中，取得了与实际比较接近的结果。 上述文献中大部分仍然从理论计算的方法，采用将复合地基分为加固区和下卧层的悬想，但着 重解决的是加固区压缩量的求法，结合现场试验及数值模拟分析来共同求解的较少。 1 3 本文主要研究内容 c f g 桩复合地基在高层建筑、超高层建筑、高速公路上的应用比较多，这方面的研究成果也比 较多，而在高速铁路运用c f g 桩处理软土地基还是刚刚起步，在路堤荷载下复合地基的工作机理和 沉降变形规律尚不完全清楚，对路堤一垫层- - c f g 桩及地基土体这一体系变形影响因素的分析目前 还缺乏系统细致的研究，这对主要按控制沉降设计的高速铁路而言，对c f g 桩更为合理的应用无疑 是一个限制。在复合地基沉降变形计算方面，虽然目前的计算方法很多，但是由于软土性质的复杂 性，由理论公式法计算的结果和数值模拟的结果与实测值相差较大，仅能作为设计时参考，而各种 利用实测资料来推算复合地基沉降变形的方法，其推算结果又各不相同。因此。针对高速铁路沿线 的软土地基，如何得至0 全面分析各种因素对c f g 桩复合地基的沉降变形的影响情况，需结合现场试 验来研究，而在这方面却做的比较少。 针对上述不足和发展方向，本文所做的工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 广泛搜集国内外复合地基处理的相关研究资料，进行整理归类，总结国内外复合地基沉降 变形的研究现状。 ( 2 ) c f g 桩复合地基沉降变形的现场测试研究：结合京沪高铁风阳试验段，在地基土中埋设 土压力盒、孔隙水压力计、分层沉降管、沉降板等监测装置，测试复合地基的桩土应力、孔隙水压 力、地基分层沉降、地表沉降的变化情况，并对数据进行分析，对不同方案的加固效果进行对比， 分析c f g 桩复合地基沉降变形随荷载、时间的变化规律。 ( 3 ) c f g 桩复合地基的沉降变形计算研究：对路堤一垫层- - c f g 桩及地基土体这一体系的沉 降机理以及沉降发展过程进行分析；根据现有刚性桩复合地基沉降计算理论成果，分析这些计算公 式的优缺点，并重点介绍了带褥垫层的c f g 桩复合地基的沉降计算求解方法，通过具体工程实例验 证了其在高速铁路c f g 桩复合地基沉降计算中的可行性 ( 4 ) 根据京沪高速铁路现场地质参数建立数值模型，利用现场试验的测试结果检验数值模型并 6 第一章绪论 进行改进；通过数值模拟分析c f g 桩复合地基的性状，包括桩、土应力分布，孔隙水压力及地表沉 降随时间的交化情况。 ( 5 ) 建立数值模型，分析c f g 桩复合地基在路堤荷载作用下，桩长、桩间距、桩帽尺寸、垫 层厚度、桩帽类型等因素对复合地基桩、土应力和沉降的影响，得到c f g 桩处理高速铁路沿线软土 地基时复合地基的沉降变形规律，为实际工程的优化设计提供一些参考。 7 第二章高速铁路c f g 桩复合地基沉降变形现场测试研究 第二章高速铁路c f g 桩复合地基沉降变形现场测试研究 2 1 引言 软土地基由于地基土体强度低、压缩性大、渗透系数小等特性，在其上修筑路基时，地基变形 问题突出，过大的变形将影响路基的稳定性，进而影响轨道的稳定和平顺，而且持续时间较长。因 此，在这种地基上修建高速铁路路基，应将其工后沉降量控制在允许范围内，使其不影响列车高速、 舒适、安全运行。京沪高速铁路设计暂行规定要求路基工后沉降量不应大于5 c m ，桥台台尾过渡 段路基工后沉降量不应大于3 c m ，工后沉降不能满足要求时。应采取地基加固处理措施。本章针对 软土地基上修建高速铁路所面临的变形控制问题，结合京沪高铁凤阳试验段的测试结果，分析了c f g 桩复合地基在路堤荷载作用下的桩土应力、孔隙水压力、地基分层沉降以及地表沉降的变化情况， 对高速铁路的c f g 桩复合地基的沉降变形有一个较为全面的了解。 2 2 工程概况 理。 京沪高速铁路的路基按3 5 0 k m h 双线无碴轨道路基标准进行设计，地基采用c f g 桩复合地基处 2 2 1 工程地质条件 试验工点位于安徽省滁州市凤阳县刘府镇内。试验段地貌属淮河二级阶地，地形平坦，地势开 阔，多辟为水田，地表水系较发育。本试验段选择d k 8 5 4 + 6 4 0 d k 8 5 5 + 1 0 0 段进行现场试验，地质 纵断面参考下图2 1 ，地层及其特性如下 ( 1 ) 1 ：黏土，褐黄色，软硬塑，厚5 4 7 6 m ，c r o = 1 6 0 k p a 。主要物理力学指标：w = 2 5 4 1 ， ) ，= 1 9 6 k n m ，e = 0 7 7 ，g = 5 2 1 5 k p a ，纯= 1 7 6 0 。，q = 0 3 1 ，e s o , v o 2 = 6 4 9 m p a 。 ( 1 ) 2 ：黏土，褐黄色，硬塑，含铁锰质结核3 - 8 ，直径2 , - 一3 r n m ，c r o = 2 0 0 k p a 。主要物理力学 指标：w = 2 3 9 6 ，7 = 2 0 0 k n m 3 ，e = 0 7 1 ，g = 6 9 8 7 k p a ，纯= 1 8 5 7 。，a v - - - 0 1 8 ，e s o m 2 = 1 0 3 0 m p a 。 ( 2 ) 1 ：全风化角闪岩( p t l z ) ：灰绿色，岩心呈土状，砾砂状，夹租角砾状，直径2 - 6 c m ，含量1 0 2 5 ，局部为碎石状，直径6 1l e m ，含量1 0 1 5 ，手能捏碎，c r o = 2 5 0 k p a 。 ( 2 ) ，2 ：强风化角闪岩( p t l z ) ：灰绿色，岩心呈碎石状。直径2 - 1 0 c m ，含量4 0 5 0 ，局部岩心呈 短柱状，柱长8 - 1 5 e m ，锤击可碎，c r o = 5 0 0 k p a 。 ( 2 ) 3 ：弱风化角闪岩( p t l z ) ：灰绿色，青灰色，岩心呈柱状，节长7 - 4 0 c m ，节理裂隙较发育， 锤击声脆，- - - 8 0 0 k p a 。 试验工点地下水系较发育，埋深约0 8 m ，属孔隙潜水，无侵蚀性，主要由大气降水及地表水补 给。 8 东南大学硕士学位论文 2 2 2 试验设计方案 试验段分为四个区，每个区长度在9 0 1 4 0 m 左右，在每个区选择一个观测断面。试验工点设计 方案如表2 1 。 表2 - 1d k 8 5 4 + 6 4 0 一d k 8 5 5 + 1 0 0 试验工点试验方案 区 桩间距桩直径桩帽直 里程范围 桩长 垫层结构路堤填筑情况 间 ( m )( m )径 a 0 6 m 碎石垫层+ 一层4 1 m 路堤+ 3 m 预 d k 8 5 4 + 6 4 0 一d k 8 5 4 + 7 3 0 1 0 1