（道路与铁道工程专业论文）京沪高速铁路桩板式低矮路堤激振试验技术与理论分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 捅要 桩板式低矮路堤主要由钢筋混凝土桩基、桩周土体和承台板及填方路基四大部分 组成；无论是在构造处理方面，还是在调整不均匀沉降及控制工后沉降方面，桩板式 低矮路堤都是较佳的结构形式。大型激振设备在高速铁路未铺轨的路基上的应用，仅 限于对测试动力响应的动位移、速度及加速度分析，而相关的理论研究较少。我国自 2 0 世纪7 0 年代起在动力机器基础振动学科中就存在着质弹阻理论体系和弹性半空间 理论的讨论；如何通过分析和试验修改振动参数，建立以弹性半空间理论为基础的等 效质弹阻模型就成为当前基础动力学研究中较为迫切的课题。因此，针对目前大型 激振设备动力分析理论和计算方法编制相关软件，提出基于激振器与路基相互作用 的一套计算方法，结合郑西客运专线桩板结构现场激振试验，验证了该计算方法 的正确性，对指导进一步的现场激振试验具有重要的意义。 首先，对目前大型激振设备动力分析理论、计算方法及测试技术进行研究分 析，根据文中提出的相关理论，用v i s u a lb a s i c6 o 编程计算，包括六个窗体和一个 一般模块。六个窗体分别为d t s 1 主窗体；激振器参数窗体即激励参数窗体；天然地 基窗体包括在天然地基上激振时的计算方法一动力机器基础设计规范、反力代入法、 比拟法及方程对等法；桩基窗体包括在桩基上激振时的计算方法一动力机器基础设计 规范及群桩基法；动力反应窗体包括定参集总体系和变参集总体系，通过在天然地基 或桩基窗体所得集总体系参振参数计算其动力反应；现场测定窗体是通过激振器现场 测试反算动力参数计算方法一点峰法和低频求刚度法。参考天然地基、桩基等计算方 法，提出一套实用的计算方法。 其次，建立激振器一桩板式低矮路堤的三维动力仿真模型，对激振荷载作用下桩 板式路堤的动力性能进行研究，分析不同激振频率及加载位置对桩板式路堤的峰值动 力响应影响，得出动应力随频率增加近似线性增大，加速度随频率近似4 次多项式关 系，速度随频率近他a 3 次多项式关系，动位移随频率近似2 次多项式关系，符合振动力 学关系；不同加载位置对桩板式路堤各部件的动力响应峰值略有不同程度的影响，但 数值相差均较小，可近似认为在不同位置激振，桩板式低矮路堤的动力响应无影响。 最后，通过解析计算与数值计算的对比分析，两种计算方法的动位移基本上保持 在同一水平，其中数值计算结果偏大。两种计算方法的动应力增长趋势一致；当激振 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 频率小于2 0 h z 时，值相差不大，激振频率大于2 0 h z 后，解析计算值明显大于数值计 算值；故现场激振试验时，估算动应力当激振频率大于2 0 h z 时应乘以一定的折减系 数。 关键词：桩板式路堤；测试技术；激振理论分析；编程计算；数值分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a b s t r a c t p i l e - b o a r ds t r u c t u r eo fl o we m b a n k m e n ti sm a i n l yc o m p o s e do ff o u rp a r t s ：r e i n f o r c e dp i l e s ，s o i l a r o u n dp i l e s ，p l a t f o r mp l a t ea n df i l ls u b g r a d e ，m a k i n gi tak i n do fe x c e l l e n ts t r u c t u r es t y l eb o t hi n s t r u c t u r et r e a t m e n ta n di na d j u s t i n gt h eu n e v e ns e t t l e m e n ta n dc o n t r o l l i n gt 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 t l a r g e s c a l ee x c i t a t i o ne q u i p m e n ti sl i m i t e dt ot e s t i n gd y n a m i cd i s p l a c e m e n t , v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no f d y n a m i cr e s p o n s ei nh i g h - s p e e dr a i l w a ys u b g r a d eb e f o r el a y i n gt r a c k , t ow h i c hm i n o rt h e o r e t i c a lr e s e a r c h i sr e l a t e d s i n c e19 7 0 si nc h i n a , d i s c u s s i o n sa b o u tt h em a s s s p r i n g - d a m p e rs y s t e ma n de l a s t i ch a l f s p a c e t h e o r yh a v ea l r e a d ye x i s t e di nt h eb a s i cv i b r a t i o ns u b j e c t so fd y n a m i cm a c h i n e ；h o wt om o d i f yt h e v i b r a t i o np a r a m e t e r sb ya n a l y z i n ga n dt e s t i n ga n de s t a b l i s he q u i v a l e n tm a s s - s p r i n g - d a m p e rm o d e lb a s e d o ne l a s t i ch a l fs p a c et h e o r yh a v eb e e nt h eu r g e n ti s s u ei nt h ek i n e t i cs t u d i e so fb a s i cd y n a m i c s t h e r e f o r e ， a c c o r d i n gt oc u r r e n td y n a m i ca n a l y s i st h e o r i e sa n dc a l c u l a t i n gm e t h o do fl a r g e - s c a l ee x c i t a t i o ne q u i p m e n t , as e to fc a l c u l a t i n gm e t h o db a s e do nt h ei n t e r a c t i o no ft h ev i b r a t i o ne x c i t e ra n dt h es u b g r a d ew a sp u t f o r w a r d ，c o m b i n e dw i t hf i e l de x c i t a t i o nt e s to fp i l e - b o a r ds t r u c t u r eo fz h e n g z h o u - x i 锄h i g h - s p e e d r a i l w a y ，t h ec o r r e c t n e s so ft h i sc a l c u l a t i o nw a sv e r i f i e d t h u sg r e a ts i g n i f i c a n c ee n g e n d e r e dt og u i d e f u r t h e rf i e l de x c i t a t i o no f p i l e - b o a r ds u b g r a d eo f b 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 f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tt h e o r y ，c a l c u l a t i o na n dt e s t i n gt e c h n o l o g yo fl a r g e - s c a l ee x c i t a t i o n e q u i p m e n t , v i s u a lb a s i c6 0w a sa d a p t e dt op r o g r a m m i n gc a l c u l a t i o n ，i n c l u d i n gs i xf o r m sa n dag e n e r a l m o d u l e ：d t s 一1m a i nf o r m ，e x c i t a t i o np a r a m e t e r sf o r m ，n a t u r a lf o u n d a t i o nf o r m ，p i l ef o r m ，d y n a m i c r e s p o n s ef o r ma n df i e l dt e s tf o r m d y n a m i cm a c h i n ef o u n d a t i o nd e s i g ns p e c i f i c a t i o n ，a n t i - f o r c e s u b s t i t u t i o n ，a n a l o g ya n dr e c i p r o c i t yl a we q u a t i o nw e r ei n c l u d e di nn a t u r a lf o u n d a t i o nf o r m ；d y n a m i c m a c h i n ef o u n d a t i o nd e s i g ns p e c i f i c a t i o na n dg r o u pp i l ef o u n d a t i o nd e s i g nw e r ei n c l u d e di np i l ef o r m ； d y n a m i cr e s p o n s ef o r mi n c l u d e df i x e da n dv a r i a b l ep a r a m e t e rs y s t e mo fn a t u r a lg r o u n da n dp i l e s ，f r o m w h i c hd y n a m i cr e s p o n s ec o u l db ec a l c u l a t e d ；f i e l dt e s tf o r mw a si n v e r s ed y n a m i cp a r a m e t e rm e t h o do f f i e l dv i b r a t i o nt e s t , i n c l u d i n gp o i n t - p e a km e t h o da n dl o wf r e q u e n c yp e a l ( d e m a n d i n gs t i f f n e s sm e t h o d a s e to fp r a c t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o dr e f e r r i n gt on a t u r a l ，p i l ea n do t h e rk i n d so ff o u n d a t i o nw a sp r o p o s e d s e c o n d l y ，t h r e e - d i m e n s i o n a ld y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo fv i b r a t i o ne x c i t e r - p i l e - b o a r ds t r u c t u r eo f l o we m b a n k m e n tw a se s t a b l i s h e dt os t u d yd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ep i l e - b o a r ds t r u c t u r eo fl o w e m b a n k m e n tu n d e re x c i t a t i o nl o a da n dt h ee f f e c t st od y n a m i cr e s p o n s ep e a k sf o rd i f f e r e n tv i b r a t i o n f r e q u e n c ya n dl o a dp o s i t i o n ，d y n a m i cs t r e s si n c r e a s e dl i n e a r l yw i t hi n c r e a s i n gf r e q u e n c y ，a c c e l e r a t i o nw a s a p p r o x i m a t e l yf o u rt i m e sp o l y n o m i a lr e l a t i o n sw i t hf r e q u e n c y ，t h es p e e dw a sa p p r o x i m a t e l yt h r e et i m e s p o l y n o m i a l r e l a t i o n sw i t hf r e q u e n c yw h i l ed y n a m i cd i s p l a c e m e n tw a sa p p r o x i m a t e l yt w ot i m e s p o l y n o m i a l r e l a t i o n sw i t hf r e q u e n c y ，w h i c hw a sc o n s i s t e n tw i t hm e c h a n i c a lv i b r a t i o nr e l a t i o n s h i p ； t h e r e f o r e t h ee f f e c to fd i f f e r e n tl o a dp o s i t i o nt ot h ed y n a m i cr e s p o n s ew e r es l i g h t l yd i f f e r e n t , s ol o a d p o s i t i o nw a st h o u g h th a v i n gn oi m p a c tt ot h ed y n a m i cr e s p o n s e f i n a l l y ，a n a l y t i c a lc a l c u l a t i o na n dn u m e r i c a lc o m p u t a t i o nw e r ec o m p a r a t i v e l ya n a l y z e d ，t h ed y n a m i c d i s p l a c e m e n to ft h et w om e t h o d sr e m a i n e de s s e n t i a l l yt h es a m el e v e l ，i nw h i c hn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l v 页 r e s u l t sw e r er e l a t i v e l yl a r g e r ；t h ed y n a m i ct r e s sg r o w t ht r e n d so ft h et w om e t h o d sw e r ea l m o s tt h es a m e w h e nt h ed y n a m i cf r e q u e n c yw a sl e s st h a n2 0 h z , b u tw h e nt h ed y n a m i cf r e q u e n c yw a sg r e a t e rt h a n2 0 h z , t h er e s u l to fa n a l y t i c a lc a l c u l a t i o nw a so b v i o u s l yb i g g e rt h a nn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n s ot h ed y n a m i c s t r e s ss h o u l db em u l t i p l i e db yac e r t a i nr e d u c t i o nf a c t o ri nt h ec a s eo fv i b r a t i o nf r e q u e n c yl e s st h a n2 0 h z i nt h ef i e l dt e s t k e y w o r d ：p i l e b o a r ds t r u c t u r eo fl o we m b a n k m e n t ；t e s t i n gt e c h n o l o g y ；e x c i t a t i o nt h e o r y ；p r o g r a m m i n g 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 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d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：主橇指导棚签名：哆像 日期：驯护5 i l 纺 日期：矽i o ，节功 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本文依托京沪高速铁路桩板式低矮路堤工程实际，详细分析了不同激振频率 及不同激振位置对桩板式路堤的动态响应影响，并针对目前大型激振设备动力分 析理论和计算方法编制相关计算软件，提出基于激振器与路基相互作用的一套计 算方法。结合郑西客运专线桩板结构现场激振试验，验证了该计算方法的正确 性，对指导进一步的现场激振试验研究提供了技术储备。 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说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：事花 十， 日规： 伽肜严，2 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究的背景与意义 第1 章绪论 京沪高速铁路经过海河、黄河、淮河及长江中下游冲积平原，沿线广为第四系地 层覆盖，厚度最大超过2 0 0 m ，且成因类型、埋藏规律复杂，工程性质差，是目前在建 高速铁路中地基条件最为复杂的一次双线无砟轨道客运专线的高速铁路。京沪高速铁 路虹桥枢纽段地处长江三角洲平原区的上海市，地貌类型属滨海平原地区，地势平坦 宽阔，河渠纵横，水塘密布；地面标高一般为1 3 m 2 5 m 之间，高差为2 2 m 。本段均 为第四系地层覆盖，由江河、湖泊、海相沉积形成，广泛分布厚3 5 m 4 0 m 的淤泥质 软土，无砟轨道客运专线铁路严格的工后沉降控制标准对深厚软土地基的处理提出了 更高的要求。 近年来处理软土地基常用方法难以满足本工点深厚软土地基下的承载力和工后沉 降要求，因此从京沪高速铁路的地基条件及工程需要，迫切需要寻求一种强度高、刚 度大、稳定性和耐久性好，并且建筑成本适当、施工工艺简单的高速铁路路基新型结 构；从而促使许多新技术、新方法和新结构的产生，桩板式低矮路堤是高速铁路无砟 轨道一种新的路基结构形式，主要由钢筋混凝土桩基、桩周土体和承台板及填方路基 四大部分组成。桩板结构的桩基竖向穿透深厚软土层，可严格控制高速铁路路基工后 沉降；桩周土体对桩基的侧向抗力，使路基桩板结构具有较大的纵横向刚度；承台板 上部为填方路基，填方高度为1 3 m 1 6 r n 之间，填方路基既可忽略承台板的季节性温 差荷载，又能将桩板结构的不均匀沉降分布到更大的轨道范围内。因此，无论是在构 造处理方面，还是在调整不均匀沉降及控制工后沉降方面，桩板式低矮路堤都是较佳 的结构形式。 低路堤高度的确定没有统一的标准，通常在高速公路上最大高度小于2 m 的路堤称 之为低路堤1 】【2 】【3 】，在高速铁路上最大高度小于4 m 的路堤称之为低路堤f 4 】【5 】【6 】；也可以 把路堤高度小于动荷载能够对地基土产生较大影响高度的路堤称之为低路堤。然而， 大量的工程实践表明，这种定义方法存在着明显的不足，高低路堤的划分不仅要看路 堤的高度，更重要的应该看车辆荷载对路基的影响情况。由于低矮路堤的地基土承受 较大的动荷载而可能产生较大的塑性变形以及自身的复杂性和不均匀性，会比高路堤 产生更多的问题。当地基土产生沉降，特别是产生差异沉降时，对路基面、轨道的影 响程度要远大于高路堤所产生的影响，因为路堤自身具有一定抗变形、调节应力的能 力，路堤越矮这种能力就会越小【4 】。因此，低矮路堤处理必须从地基条件及动力响应 两方面考虑，设计与施工都要引起高度重视。 在遂渝线及郑西客运专线曾对路基桩板结构的动力响应进行了相关试验研究，文 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 曼曼曹量曼量曼曼曼曼舅曼曼曼蔓i iii 量曼量曼曼皇曼舅曼_ 献 7 】通过遂渝线桩板结构路基大比例动态模型试验，研究了桩基的荷载传递：文献【8 】 针对郑西客运专线湿陷性黄土桩板结构，通过模型试验，综合研究了桩板结构静动力 特性：而模型试验受限于模型尺寸和边界条件，得出的结果与工程实际还有一定差 距。文献 9 】通过遂渝线现场行车试验实测，对c r h 2 动力分散型机车在桩板结构试验 段高速行车条件下的动响应规律进行了研究。文献【1 0 】用d t s 1 高速铁路现场动力试 验系统，对郑西客运专线桩板结构不同断面分别进行了1 0 0 万次的现场重复激振试 验，表明其具有良好的长期使用性能，能够满足高速铁路设计要求。文献f 1 1 1 结合郑 西客运专线联调联试，在桩板结构试验工点，进行了现场实车测试，对桩板结构试验 段高速行车条件下的动响应规律进行了研究。但结构形式和地基条件都不相同、各具 特点，因此，针对京沪高速铁路深厚软土桩板式低矮路堤现场激振试验研究，以明确 线路结构的动态性能、长期使用性能、安全性能；检验设计技术条件的合理性；检验 线路的质量；验证动力学分析中动态参数的取值等具有重要意义。 1 2 淤泥质软土特性及常用地基处理方法 1 2 1淤泥类软土地质特性 淤泥类软土特定的沉积环境决定具有与之相应的物质组成和微观结构，这些又导 致它具有一系列特殊的性质，最基本的是其“三低三高 特性；即高含水量，高孔隙 比，高压缩性，低强度，低渗透性，低固结系数等特点【1 2 】【1 5 】。 1 ) 天然含水量大 软土的天然含水量一般大于液限，呈软塑流塑状态。液限一般在4 0 6 0 ， 天然含水量大于3 5 ，最高可达8 0 - 9 0 ，饱和度一般大于9 5 。 2 ) 大孔隙 软土的孔隙比大于1 o ，一般介于1 - 2 之间，最大可超过2 ，谷地相、滩涂相、沼 泽相的软土孔隙比要大一些，如滨海滩涂相软土的孔隙比最大值达到2 5 0 。 3 ) 低渗透性 软土的透水性能很低，渗透系数一般为1 0 。8 1 0 石c m s ，固结系数为1 0 5 1 0 。 3 c 5 i t i s ，垂直方向的渗透系数通常比水平方向的渗透系数要小一些。对地基排水固结不 利，常使建筑物沉降延续时间加长；同时，在加载初期，地基土中出现较高的超孔隙 水压力，影响地基的强度。 4 ) 高压缩性 软土属高压缩性土，压缩系数a o 1 o 2 0 5 m p a 1 ，且其压缩变形大部分发生在垂直 压力为0 1 m p a 左右时。对工程的直接影响是建筑物基础沉降量大，从而影响到建筑的 使用功能，甚至是安全性。 5 ) 结构性 土的结构性是指土颗粒及孔隙的性状、排列型式及颗粒之间力的相互作用。结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 性的形成原因是多种多样的，土颗粒的矿物成分、沉积条件及孔隙水中的化学成分都 会影响土的结构性。在地层形成之后，由于物理、化学作用，如次固结、卸荷、风化 及淋洗等因素都会改变原来的结构而形成新的结构性。所以，由于成因的不同，结构 性的强弱程度和稳定性也有所差异。结构性软土具有以下特点： ( 1 ) 力学特性与应力水平有密切关系，应力水平较低时土的压缩性较低，应力 水平较高时结构性受到破坏，压缩性较高，二者可以相差3 - 4 倍，甚至更 高。 ( 2 ) 结构性是不可逆的，一旦被破坏很难恢复，从而加大了土的压缩量； ( 3 ) 应力一应变关系具有一定的剪胀特性。 6 ) 触变性 软土一经扰动，其强度将被削弱、降低，若静置不动，则土的颗粒和水分子及离 子会重新组合排列，形成新的结构，强度又得到一定程度的恢复。这种含水量和密度 不变，土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬化，强度有所恢复的性质，称为土的触变 性。 7 1 流变性 软黏土在受荷后土体内应力、应变状态随时间而变化的特性称为土的流变性。土 的流变性表现为以下四个方面： ( 1 ) 蠕变特性在恒定的荷载作用下变形随时间不断发展的特性； ( 2 ) 流动特性( 或黏滞特性) 土的变形速率随应力变化的特性； ( 3 ) 应力松弛特性在变形恒定的条件下，应力随时间减小的特性； ( 4 ) 长期强度特性在长期受荷的条件下，强度随受荷历时的增长而降低的 性质。 8 ) 不均匀性 由于沉积环境的变化，软土层中常局部夹有厚薄不等的黏土层，使其在水平和垂 直方向上都具有明显差异，作为建筑物地基极易产生差异沉降。 9 ) 强度低 软土的抗剪强度很低。不排水剪切时，由= o ，c 一般小于2 0 k p a ；排水固结条件 下，由= 1 0 。 - - 1 5 。，c = 2 0 k p a 左右。当然抗剪强度的大小与施加荷载的速度和排水 固结条件有关。 软土的抗剪强度是软土地基的一个十分重要的指标，试验方法不同，得到的强度 值也不同；剪切速率的选择，土样的扰动程度，试样的大小，剪切方向等因素都会影 响测试的结果。室内试验的直剪法的明显缺点是：剪切面固定，剪切盒密封不严，不 能测定孔隙水压力，而三轴试验则可部分避免这些问题。采用原位测试方法可直接在 保持含水量、应力状态不变的情况下测得土体强度等指标，较好地解决了土样的扰动 问题，所得结果更加符合实际。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 2 淤泥类软土常用地基处理方法 一般情况下，对于一些适用于软土的常用加固方法有排水固结法( 包括堆载预压 法、超载预压法、真空预压法) ，深层搅拌法，换土垫层法，石灰桩法，高压喷射注 浆法，振冲置换法，砂石桩( 置换) 法，强夯法，加筋垫层法，短桩处理法等：处理 深度或受限于处理原理或受限于施工设备，处理深度一般不超过3 0 m 。见表1 - 1 。 表1 1软土地基处理常用方法口6 3 分类方法原理说明 在建造建筑物之前进行预压，以消除有成熟理论，效果显著，处理结果 大部分沉降，当预压荷载超过建筑物土质较均匀，需要长时间，如加设 超载预压 永久压力时可以消除部分次同结沉降垂直排水途径，则可大大缩短预压 为超载预压时间 砂井及各种 增加土层排水通道，缩短固结沉降时 有成熟的计算理论和设计施工经 排 间，同时提高强度验，效果显著，有加载预压效果更 塑料排水带 好 水 通过埋设予地面砂垫层中的吸水管不可避免土石方搬运，但预压力有限 断抽气造成负压而使软土层排水固( 一般可达8 0 k p a ) ，所以处理深度 固 真空预压 结，砂垫层下如设砂井或塑料排水也有限，需不断抽气，需要一定设 带，效果更佳备和用电条件 结 在土中插入金属电极并通过直流电， 在饱和粘性土中效果显著，需要一 电渗排水在电场作用下，土中水从阳极流向阴 法定设备及用电条件 极，在阴极抽水排除 降低地下水 通过与透水层联系的排水井中直接抽宜在地下水位较高的条件下进行开 水降低地下水位，使土层l 司结挖 程或软土层中存在透水层时采 位 用 砂垫层 换十和横向排水 用丁局部地基处理 利用高锤击功能使地基受冲击力和振 对于i ，1 7 或粒径小于0 0 0 5 m m i 与 振 动力使土体密实 3 0 以下的表土或浅层粘土层可采 密 强夯法 用，适用于大面积处理，较简便经 济。由于强烈振动对环境有较火影 法 响，必要时通过试验确定采用 挖除一定深度的软土层，回填性质好如遇地下水，对于重要工程须附加 的砂砾石、粉煤灰等分层夯实，提高降低地下水位设施，对于要求不高 置开挖置换 持力层承载力，减小下卧层附加应力 的建筑物可采用水下抛填石碴或碎 换 石，简易可靠 拌利用振冲器在高压水流作用下边振动 用于不排水抗剪强度人于等t 2 0 k p a 入 边冲，使地基成孔，在孔内填入碎的软士地基，施工时排出的泥浆须 振冲置换 石、卵石振密成桩，桩与桩间土组成预先安排出路，效果显著 法 复合地基 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 将注浆管通过钻孔置入预定深度，然亦称旋喷桩或p p c 法，可用以处理既 高压喷射 后高压喷射浆液( 常用水泥浆) 冲切有建筑物地基，还可作防渗帷幕、 土体，同时旋转提升注浆管，生成水基坑维护。水泥浆有时冒出流失， 注浆 泥一土桩 应预先采取措施，需要一定设备 用水泥或石灰通过深层搅拌机与土搅效果显著，不仅j j j 于提高地基承载 水泥土搅拌成桩，桩可布置成连续墙或格栅构力及减少沉降，目前已应用到深度 拌法造，可分为喷浆搅拌和粉体喷射搅拌小于l o m 的基坑支护工程中 二种 机械成孔，填入生石灰碎块或在石灰施工较简便，处理有一定效果，承 中再掺入水硬性材料压实成桩，利用载力提高有限，仅适用于要求不高 石灰的吸水膨胀及与土间的离子交换的建筑物，运输、施工中应加强劳 石灰桩 作用改善桩周土的性质，桩一土组成 保工作 复合地基 利用管内或管外投料的方式在地基中利朋废料，施工中少污染，节约投 制成钢渣桩，由于钢渣成份很接近水资，可提高承载力0 5 1 - 5 倍 钢渣桩 泥，与土中水作用后能自凝成桩，与 桩周十组成复合地基 电化学注 加同用的化学溶液在电渗作用下渗入用于不适合高压注浆的建筑物地 注 浆 土中或胶体在电泳作用下渗入土孔隙基，不适用高导电性土，造价高， 中 处理后地基七质改善不均匀 浆 浆液在高压作用下，使原有的孔隙或处理后地基土质改善不均匀 法 劈裂注浆裂隙扩张，使低透水性土的可灌性和 浆液扩散距离增大 在上层中埋入土上聚合物或抗拉板条土工聚合物近年已广泛采用，其本 以增加土的抗拉能力，根据不同目的身性质及与土的相互作用尚须进一 加筋 采用的材料可以反滤、渗透、防渗、步研究。 隔离等。 加 将锚杆一端锚同于土坡或地基中稳定有效维持承受侧向荷载或浮力的结 锚同 的地层中，另一端与结构物联结以抵构物稳定。 强 抗结构物所承受的侧向作用力或浮力 一群小直径( 7 5 2 5 0 姗) 的就地灌用于稳定士坡、支挡结构物或提高 树根桩注桩，可以是竖向的或斜向地基承载力，也用于处理已有建筑 物地基 要童三兽查茎堡圭至至兰兰堡兰耋量! 墨 1 3 国内外桩板结构的结构形式 131国外的桩板结构形式 德国纽伦堡一英戈尔施塔特线( 1 9 9 8 2 0 0 5 ) 修建桩板结构路基总5 4 3 k m ，该 段地基由第四纪上层和下面的中侏罗纪早期土层组成，层厚) b s - - 2 0 m 不等，下卧层为 硬层，黏性土内部有砂质土，这种黏土易于下沉，还具有膨涨性。所采用的桩板结构 钻孔桩直径09 m 桩端伸入硬层，桩顶现浇06 m 厚钢筋混凝土板i ，图1 1 。 图1 - 1 德国纽伦堡英戈尔施塔特线桩板结构 荷比高速铁路阿姆斯特丹至布鲁塞尔线( 2 0 0 0 2 0 0 8 ) ，全线铺设无砟轨道，采 用了“无沉降桩板结构”。“无沉降桩板结构”由钻孔灌注桩和现浇钢筋混凝土板构 成，一联共6 跨每跨4 r a ，全长2 6 m ，横向桩间距3 m 【t 9 1 。 图1 - 2 荷比高铁无沉降桩板结构 意太利米兰一都灵高速铁路某地段，由于有7 米厚的有毒土壤，当局不愿移除， 所以选择1 米高的高架桩板结构通过。板由桩支承，桩贯穿过污染层，桩壁裹覆塑性 材料作为提供侧向支承及隔离污染层；桩与板为整体结构，板宽6 5 8 m ，单块扳长 度为4 8 6 0 m ，桩径12 m ，横向间距6 m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 l ! 生j 图1 3 米兰都灵高架桩板结构 英法海底隧道连接线在穿越一个沼泽地区时有7 h 路基采用了“桩扳结构”这 种桩板结构由桩基础和钢筋混凝土板构成，横向分布4 排桩，桩间距为25 m 【“。 图1 4 英法海底隧道连接线( 英国段) 桩板结构示意图 132国内的桩板结构形式 遂渝线无砟轨道综合试验段地基沉降及工后沉降的控制采用了钢筋混凝土桩板结 构，表层地基土为o 5 8 m 的松软土，其下为基岩，它出下部钢筋混凝土桩基、路基本 体与上部钢筋混凝土承载板组成，承载板直接与轨道结构连接。承载扳的尺寸为4 4 m 0 6 m r 3 0 m ，一联6 跨 塑堕塑蔓l 堕量 翠要霸耳霉霸 ! 矗! 品 。i 图l 一5 遂渝线路基桩板结构 郑西客运专线灵宝省界段，在地基为深厚层湿陷性黄土的低路堤、路堑上采用 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 了桩板结构。其钢筋混凝土板位于轨道混凝土支承层下，承台扳左右线分幅单块板 宽49 9 m ，桩横向问距5 m 。普通地段板厚08 m ，纵向跨度8 7 2 m ，桩径1 o r e ：跨涵洞 处板厚lo m 纵向三跨。联，跨度分为80 8 m + l o m + 80 8 m ，桩径12 5 m 。每3 跨2 61 6 m 设一伸缩缝，采用横向托梁联接，最大桩长6 0 m 1 8 1 1 1 。”。 a 横断面b 纵断面 图1 - 6 郑西线灵宝省界段路基桩板结构 郑西客运专线新华山和新临潼车站，在地基为深厚层灞陷性黄土的路堤上采用了 埋入式连续桩板结构。这种桩板结构由钻孔灌注桩和现浇钢筋混凝土承台板构成，承 台板上填筑0 4 o6 m 厚级配碎石基床表层。上部承台板厚06 08 m ，宽1 05 m ( 除 道岔区外) ，下部基础采用直径1o m 或12 5 m 钻孔灌注桩，横向分布2 排，间距5o m 纵向桩间距一般为7o 曲o m ；埋入式连续桩板结构一联长度最大可达1 2 0 0 m 【1 9 埘l 【矧。 l 蔓笪i i 卜轨道结构2 一混凝土支撑层3 一级配碎石层4 一承载板 5 一桩基6 一改良土7 一普通土8 一地基 图1 7 郑西线站场路基埋入式连续桩板结构 有学者通过借鉴国内外客运专线经验，提出建设客运专线时采用支承于桩基础上 的弹性地基粱来代替土质路堤是控制沉降的有效方法【2 ”。 币霈 “1l i “4 ， a ) 有砟轨道b ) 无砟轨道 图1 - 8 客运专线弹性地基梁 有学者提出了一种桩板基础无砟轨道路基结构形式，桩长为1 5 m ，桩径h o6 m 承 台厚h o7 m ；并采刷变形控制设计的原则对桩板基础轨道路基结构进行动力分析， 而稀 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 认为在承台两侧宽5m 、深1 0m 的范围内进行地基处理是必要的川。 譬：墨知：z f 蚤 s 。 z i t 图1 9 桩板基础无砟轨道路基结构 有学者从控制低矮路堤沉降和减少路堤动力影响的角度。提出一种新型路基建筑 形式一无梁板板柱结构。无粱板横宽1 34 m ，沿铁路纵向1 8 2 m ，板厚1 2 0 c m ，为了减 少圬工两边设置为悬臂板；桩柱采用直径5 0 c m 的预应力混凝土管桩，桩长5 0 m ，桩横 向设置6 排纵向间距小于2 0 0 e m t s i 。 鬻 图1 - 1 0 无梁板板柱结构横断面图( 单位：g i l l ) 综上可知，桩板结构埋入路基和地基，有别于桥梁跨越空间障碍的形式。桩板结 构形式多样，从使用功能的角度，桩板结构可以分为地基处理式和路基结构式；从跨 度布置可分为连续式和分联式；从结构上线路的数量可分为单线式、取线式和多线 式：从构造形式的角度，可采用独立墩柱式、托粱式以及复合式三种；从连接方式、 组合形式及设置位置的不同，分为非埋式、浅埋式及深埋式三种。 桩板结构作为一种新型路基结构形式已推广应用于武广客专、成绵乐线、成灌线 城际客专、兰渝线、渝利线、西宝线、宝兰线、兰新线、六沾复线等的设计施工中。 桩板结构在众多铁路干线中得到应用，为设计者积累了宝贵的工程经验，其结构形式 及设计理念在不断完善和发展中；桩板结构是一种灵活的结构形式，其适用性比较 强不仅适用于深厚软弱地基、湿陷性黄土地基加固，而且适用于桥隧问短路基过渡 段，岔区路基及既有路基加固，随着高速铁路的快速发展，桩板结构作为一种新型铁 路地基加固结构将会得到更为广泛应用和推广。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 4 高速铁路路基的现场动态试验现状 我国高速铁路建设进入了大发展时期，投资规模空前。高速铁路因列车运行速度 高、乘客舒适度要求高、线路养护维修标准严，促使许多新理论、新技术、新方法和 新结构的产生。由于高速铁路高安全性、高可靠性以及严格的沉降控制标准，对线路 结构提出了高标准的要求，路基、桥梁、隧道、涵洞、轨道等线路结构物完工通车之 前需要对有关其动态性能、长期使用性能、安全性能、沉降控制等问题作专门的测试 验证和评价。为了保证高速铁路的顺利实施，一般都进行高速试验段的现场动行车试 验试验。 上世纪八十年代以来，德国开展了大量的高速铁路路基的现场行车试验，包括汉 诺威一威尔斯堡新线、库茨豪泽既有线改建、赫斯巴赫既有线改建、施瓦茨贝克既有 线改建、新线科隆一莱茵美因b 标段及新线纽伦堡一因戈尔斯达特北标段等【2 5 1 。这些工 作为建立接近真实的高速铁路路基动力荷载设计参数提供了一个可靠的基础。高速铁 路汉诺威一威尔斯堡线( 有砟轨道) 试车时，测火车在低速普速运营时，路基中的动 应力随火车速度的增加并不明显，而当火车运营速度高于1 5 0 k m h 时，动应力幅值明 显增加；此外，当火车速度约在3 0 0 - - 3 2 0 k m h 以上时，应力幅值则又基本保持在同一 水平。库茨豪泽既有线改建工程动测表明火车运营速度在9 0 - 1 6 0 k m h 时在其它条件 不变的情况下，无砟轨道下路基的竖向动应力幅值明显低于有砟轨道( 平均值分别为 1 0k p a 和3 2 k p a ) ，而且测试结果的离散性明显减小。科隆一莱茵美因线分别在运营前 2 0 0 1 年9 月对部分试验段借助现场动力试验仪，运营后2 0 0 2 年8 月和2 0 0 4 年9 月在火 车运营速度为1 4 0 3 2 6 k m h 时( 车型为i c es 和i c e3 ) ，对选出的断面进行了测试；对 基床底层的第四纪可塑状粘土采用2 4 水泥石灰混和改良的区段( 改良厚度为 0 7 m ) ，基床和路基范围的竖向动应力测试结果表明，其最大值为1 5 - 2 0 k p a 。纽伦 堡一因戈尔斯达特线在2 0 0 6 年4 月试车期间和2 0 0 6 年9 月运营期间，对北标段和南标 段选出的断面共进行了三次测试，车型为i c e t 7 和i c e3 ；结果表明，火车运营速度 为2 2 0 k m h 和2 9 7 k m h 时，基床和路基范围竖向动应力最大值分别为1 3 1 7 k p a 和1 5 2 0 k p a ( f 2 5 m ) 使振动荷载均匀地传递到所试验的路基面，可在铺设无砟轨道或有砟轨道之前直接安 设在现场测试土工结构等的动力特性。自d y s t a f i t 在1 9 9 5 年制成以来，在德国和荷 兰成功地作了1 5 个以上的现场试验。 至里圣塑查兰至圭塑至兰兰篁鎏吝里：三 二f ，。 t ：? 1，。o j 7 、i 乒 1 。- 。 兰。函0 + t t - 图l 一1 1 德国路基动力稳定试验装置d y s t a f i i 荷载板接触而积处的静应力o “由荷载板( a 49 1 m 2 ) ，激振器和隔离块产生： o “的大小可通过加钢板柬加大，附加的钢板紧固在隔离块上，也可以降下导向架柬 加大下压力。动应力。如由激振嚣的正弦波激振力斥产生，其频率范围为产5 4 5 h z 。为了模拟真实的静应力o 和动应力。抽，o 如和0 ，“大小控制应根据试验断 面的具体情况，由轨道和列车类型以及车速而定。 在激振过程中，频率和偏心质量可以改变而不需停机，因为上面2 个偏心块 ( ，a 2 ) 和下面2 个偏心块( b l ，b 2 ) 之问的相位角中可用部件e 改变( 图1 1 1 ) 。 这种可调整办法能在相当宽的频率范围内获