（地质工程专业论文）潮汕车站超大面积深厚软土桩网复合地基性状数值分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 桩一网复合地基处理软土具有施工速度快，对周围环境扰动小，工后不均匀沉降较 小，且大部分沉降发生在施工期等特点，是一种有效的深厚软土地基处理形式。因此 近年来在国内外获得广泛应用，目前已应用于高速公路基础处理、桥头跳车处理、铁 路软基、油罐基础及工民建等。 本文基于潮汕车站地区深厚软土的地基处理，采用统计分析、数值模拟的方法， 研究潮汕软土的工程特性以及软土在无加固情况下变形规律、桩网复合地基的作用机 理和沉降规律等。主要研究内容和成果如下： ( 1 ) 对国内外桩网复合地基理论研究现状进行了总结，分析了桩网复合地基的组成 及其机理。 ( 2 ) 基于潮汕车站地区典型地段软土的工程勘察资料，对其物理力学特性进行了详 细的阐述，分析了潮汕地区软土的“三高三低”工程特性。 ( 3 ) 根据潮汕车站d k 2 0 5 + 8 7 0 断面路堤的特性，运用数值软件f l a c 3 d 进行了不 同模型下桩网复合结构荷载传递规律和沉降规律的分析。分析发现：软土沉降量随 填土高度的增加而增大。最大沉降发生在路基中心表层，最大侧向位移发生在坡脚下 1 0 m 处。随着桩间距的增加，桩身轴力、桩侧摩阻力及负摩阻力影响深度都随之增 大。桩帽对桩身轴力及桩侧摩阻力影响深度有限，超过一定深度，有无桩帽模型曲线 基本重合。桩间距的减小和桩帽的设置能够减小地基面桩间土沉降。 ( 4 ) 针对国内尚无关于桩网复合地基设计规范，总结了国外关于桩网复合地基设计 方法。 关键词：桩网复合地基；软土；有限差分法；摩阻力；沉降；桩土应力比； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t p i l e n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sam e t h o dt oi m p r o v et h eb e h a v i o ro fd e e ps o f ts o i l ， a n dh a sb e e nu s e db r o a d l yi nh i g h w a ye m b a n k m e n t ，r a i l w a ye m b a n k m e n t ，a n di n d u s t r a la n d c i v i lc o n s t r u c t i o nr e c e n t l y i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ew i d ed e e ps o f ts o i lt r e a t m e n tp r o j e c to ft h ec h a o s h a n r a i l w a ys t a t i o na r e a ，s t a t i s t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r eu s e dt os t u d yt h e e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fs o f ts o i l ，t h ed e f o r m a t i o nr u l e so fn o n - s u p p o r t i n gm o d e l ，t h ea c t i o n m e c h a n i s ma n dd e f o r m a t i o nr u l e so ft h ep i l e - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n , a n ds oo n t h em a i n c o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep r e v i o u sm e t h o d sd e a l i n g 奶t hp i l e - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o na r eo u t l i n e d t h e c o m p o s i t i o na n dm e c h a n i s mo ft h ep i l e - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o na r es u m m e du p ( 2 ) b a s eo nt h ea n a l y s i so ft h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h ec h a o s h a n d e 印s o f ts o i l ，t h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e nf o u n d ：h i 曲w a t e rc o n t e n t ，h i g hv o i d r a t i o ，a n dh i g hc o m p r e s s i b l i t y , a sw e l la sl o wi n t e n s i t y , l o wp e r m e a b i l i t ya n dl o wb e a r i n g c a p a c i t y ( 3 ) a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee m b a n k m e n ts e c t i o nd k 2 0 5 + 8 7 0o f c h a o s h a ns t a t i o n , t h ep i l e - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n tr u l e sa n dl o a dt r a n s f e rl a w o fd i f f e r e n tm o d e l sw e r es t u d i e du s i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ef l a c 3 d i ti s c o n c l u d e dt h a t ：t h es e t t l e m e n to ff o u n d a t i o nd i s t r i b u t e si nb u b b l es h a p e a n di n c r e a s e s 、机t ht h ef i l l i n gh e i g h ti n c r e a s i n g t h em a x i m u ms e t t l e m e n to c c u l sa tt h ec e n t e ro ft h e r o a d b e ds u r f a c e ，a n dt h em a x i m u ml a t e r a ld i s p l a c e m e n to c c u r sa tt h ep l a c ew h i c hi slo r e l o w e rt h a nt h et o e t h ei n f l u e n c ed e p t ho fa x i a lf o r c e ，s k i nf r i c t i o n ，a n dn e g a t i v es k i n f r i c t i o ni n c r e a s e 、撕t l lt h ep i l es p a c i n gi n c r e a s i n g t h ei n f l u e n c eo fp i l ec a pt oa x i a lf o r c ea n d s k i i lf r i c t i o ni sl i m i t e d ，p r e s e n t i n gt h el a wt l l 巩m o r et h a nac e r t a i nd e p t h , w h e t h e rt h e r ei s p i l ec a p ，t h em o d e lc u r v e sw i l lc o i n c i d e r e d u c i n gp i l es p a c i n ga n ds e t t i n gp i l ec a pc a i l r e d u c et h es e t t l e m e n to fs o i la m o n g p i l ef o u n d a t i o n ( 4 ) f i n a l l y , t h ed e s i g nm e t h o d sf o rp i l e n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o na r es u m m e du p k e yw o r d s ：p i l e - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，s o i l ，f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，s k i nf r i c t i o n , s e t t l e m e n t ，p i l e s o i ls t r e s sr a t i o 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 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：州d 芏、牛 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： ( 1 ) 对国内外桩网复合地基理论研究现状进行了总结，分析总结了桩网复合地基的 组成及其机理。详细内容参见第1 、2 章。 ( 2 ) 根据潮汕车站场坪区典型地段软土的物理力学性质，分析了潮汕车站场坪区软 土的物理力学指标取值范围、物理力学性能指标统计结果，并论证了潮汕深厚软土具 有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、渗透固结性低、抗剪切强度低和承载力 低的“三高三低”特点。从而说明潮汕软土的工程特性比较差，在这样的软弱地基上 进行工程建设，必须进行软土的处理。详细内容参见第3 章。 ( 3 ) 建立无任何地基处理措施的模型进行数值模拟，掌握了该地区软土在其施工过 程中的变形特征。填土荷载作用下，地基沉降在深度方向呈气泡式分布，影响范围与 沉降量随填土高度的增加而增大，在水平向呈弯沉盆式分布。在一定深度内，坡脚处 侧向位移最大，表明路基荷载对地基有较显著的侧向推挤作用，同时坡脚会发生较明 显的隆起现象。因此，在该地区进行路基施工时，不仅要监测路基沉降及侧向位移， 还要监测坡脚隆起量。该地区不做任何处理的情况下进行路基填筑，最终沉降量达 1 1 m ，无法满足使用要求，必须对其进行加固处理。详细内容参见第4 章。 ( 4 ) 建立f l a c 3 d 三维数值模型，分析了桩身轴力特性、桩身摩阻力特性及荷载分 担比情况。通过不同桩间距、桩帽分析了桩网复合地基的荷载传递规律。在相同填土 高度下，桩间距越大，桩身轴力越大，桩帽对桩端一定深度的轴力产生影响，超过某 一深度，有无桩帽模型曲线基本重合。无桩帽时，桩端轴力最大。桩间距的增大，可 以加大了桩的侧摩阻力，增大负的侧摩阻力影响深度，提高桩的正侧摩阻力，同时增 大了桩端侧摩阻力。桩帽对桩端一定深度的摩阻力产生影响，超过某一深度，有无桩 帽模型曲线基本重合。无桩帽时，桩头负摩阻力值为最大。详细内容参见第4 章。 ( 5 ) 建立f l a c 3 d 三维数值模型，通过不同桩间距、桩帽分析了桩网复合地基沉降 规律。桩间距的减小和桩帽的设置能够减小地基面桩间土沉降。不同填土高度，桩帽 对桩间土沉降影响程度不同。桩帽对于填土较小时，影响地基面沉降的程度较大。随 着桩间距提高，地基面桩间土沉降显著增大，桩的沉降小幅度增大，距离路基中心的 距离越大，桩的沉降越小，桩土差异沉降越小。桩帽的加入可以有效地减小桩间土沉 降和桩土差异沉降。桩端处，桩间距越大，桩间土沉降越小。详细内容参见第4 章。 ( 6 ) 建立f l a c 3 d 三维数值模型，通过不同桩间距、土工格栅强度、褥垫层弹性模 量分析了桩网复合地基设计参数对桩土应力比的影响。桩间距越大，桩土应力比越大。 土工格栅可以增大桩土应力比，提高桩所承担的荷载，随着土工格栅抗拉强度的增大， 桩土应力比增大。垫层弹性模量越大，桩土应力比越大。详细内容参见第4 章。 ( 7 ) 针对国内尚无关于桩网复合地基设计规范，总结了国外关于桩网复合地基设计 方法。详细内容参见第5 章。 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： 日期：凇r d 。r 牛 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究意义与国内外研究现状 1 1 1 论文研究意义 软土在我国的沿海和内陆地区都有相当大的分布范围，并且具有区域性。形成软 土沉积所需的地质和物理环境决定了大凡平坦的地方( 主要是沿海地区) ，如滨海平原、 河口三角洲、河岸等处，往往都有淤泥或淤泥质土的存在，而这些地区大部分又是经 济发达的地区。软土在广东省东、南、西部尤为常见，特别是在珠江三角洲地区普遍 分布。现在珠三角地区城市中所能提供的建设场地条件都比较复杂，沿海城市的新城 区和工业园多数要在软弱土地基上进行土建、水利和市政交通建设。 软土是近代水下沉积的饱和粘性土，绝大部分形成于全新世的中晚期，也有软土 层埋藏在坚硬的硬土层之下，形成期较早。但总的说来，在各种土中，软土应该说是 比较年轻的沉积物，甚至还存在正在继续沉积的欠固结软土。一般把软土厚度大于 1 0 m ，且软土底部埋深大于2 5 m 的软土称其为深厚软土。目前我国不同的行业规范中 对软土定义并不相同，建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 7 2 0 0 2 ) 1 j 中把软土定义为“淤 泥为静水或缓慢的流水环境沉积，并经生物化学作用形成，其天然含水量大于液限， 天然孔隙比大于或等于1 5 的粘性土。当天然含水量大于液限而天然孔隙比小于1 5 ， 但大于或等于1 0 的粘性土或粉土为淤泥质土 ；公路软土地基路堤设计与施工技术规 范( j t 0 1 7 - 9 6 ) z j 中定义软土为“滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙 比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土 ；岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) t 3 j 中规 定“天然孔隙比大于或等于1 o ，且天然含水量大于液限的细粒土应判定为软土，包括 淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭土等 。从上面可以看出，目前对于软土还没有统一的定 义，这也反映了软土的工程特性、形成条件、分布地区和工程建设类型的差异性。 自改革开放以来我国土木工程建设规模大，发展快。我国又是发展中国家，建设 资金短缺，如何在保证工程质量前提下节省工程投资显得十分重要。复合地基技术能 较好利用增强体和天然地基两者共同承担建( 构) 筑物荷载的潜能，因此具有比较经 济的特点。复合地基技术比较适合我国国情，因此近些年来在我国得到长足的发展。 1 9 9 0 年在河北承德市，由中国建筑学会地基基础专业委员会黄熙龄院士主持召开了我 国第一次以复合地基为专题的学术讨论会。会上交流、总结了复合地基技术在我国的 应用情况，有力促进了复合地基理论和实践在我国的发展。1 9 9 6 年中国土木工程学会 土力学及基础工程学会地基处理学术委员会在浙江大学召开了复合地基理论和实践学 术讨论会，总结成绩、交流经验，共同探讨发展中的问题，促进了复合地基理论和实 践水平的迸一步提高。复合地基与浅基础和桩基础已成为土木工程建设中常用的三种 基础形式。 桩网复合地基的特点是桩网土三者的协同工作：在网和桩土变形协同作用下，桩 土共同分担荷载；具有沉降变形小而且完成快、工后沉降易于控制、稳定性高、不需 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 预压期、工期短、施工方便等优点；通过科学合理的设计与施工，可以在天然地基上 布置成疏桩，减少用桩数量，进而大幅度降低工程建设成本，具有巨大的经济效益， 很适合于天然软土地基上的铁路、公路、城市道路、长大堤坝以及大面积填方工程。 桩网复合地基由于具有上述突出的优点，近年来应用很广泛；由于其作用机理比较复 杂，理论研究还不成熟，工程的设计成功与否常常取决于设计人员的理论水平和工作 经验，且很多设计趋于保守，没有充分发挥地基的承载力。因此有必要对其进一步研 究，使理论研究与实际经验相结合，并指导实践，从而达到安全适用、大幅提高经济 效益的目的。 1 1 2 国内外研究现状 虽然桩网复合地基在工程中已经得到了较为广泛的应用，但是国内外对它的研究 却相当滞后，目前还缺乏一套有效的设计理论和方法。 在国外，t e r z a g h i1 9 3 6 年在一个底部装有活动门的模型箱中填入砂料，做了关于平 面土拱效应的试验，后来土拱效应被用到许多土力学现象的分析中；j o n e s 等人1 4 j 给出 了桩网复合地基桩土应力比经验公式；l o w 等人【5 j 通过试验和理论研究了桩网复合地 基中桩间土的成拱性状，以及土工合成材料所起的作用，为理论研究桩网复合地基性 状起了很好的作用；r u s s e l l 和p i e r p o i n t 6 j 研究了桩间土拱形成机理；h e w l e t t 7 j 通过模 型试验，分析了砂填料在正方形布置下，方桩路堤中的空间土拱效应，但是h e w l e t t 的分析方法基于极限状态，且不满足路堤土体的受力平衡条件。在总结这些人研究成 果的基础上，英国最早建立了一套桩网复合地基的设计方法，并将其写入规范，即 b s 8 0 0 6 ( b r i t i s hs t a n d a r df o rs t r e n g t h e n e d r e i n f o r c e ds o i l sa n do t h e rf i l l s ) ，在理论上填补 了桩网复合地基设计的空白。h a n j 较早开始用数值方法模拟桩网复合地基，并取得 了大量成果【8 ，9 1 。 随着桩网结构在工程中的推广应用，我国也对其进行了积极地探索研究。在沉降计 算方面，饶为国( 2 0 0 1 ) 在考虑桩网土相互作用的基础上，推导了三点法计算工后沉 降量的公式l l 。同时，他基于t e r r a g h i r e n d u l i c 准三维固结理论和土的线弹性变形条 件，结合桩网结构路基的具体情况，建立了路基工后沉降的预测计算方法【l l j ；又以平 板模拟网单元，基于薄板大挠度变形理论，提出路基工后沉降量的直线计算方法2 j ； 另外，他将网材和垫层作为一个整体网垫层加以考虑，以薄板模拟网垫单元，基于薄 板变形理论和w i n k l e r 弹性地基模型，提出了路基工后沉降量的计算方法，所导出的计 算式能综合反映荷载大小、网及桩间土的刚度、置换率、桩土应力比等主要因素的影 响【1 2 】。在加筋垫层设计计算与载荷分担方面，于延寿、张卉等( 2 0 0 2 ) 基于力学平衡 原理，进行了网的纵横向受力分析l l3 l 。陈凯杰、雷学文等( 2 0 0 6 ) 建立简化模型，在 充分考虑桩网土协同作用的基础上，分析了影响桩网结构路基桩土应力比的主要因素 及影响规律l l4 。鲁长亮、黄生文等( 2 0 0 5 ) 利用c a r l s s o n 的土楔理论与加筋单元的受 力平衡条件，推导出桩网结构路基桩土应力比的计算式；并提出了当加筋材为单层时 桩网结构路基的一种经济合理的设计思想i l 5 。 在实验研究方面，孙宏林、王祥、李丹( 2 0 0 4 ) 针对高速铁路进行了现场试验，通 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 过对桩网结构路基的沉降变形、基底土压力等测试，分析了桩土应力比的变化过程、 土工格栅的受力特点及沉降变形规律，探讨了土工格栅等土工合成材料在控制路堤工 后沉降方面的效果及设计方案的合理化1 1 6 j 。李昌宁、王炳龙、周顺华( 2 0 0 5 ) 结合c f g 桩桩网结构路基加固上海某高速铁路试验段深厚软土地基的工程实践，对两种不同桩 长的加固效果、在路堤荷载下的沉降变形规律、土工格栅的应力应变等进行了相关试 验和现场测试研究，对桩网结构加固机理进行了更为深入的分析和探讨【1 7 j 。曹新文、 卿三惠、周立新( 2 0 0 6 ) 以遂渝铁路松软土地基为工程背景，原位测试了铺设与不铺 设土工格栅两种情况下的粉喷桩桩网结构路基的地基剖面沉降、桩顶和桩间土的土压 力、土工格栅拉力，对比分析研究了土工格栅加筋效应引。徐世强、折学森等( 2 0 0 6 ) 从分析盐渍土的工程特性入手，探讨了桩网结构路基处理盐渍土地基的方法及其作用 机理。结合嘉安高速公路玉门段应用桩网结构加固盐渍土地基的工程实践，进行了现 场试验研究。测试数据及处理效果表明，桩网结构可以有效控制盐渍土地基的工后沉 降量、减少路基病害，经济效益明显1 1 9 j 。连峰、龚晓楠等人【2 6 】为了解路堤荷载下桩网 复合工作机制，深入分析其沉降变形、荷载传递、桩土应力比和网的受力等性状，试 验成果表明，桩网复合地基可以有效减少沉降量；土工格栅的荷载传递能力强于土拱； 土工格栅的最大应变出现在桩冒边缘，仅为1 ，最小应变则出现在桩间。张栋、臧延 伟瞄j 针对我国尚无桩网复合结构桩土应力计算方法的情况，通过试验分析桩网复合结 构桩间土应力和桩土应力比随填土高度的增加的变化规律，通过试验结果检验国外桩 网复合结构设计规范中桩间土应力计算公式的适用性。肖宏、蒋关鲁【2 9 】基于 b u c k i n g h a m7 c 定理，应用因次分析方法，对桩网结构模型进行了相似理论推导，求解 了模型与原型之间的相似关系，并基于所得的相似关系，结合现场工程实践对桩网模 型进行了设计与制作。模型试验结果表明，( 1 ) 应用因次分析方法推求模型与原型之 间的相似关系是可行的；( 2 ) 桩网结构柔性拱的沉降波形呈“网兜”状；( 3 ) 土工格 栅应变随着路基填筑的增高与循环加载次数的增加而增大，土拱形成前格栅应变增大 较快，土拱形成后应变增长变得缓慢。 在数值分析方面，张建勋、陈福全等( 2 0 0 3 ) 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进行了数值模拟，探究了加固后地基的位移场、应 力场的变化规律，并与实际检测分析结果相对比，得出一些有意义的结论【2 。晏莉 ( 2 0 0 4 ) 基于f l a c 数值分析软件，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、应力分布以及土工合成材料拉力特征的分析，探讨了桩网结 构路基的基本特性和工作机理1 2 l j 。陈凯杰( 2 0 0 5 ) 运用a b a q u s 大型有限元软件对桩 网结构路基的工作形状进行了数值模拟，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探讨1 2 2 | 。闫澍旺、周宏杰等( 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点进行了分析，提出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 2 3 j 。陈福全、李大勇( 2 0 0 6 ) 以一个路基工程为原型，应用p l a x i s 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 形形状，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 构路基形状的研究弘4 1 。强小俊( 2 0 0 6 ) 应用大型有限元分析软件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，总结了随堤荷载水平、桩间距和网材性质等各主要因素变化的基本规律 1 2 5 。芮瑞、夏元友【2 7 j 应用f l a c 如在现场对比试验的基础上对桩网复合地基与桩承式 路堤两种处理方式进行三维流固耦合模拟和对比分析，揭示了不同处理方式桩项平面 沉降变形的特性，同时对桩体的应力进行了对比研究。程栋栋、闰澍旺等人【3 0 】利用平 面应变弹塑性有限元方法，建立路基的二维有限元模型进行数值分析计算。对土工格 栅在提高地基承载力和稳定性方面的有效性进行分析，并研究在置换率相同情况下桩 径和桩间距的变化以及在置换率变化条件下不同桩径和桩间距的选取对复合地基承载 力的影响规律，为今后桩基的优化设计提供可靠的参考依据。 由此可见，当前国内对桩网复合地基的受力机理、变形规律等尚未研究清楚，还远 远未达到指导设计计算或施工的水平，不能满足日益发展的实际工程需要。 1 2 论文研究目标与研究内容 1 2 1 论文研究目标 我国铁路正在实现跨越式发展，新建高速客运专线和改造既有铁路提速建设方兴 未艾。由于高速行车要求为其提供一个高平顺和稳定的轨下基础，控制变形是路基设 计的关键。事实证明，路基的变形是制约列车速度的重要因素之一。在高速情况下， 路基在重复荷载作用下所产生的累计沉降和不均匀下沉所造成的轨道不平顺将严重影 响列车运行速度、舒适度和线路养护工作量。因而变形问题成为高速铁路路基的主要 控制因素。 在全长5 0 2 k m 、设计时速2 0 0 k m h 的新建铁路厦门至深圳铁路中，潮汕车站所在 地段以其复杂的地质条件和超大面积深厚软土、液化砂土分布，成为厦深铁路设计和 施工中的一大难点，对超大面积深厚软土地基的处理是厦深铁路建设中的四大关键技 术之一。具体地说，潮汕车站地基处理工程具有以下几个特点： ( 1 ) 复杂的地质条件和超大面积深厚软土、液化砂土分布。潮汕车站所在地段土层 为海相沉积、湖相沉积和河相沉积，土的类别为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质砂层，具 有高含水量、高液限、高压缩性、孔隙率大、灵敏度高、欠固结、力学强度低的特点， 软土地基处理难度非常大。这类地质条件在广东、福建等东南沿海地区的高速铁路建 设中极具代表性，在这类软土地基上修建高速铁路，将面临地基稳定及大变形等问题， 特别是对于高速铁路路基工程而言，不仅要求路堤保持稳定性，而且要严格控制工后 不均匀沉降。 ( 2 ) 超大面积的地基处理。深厚软土和液化砂土在全长2 8 7 8 4 m 、最宽处近3 0 0 m 的潮汕车站均有分布。整个车站软基处理面积达2 5 0 0 0 0 m 2 ，其中仅车站场坪区所在区 段的软基处理面积就超过了1 0 0 0 0 01 1 1 2 。在软基处理区域不仅作用着填土荷载，还有高 速列车动荷载以及车站建筑物荷载等。在如此超大面积地域内进行软土地基处理，并 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 要求严格控制其工后沉降，其处理面积之大、沉降控制要求之高、技术难度之大，不 仅在厦深线绝无仅有，在我国沿海地区铁路、公路建设工程中也是极为罕见的。 ( 3 ) 潮汕车站的特殊性和重要性。潮汕车站位于广东省潮州市潮安县沙溪镇，全长 2 8 7 8 4 m ，是办理客运作业的中间站，同时又是广梅汕线的接轨站。在厦深高速铁路建 设工程中，潮汕站站场作为铺轨基地使用，负责全线4 7 0 k m 的铺轨，需要线下工程及 早完工，确保全线铺架工期。根据本线施工组织安排，要求2 0 1 0 年1 0 月1 日开始铺 轨，2 0 0 9 年4 月底必须完成地基处理施工。然而由于超大面积深厚软弱地基的存在， 潮油车站地基处理的设计与施工遇到了很大的困难，整个潮汕站的工期面临着巨大的 压力。 ( 4 ) 新技术、新方法、新工艺的应用。在沉降控制十分严格的情况下，传统铁路软 土地基加固方法对巨厚层、高含水量、低强度的软土而言，其加固效果难以满足高速 铁路路基工程的要求。为此，潮汕车站地基处理工程采用了一种新的铁路软土地基加 固方法一桩( 预应力管) 网复合地基法。但是桩网复合地基是一种新型的软基处理技 术，其作用机理比较复杂，理论研究还不很成熟，其工程设计多取决于设计人员的理 论水平和工程经验，缺乏试验验证。为深入研究这种加固方法的实际效果和作用机理， 需要在工程现场选取有代表性的路基断面进行现场试验研究。 由上述特点可知，对超大面积的深厚软弱地基进行处理，目前尚无现成的工程经 验可以照搬，需要采用试验手段进行探索和研究；因此，在潮汕车站进行超大面积软 土地基处理的现场试验，有着重要的理论意义和重大的工程应用价值。研究成果将为 桩一网复合地基在超大面积软基处理中的设计理论与施工方法提供重要的依据和指 导，进一步促进这种新型软基处理方法在高速铁路建设中的推广应用。 1 2 2 论文研究内容 潮汕车站场坪区大面积深厚软土地基处理，采用了预应力管桩与网复合地基处理 方法。本文通过统计分析、数值模拟的方法，研究了潮汕软土的工程特性、软土在无 加固情况下变形规律、桩网复合地基的作用机理和地基沉降规律等。主要内容包括以 下几个方面： ( 1 ) 根据潮汕车站场坪区典型地段软土的物理力学性质，分析了潮汕车站场坪区软 土的物理力学指标取值范围、物理力学性能指标统计结果，并论证了潮汕深厚软土具 有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、渗透固结性低、抗剪切强度低和承载力 低的“三高三低特点。 ( 2 ) 通过对无任何地基处理措施的模型进行数值模拟，掌握该地区软土在其施工过 程中的变形特征。填土荷载作用下，分析了地基沉降变形规律与地基水平位移规律； ( 3 ) 建立f l a c 三维数值模型，通过不同桩间距、有无桩帽情况分析了桩网复合 地基桩身轴力、桩侧摩阻力、荷载分担比的分布规律。 ( 4 ) 建立f l a c 三维数值模型，通过不同桩间距、有无桩帽情况分析了桩网复合 地基沉降规律。 ( 5 ) 建立f l a c 三维数值模型，通过不同桩间距、土工格栅强度和垫层弹性模量 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 分析了桩网复合地基设计参数对桩土应力比的影响。 1 3 论文研究方法与技术路线 1 3 1 研究方法 ( 1 ) 资料调研 对国内外已有资料进行广泛的调研搜集和评价分析，从而吸收前人的研究成果，并 在此基础上开展完善和补充工作。 ( 2 ) 现场踏勘、测绘及土工试验 通过现场踏勘，从总体上了解依托工程软土的工程力学特性，建立软土的桩网复合 地基地质模型。从现场采集具有代表性的土样进行室内土工试验，分析了潮汕地区软 土的物理力学指标取值范围、潮汕软土物理力学性能指标。 ( 3 ) 计算机辅助建模计算 在国内外资料调研、工程调查以及有关研究基础上，构建四个计算模型( 无任何 处理措施模型、桩间距2 5 m 有桩帽模型、桩间距2 5 m 无桩帽模型、桩间距3 5 m 有桩 帽模型) 对桩网复合地基沉降变形特征、荷载传递机理进行分析。 1 3 2 研究路线 论文采用技术路线如图1 1 所示。 图卜1 本文采取的技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章桩一网复合地基的基本理论 2 1 桩网复合地基的概述 2 1 1 复合地基的概念 当天然地基不能满足建( 构) 筑物对地基的要求时，需要进行地基处理，形成人 工地基，以保证建( 构) 筑物的安全与正常使用。地基处理方法很多，按地基处理的 加固原理分类，主要有下述六大类：置换，排水固结，振密，挤密，灌入固化物，加 筋，冷、热处理等。经过地基处理形成的人工地基大致上可以分成三类：均匀地基、 多层地基和复合地基。 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( 天然地基土体或被改良的天然地基土体) 和增强体两部分组成的人工地基。在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。 根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基，如 图2 1 所示。 增强体 荷载 增 强 体 图2 1 人工地基的分类 3 2 1 a ) 均质人工地基；b ) 双向地基；c ) 水平向增强体复合地基：d ) 竖向增强体复合地基 2 1 2 桩网复合地基的组成 参考相关文献的成果1 3 ，并考虑到普遍性，给出桩网复合地基的组成见图2 2 所 示。即桩网复合地基由以下几部分组成： ( 1 ) 上部( 路堤) 填土。 ( 2 ) 上部网，铺设于垫层之上( 一层或多层) 。 ( 3 ) 中间砂石褥垫层及可能存在于垫层中的网。 ( 4 ) 下部一般为非刚性桩( 如散体材料桩或柔性桩、木桩，也有可能是刚性桩) 及桩间土( 一般为天然软粘土) 。 ( 5 ) 桩土加固区下的天然软土层或持力层。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 核心部分是桩、网以及垫层。 路堤 _ f 卧持力层 图2 2 桩网复合地基组成示意副3 1 j 2 2 网的含义及基本性状 2 2 1 “网 的定义 在桩网复合地基中，“网”是一个综合概念。所谓网，应是指具有加筋补强、均 匀应力、提高承载力、减少沉降、稳固边坡、排水反滤、隔水渗透、增强抗疲劳能力 等功能，并与所包裹或接触的土体共同作用的工程材料的总称。这类材料包括土工合 成材料，钢材( 钢丝网，钢片网，钢筋网，纵横布置的钢带等) ，以及其他具有这些功 能和特征的工程材料( 如塑料板、胶合板、尼龙绳等) 。 在桩网复合地基中，“网的主要功能是加筋作用，它主要处于受拉状态。抗拉 力的网材与地基土组成复合土体，共同承载。 工程常用的是具有良好技术经济和环保性能的土工合成材料。按其产品的功能与 制造工艺不同，可主要分为以下几种：土工织物、土工膜、土工复合材料和土工特种 材料。 2 2 2 土工合成材料的功能 土工合成材料由于其自身特点以及与土体的协调作用而具有如下的功能： ( 1 ) 加筋补强。利用土工合成材料的高强度、良好韧性等功能，加入土中，可增大 土体的刚度模量，分散荷载，改变土体中的应力分布，约束土体的侧向变形，进而提 高结构的稳定性。因此要求材料具有较高的抗拉强度和刚度，与填土之间有较好的咬 合力；对永久结构还要求蠕变小、耐久性好。常用的材料有土工格栅、土工带、机织 土工织物等。 ( 2 ) 反滤。在有渗流的情况下，将某种土工合成材料铺设在保护的土体表面，一方 面，可以有效地阻止土颗粒通过，防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏；另 一方面，又允许土中的水、气自由穿过土工合成材料而排出，防止由于孔隙水压的升 高而造成土体的失稳。它可代替传统的砂砾反滤层，常用的材料有土工织物，主要是 无纺土工织物。 ( 3 ) 排水。某些土工合成材料具有良好的三维透水特性，导水率高，利用它可以在 土中形成水平和竖直向韵排水通道，在反滤的同时，把土中的水汇集排出。常用的材 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 料有无纺土工织物等。 ( 4 ) 隔离。把土工合成材料设置在两种不同的材料( 如不同粒径岩土、或岩土与其 他物体等) 之间，可以将这两种不同的材料隔离开来，避免相互混杂、污染、流失而 造成不良效果。其原理是依靠土工合成材料的高抗拉、抗项穿、抗撕裂强度，以及整 体连续性、广泛的柔韧性、良好的耐酸碱性和耐生物侵蚀性，在各种环境中有效隔离 不同的材料。当用于受力的结构体中，则有助于保证结构的状态和设计功能；用于材 料，则使存储、堆放的材料免于损失、劣化；对于废料还可以防止污染环境。常用的 材料有土工膜、复合土工膜、土工织物等。 ( 5 ) 防渗。土工膜、复合土工膜可有效防止液体的渗漏和气体的挥发。 ( 6 ) 防护。土工合成材料在防护方面的应用很广，例如防振、防冲、防沙、防冻、 防应力集中、防撕裂破坏，以及防环境污染等。常用的材料有土工膜、复合土工膜、 土工膜袋、土工网、聚苯乙烯( e p s ) 板块等。 2 2 3 土工合成材料加筋土的加固机理 2 2 3 1 受力状态与加筋效果 在水平向增强体复合地基中，土工合成材料的主要功能是加筋作用。复合地基中 的土工合成材料主要处于受拉拔状态，抗拉拔力的土工合成材料与地基土组成复合土 体。 复合土体在荷载作用下，土工合成材料产生拉伸应力，同时对土体产生一个类似 于侧向约束压力的作用，这一作用使复合土体具有较高的抗剪强度。由于土工合成材 料加筋体的侧向约束作用，复合土体变形模量也得到提高。宏观地看，在荷载作用下， 水平向增强体复合地基可能产生冲切破坏时，水平向铺设的土工合成材料将阻止破坏 面的出现，从而提高地基承载力。当地基荷载作用下发生较大变形时，地基中铺设的 土工合成材料中的拉应力和土工合成材料与土的界面上的摩擦力增大，增加对土体侧 向变形的限制，增大地基稳定性，减少地基竖向变形。 总之，由于土工合成材料的加筋补强作用，复合土体的抗剪强度、变形模量、地 基承载力、地基稳定性等都得到提高，使地基变形得以减少。 2 2 3 2 界面反应微观机理 土工合成材料与土的界面上，主要依靠咬合力、摩擦力、粘着力来传递和分担拉 拔力。界面反应微观机理如图2 3 所示。 t 图2 - 3 界面反应微观机理示意图【3 l 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 3 中，弯曲状黑粗线所示为处于受拉拔状态的土工合成材料，划阴影的部分为 土工合成材料上下方的微土块。当土工合成材料承受拉拔力时，沿着拉力方向，微土 块的前缘1 、3 、5 等处产生咬合力，而其他部分则产生摩擦力、粘着力。通常所说的 界面摩阻力是这三部分力的总和。前缘1 、3 、5 等处的咬合力使土体中产生拉应力和 剪应力，会引起土体的剪胀效应。而后缘2 、4 、6 等处土体与土工合成材料有相互脱 离的趋势，可能产生剪缩效应。从微观看，界面摩阻力沿界面分布是不均匀的。 2 2 4 土工合成材料加筋土的力学特性 2 2 4 1 单元应力分析 加筋复合土体的基本应力状态和强度增长过程如图2 4 所示。左图是未加筋的土体 单元体，在竖直荷载吼作用下，土单元体产生竖向压缩6 1 l 和侧向膨胀6 h 2 。随着竖向 荷载的逐渐增大，在压缩变形增大的同时，侧向膨胀也越来越大，直至破坏，对应于 图2 5 中的m o h r - c o u l o m b 应力圆a ，通常侧向变形要比轴向变形大一倍半。假如土单 元体中设置了水平向拉筋见图2 4 中的右图所示，通过拉筋与土颗粒间的摩阻作用，将 引起侧向膨胀的拉力传递给拉筋，则土体的侧向变形受到约束。在相同的竖向荷载作用 下，侧向变形6 h o ，加筋后的土体就好像在单元土体的侧向加了一个约束力，其加筋 的约束力相当于在侧向施加了一个静止土压力，其相应的m o h r 圆为b 。 。l 广 i l i i l l li j 11 吾6 ， 1 o 。 图2 4 加筋土单元受力分析【3 1 】 o 图2 5 加筋土强度增长分析 3 l 】 若要使加筋土体在相同的竖向荷载作用下达到破坏，则需要减少侧向压力，圆c 为加筋土单元体减少侧压力所达到破坏的应力圆。试验表明，加筋前后土体的内摩擦 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 角q 很接近，变化很小，所不同的只是增加了值c ，因此加筋作用相当于在土体中增 加了粘聚力a c 值。 2 2 4 2 加筋土的应力应变关系 在三轴试验中，用土工合成材料的加筋土与无筋土体的应力应变关系，如图2 - 6 所示。 从图2 - 6 中可见，当应变较小时，加筋对土的应力应变关系基本上无影响；当应 变达到某一界限值( 一般驴o = 1 0 ) 时，加筋对土的应力应变关系的影响逐渐显著， 强度随土的应变增大而增大。这说明只有当应变达到某一程度时，加筋才起作用，抗 剪强度才得以发挥。随着应变的增大，土的内摩擦角q 基本不变，而加筋土的粘聚力 增量a c 则随应变的增大而增大。 0 u 图2 6 加筋土的应力应变关系1 3 l j i n g o l d ( 1 9 8 2 ) 在试验的基础上，通过理论分析，得到平面应变条件下，土工合成 材料加筋土的不排水c 计算表达式，即 a c = c 1 + 丝丝! 】 ( 2 1 ) s 2 m ( 2 + j r ) 。 式中c ：未加筋土的不排水粘聚力增量，k p a ； ：土与土工合成材料的界面摩阻力发挥系数，由具体材料试验测定； 曰：土工合成材料加筋体宽度，m ； d ：土工合成材料在计算范围内的长度，m ； m ：土工合成材料的层间距，m 。 分析可知，荷载越大，加筋土的应变越大，则界面摩阻力发挥得越充分，f 就越 大；土工合成材料的层数越多，层间距m 就越小。这些因素都可导致c 增大。 2 3 桩网复合地基的协调作用 为讨论问题方便，将整个桩网复合地基体系由上到下，分成加筋土( 路堤或场坪 区) 、褥垫层、桩土加固区三部分，分别进行阐述。 2 3 1 加筋土 2 3 1 1 网土协同作用过程 网与土组成加筋土，也称为水平向增强体复合地基。这种形式的复合地基对铁路、 公路、城市道路和水利大坝来说，可构成加筋土路堤( 堤坝) ；对其他形式的建( 构) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 筑物来说，则是加筋处理后的地基。 网与土之间存在着共同作用，网主要处于受拉状体，这种共同作用是通过界面摩 阻力( 界面摩阻力= 咬合力+ 摩擦力+