（道路与铁道工程专业论文）红层松软土粉喷桩复合地基现场测试与数值分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 遂宁重庆铁路( 简称遂渝铁路) 全长1 4 4 公里，是我国“四纵四横”快速 铁路网主骨架中沪汉蓉通道的重要组成部分，是连接成都与重庆两个特大城 市的便捷快速通道，是我国第一条一次铺设跨区间无缝线路、旅客列车时速 2 0 0 公里、货物列车时速1 2 0 公里的客货共线新建铁路。遂渝铁路经过地段 大部分为红层软岩风化、剥蚀而成的低山丘陵地貌线路地基是以红层软岩 风化物质沉积为主的软粘土，压缩性高，渗透性弱，承载力低。红层泥岩软 土地基的工后沉降大，沉降持续时间长，根据时速2 0 0 k n 】g h 铁路设计暂规 要求，遂渝铁路红层地区路基需要进行加固处理，才能满足时速2 0 0 公里铁 路路基工后沉降的要求。本文以此为背景，采用粉喷桩加土工格栅复合地基 加固措施，并选择遂渝铁路d k l o 作为试验工点，进行了现场监测和三维数 值模拟，以研究红层粉喷桩加土工格栅复合地基的沉降变化规律，并判定红 层地区采用粉喷桩加土工格栅复合地基的可行性和可靠性。 d k l 0 试验工点进行为期1 年半的现场监测，其中工后监测历时1 年， 监测内容包括软土地基的沉降、路堤基床底面沉降、坡角处不同深度处的水 平位移、粉喷桩顶的土压力、桩间土的土压力、不同深度的孔隙水压力，以 及土工格栅的受力。监测结果表明，d k l 0 + 3 2 0 断面工后第一年的沉降为 0 0 3 3 - - 0 0 4 8 m ，工后总沉降为0 0 5 1 0 0 5 3 m ，满足 2 0 0 k m h 客货共线铁路 设计暂规“工后沉降不大于1 5 c m ，沉降速率不大于4 c m ，年”的要求。粉喷 桩复合地基桩土应力比为3 7 5 。土工格栅最大受力为4 8 ，7 2 k n 纽，接近土工 格栅的抗拉强度。证实采用粉喷桩处理软粘土地基是可行的。 数值模拟采用f l a c 3 d 软件，建立了粉喷桩复合地基三维模型，考虑了 复合地基的桩土界面及土工格栅的影响，模拟了路堤分层填筑过程及工后固 结过程，分析了原状和复合两种地基工况，并对两种计算结果进行了对比分 析。 论文对现场监测结果与数值模拟结果进行了对比分析，地基表面的沉降 分布趋势与现场监测成果基本一致，数值模拟的工后沉降量与现场监测结果 十分接近，可以用来预测铁路路基的工后沉降，对类似工程具有一定的参考 价值。 关键词：红层地区：粉喷桩复合地基；三维数值模拟；工后沉降 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t s u i y u - r a i l w a yi sa l li m p o r t a n tp a r to fs p e e d y - r a i l w a y - n e t w o r k i t ss p a ni s 1 4 4k i l o m e t e r sa n di ti sac o n v e n i e n ts p e e d y c h a n n e lb e t w e e nc h e n g d ua n d c h o n g q i n g s u i y u - r a i l w a yi san e wl i n ea n di ti st h ef i r s tt i m et ob u i l ds u c ha s p a n i n g - s p a c e - i n t e r v a l s e a m l e s sr a i l w a y t h er a i l w a y i su s e d b o t hf o r p a s s e n g e r - t r a n s p o r t a t i o n a n d f r e i g h t - t r a n s p o r t a t i o n t h e v e l o c i t y o f p a s s e n g e r - t r a n s p o r t a t i o n t r a i na n df r e i g h t - t r a n s p o r t a t i o n t r a i ni s2 0 0k i l o m e t e r s p e r h o u ra n d 1 2 0k i l o m e t e r s p e r h o u rr e s p e c t i v e l y t h ef o u n d a t i o no f s u i y u r a i l w a yi ss o f tr e d l a y e r t h ed i s t i n c tp r o p e r t y o fr e d l a y e ri sh i g h c o m p r e s s i b i l i t y , l o wb e a r i n gc a p a c i t y a n d v e r y s m a l l p e r m e a b i l i t y t h e s e d i m e n t a t i o nr a t eo fr e d - l a y e rf o u n d a t i o ni ss m a l la n dt h es e t t l e m e n ti s v e r y l a r g e i n o r d e rt os a t i s f i e dw i t ht h e s u b g r a d e sd e s i g n c r i t e r i o n o ft h e 2 0 0 - k i l o m e t e r s p e r - h o u r - r a i l w a ys o m er e i n f o r c e m e n ts h o u l db ed o n et ot h es o f t c l a yf o u n d a t i o n t h ed j m p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nr e i n f o r c e dw i t hg e o g r i di s u s e dt os t a b i l i z et h ec l a yf o u n d a t i o nt h e r e f o r e i no r d e rt os t u d yt h es e t t l e m e n t v a r i a t i o nl a wo fd j m - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，i n - s i t em e a s u r i n ga r ed o n ea n d t h e3 dn u m e r i c a lf o u n d a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt o t h ed k l 0 w o r k i n gs e c t i o no fs u i y u r a i l w a y a l lo ft h er e s u l t si su s e dt oa s s e s st h e f e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es t a b i l i z e dt e c h n o l o g yo fd j m p i l ew i t hg e o g r i d c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni nr e d l a y e ra r e a f i e l do b s e r v a t i o ni nd k l 0 w o r k i n gs e c t i o nl a s t e do n ea n dah a l fy e a r s ，t h e o b s e r v a t i o na f t e rc o n s t r u c t i o ni so n ey e a r t h es e t t l e m e n to fc l a yf o u n d a t i o n s e t t l e m e n to fe m b a n k m e n tb e d d i n g ，h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fs i d e s l o p e - c o r n e r i nd i f f e r e n td e p t h s ，p r e s s u r e so fp i l e - c a pa n ds o i l ，p o r e w a t e r p r e s s u r e s o f d i f f e r e n t d e p t h s a n ds t r e s so f g e o g r i dh a d b e e nm e a s u r e d t h e b e y o n d c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n ta f t e ro n ey e a ri s0 0 3 3 - - 0 0 4 8 m t h eo v e r a l ls e t t l e m e n ti s 0 0 5 1 - 0 0 5 3 m t h ed e s i g n i n gc r i t e r i o no f 2 0 0 - k i l o m e t e r s - p e r - h o u r - r a i l r u a d r e q u e s tt h a ts e t t l e m e n ta f t e rc o n s t r u c t i o ns h o u l dl e s st h a no re q u a lt o0 1 5 m ， s e t t l e m e n tv e l o c i t ya f t e rc o n s t r u c t i o ns h o u l dl e s st h a no re q u a lt o4c e n t i m e t e r s p e ry e a r i ti ss h o w nt h a tt h es e t t l e m e n ti ss a t i s f i e dw i t ht h ed e s i g n i n gc r i t e r i o n t h es t r e s sr a t i oo fp i l et os o i li s3 7 5 t h em a x i m u mv a l u eo fg e o g r i ds t r e s si s 西南交通大学硕士研究生学位论文第j ff 灾 4 8 7 2k i l o n e w t o np e rm e t e r , w h i c hi sc l o s e dt ot h eg e o g d dl i m i t e dt e n s i l e s t r e n g t h i ti sf e a s i b l et ou s ed j m - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nt os t a b i l i z es o f tc l a y f o u n d a t i o n t h e3 d d j m p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nm o d e l i se s t a b l i s h e d u s i n g f l a c 3 ds o f t w a r e n ep i l e s o i lc o n t a c ts u r f a c ea n dg e o g r i di st a k e ni n t oa c o u n t t h ce m b a n k m e n tb u i l d i n gp r o c e s sa n dc o n s o l i d a t i o np r o c e s sw e r es i m u l a t e ds o a s t oa p p r o a c hw h a ti sa c t u a l l yh a p p e n i n g a n a l y s i sa n dd a t ac o n t r a s ti sd o n e b e t w e e no r i g i n a lf o u n d a t i o na n ds t a b i l i z e df o u n d a t i o n d a t ac o n t r a s ti sd o n eb e t w e e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nn u m e r a t i o nr e s u l t sa n d f i e l do b s e r v a t i o nr e s u l t s t h ef o u n d a t i o ns u r f a c es e t t l e m e n td i s t r i b u t i o nt e n d e n c y o fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nn u m e r a t i o nr e s u l t sa n d s i t e m o n i t o r i n gr e s u l t s i s i d e n t i c a l t h es e t t l e m e n ta f t e rc o n s t r u c t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nn u m e r a t i o n r e s u l t si sv e r yc l o s et ot h es i t e - m o n i t o r i n gd a t a a c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o nt h e 3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dc a r lb eu s e dt oi n d i c a t et h es e t t l e m e n to fr a i l w a y f o u n d a t i o na f t e rc o n s t r u c t i o n i tc a l ls u p p l ys o m er e f e r e n c e st os i m i l a r p r o j e c t s k e yw o r d s ：r e d l a y e ra r e a ，d j m - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n , 3 dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nn u m e r a t i o n ，s e t t l e m e n ta f t e rc o n s t r u c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文背景和意义 第1 章绪论 遂宁重庆铁路( 以下简称遂渝铁路) 全长1 4 4 公里，是我国“四纵四横” 快速铁路网主骨架中沪汉蓉通道的重要组成部分，是连接成都与重庆两个特 大城市的便捷快速通道，也是我国在西南地区建设的第一条一次铺设跨区间 无缝线路、旅客列车时速2 0 0 公里、货物列车时速1 2 0 公里的客货共线新建 铁路。 由于快速客货共线铁路的安全性、舒适性、平稳性比常规普通铁路要求 更高，而我国兴建快速铁路的历史才刚刚起步，设计、施工技术还不够成熟。 遂渝铁路又具有“客货共线、货车轴重( 2 5 t ) 较客运专线( 1 8 t ) 大，路基承 受列车荷载的动力作用大”等特点，其对线路结构的变形与稳定要求更高。因 此，对如何控制和保持通行2 0 0 k m h 客车和1 2 0 k m h 货车条件下跨区间无缝 线路的高平顺性，是遂渝铁路建设中需要解决的关键技术问题。 遂渝铁路所经遂宁合川i 约1 0 5 k m ，该地段大部分为红层软岩风化、剥 蚀而成的低山丘陵地貌。沿线山间谷地低洼地段广泛分布以红层软岩风化物 质沉积为主的软粘土地基，压缩性高，渗透性弱，承载力低。在填土和列车 荷载作用下，地基将产生较大沉降特别是不均匀沉降。在路基的修建过程中， 若填筑速度过快，松软地基来不及固结、强度不能提高的情况下，可能导致 路堤失稳。路基完工后，路基的工后沉降大，沉降持续时间长，不能满足设 计规范对路基工后沉降的要求。因此，需要有针对性地对遂渝铁路的松软地 基进行加固处理。 对于高速客运专线，控制变形是轨下系统设计的关键。各种不同的结构 型式的首要目的是为高速线路提供一个平坦、均匀和稳定的轨下基础。有碴 轨道的轨下基础是由散体材料组成的道床和路基，它是整个线路结构中最薄 弱、也是最不稳定的环节，是轨道变形的主要来源，它们在多次重复荷载作 用下所产生的累积永久下沉( 残余变形) 将造成轨道的不平顺，同时它们的刚 度对轨道面的弹性变形也起关键性的作用，因而对列车的高速走行条件有重 要的影响。高速行车对轨道变形有严格的要求，因此，变形问题便成为高速 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 铁路设计所考虑的主要控制因素，尤其是路基，过去按强度破坏设计，现在 强度已不是问题了，一般地说，在达到强度破坏前，已经出现了不能容许的 过大有害变形。 确定路基工后沉降标准一般有两种途径，一根据高速行车对线路的要求 及线路维修能力来确定。如果工后沉降量不大，沉降速率慢，则可通过维修 使线路保持高度平顺，这样的工后沉降是允许的。如果工后沉降量大，或沉 降速率快，难以通过维修使线路保持高速行车所需要的轨道平顺，这样的工 后沉降量和沉降速率是不允许的。二是通过对前期建设投资与后期养护费用 的经济比较来确定。在保证高速列车运行需要的线路条件前提下，应取得经 济上的合理平衡。如果工后沉降标准定得过低，地基处理费用就会大幅度上 升。这样，后期的养护工作量虽小了，但经济上却不一定合理。所以，在保 证基本要求的前提下，应使两者取得某种平衡。不考虑经济问题来讨论工后 沉降是无意义的。 从有关文献看，欧洲国家高速铁路软土路基的沉降问题不太突出，对工 后沉降也无明文规定。日本在修建东海道新干线时对路堤沉降无明文规定， 建成后因发生了一系列问题而引起日本专家的重视。日本国铁于1 9 6 8 年首次 在规范中提出工后沉降控制在5 0 c m 之内，后经几次提高标准，1 9 7 8 年在修 改路基规范时要求路基工后沉降为1 0 c m ，沉降速率为3 c m 年。我国铁路原 本对路基工后沉降无明确规定，后来在勘察中提出应控制在5 0 c m 以内；制 定重载铁路路基技术标准时建议采用3 0 c m ；广深线路基的工后沉降为2 0 c m 。 根据我国高速铁路的技术标准，京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定提 出：软土地基上路基的工后沉降小于l o c m ，沉降速率小于3 c m 年。时速 2 0 0 k m h 新建铁路线桥隧站设计暂行规定提出：遂渝客运专线软土路基的 工后沉降小于1 5 c m ，沉降速率小于4 c m 年。 基于上述原因，控制路基沉降特别是工后沉降是遂渝线路基设计原则。 需要根据软土厚度、物理力学指标、软土基底横坡、硬壳层厚薄等情况进行 工点设计。设计前进行路基稳定性和沉降检算，确定工后沉降是否满足时 速2 0 0 k m h 铁路设计暂规要求“一般地段路基的工后沉降不应大于1 5 c m ， 桥台台尾过渡段路基工后沉降不应大于8 c m ，沉降速率应小于4 c m 年”。当 不满足时，根据软土厚度及填土高度，分别采用清淤换填、抛添片石、粉喷 桩或碎石桩加卵砾石垫层和土工格栅等加固处理。 松软土地基加固处理方法很多，总体来讲可以划分为五大类：换填置换 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 法、固结排水法，复合地基法，堆载( 真空) 预压法，化学加固法。从地基处 理的部位来讲，可以划分为地基表层( 浅层) 处理和地基深层处理两类。地基 表层( 浅层) 处理常用的方法就是换填置换法，这也是遂渝线地基表层( 浅层) 处理方法。地基深层处理除换填置换法之外的方法均可使用，但不同处理方 法的目的、工期要求不同。固结排水法和堆载( 真空) 预压法都是以加速地基 土的固结为目的的加固处理方法，考虑到遂渝线施工工期短，施工进度紧张， 对工后沉降要求高的原因，这两种方法基本是不可行的。化学加固法的成本 高，对于遂渝线地基处理巨大的工程量来讲是不能承受的，因此，为达到控 制路基工后沉降的目的，遂渝线地基深层处理以深层搅拌桩和振冲碎石桩加 土工格栅碎石垫层的复合地基处理方式。换填置换法主要是清淤换填，兼之 铺设双层土工格栅进行加筋处理。清淤换填挖除软土，换填以砂、砾、卵石、 片石等渗水性材料。全部挖除换填从根本上改善了地基，不留后患，因此， 沉降控制效果较佳。铺设土工格栅可以有效地均化地基表面路堤附加应力， 降低地基表面沉降的不均匀性。本类处理方法主要用松软土地基较薄，厚度 在1 - 2 m 情况尤其是水田、堰塘。深层搅拌桩与天然地基组成复合地基。深 层搅拌桩桩体的强度和刚度是地基土的数倍到数十倍，路堤填土荷载主要由 桩体来承担，有效地提高了路堤的稳定性，降低了路基的工后沉降量。同样 由于深层搅拌桩桩体的强度和刚度是地基土的数倍到数十倍，在地基沉降变 形过程中，深层搅拌桩顶端可能刺入路堤而加大地基的沉降，故在深层搅拌 桩复合地基表面铺设以双层土工格栅加固的碎石垫层，以均化地基的沉降， 提高桩土应力比。 粉喷桩适用于处理包括淤泥、淤泥质土、粉土、砂性土、泥炭土等各种 成因的饱和软粘土，含水量较高且地基承载力标准值不大于1 2 0 k p a 的粘性土 等地基。加固深度主要取决于使用搅拌机的动力大小及地基反力，目前国内 采用深层搅拌桩的最大深度达3 0 m ，适用工程对象为复合地基、支护结构等。 水泥粉与软土地基搅拌混合加固，是水、水泥与粘土问的物理化学反应过程。 在水泥加固软土中，软土中粘粒含量很高，水泥的掺入量很小，只占被加固 软土的7 1 5 ，水泥的水解和水化作用是在一定活性介质一土的围绕下进 行的，所以硬化速度缓慢，通常需要9 0 天，加固体强度才能达到最终强度的 9 0 。但这种速度已经能够满足路基工程的需要。 为达到控制路基工后沉降的目的，遂渝线地基深层处理中粉喷桩加土工 格栅碎石垫层的复合地基处理方式占了很大的比例，为了更好地研究这种松 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 软土地基加固方式的效果，论文对粉喷桩复合地基的变形及应力进行现场监 测，并以现场为原型，建立粉喷桩复合地基的三维计算模型。通过对比分析 现场监测成果与模型计算数据，得出了对工程实参考价值的结论，对复合地 基的计算方法进行了新的探索，使计算理论以更高的效率为工程实践服务。 1 2 国内外现状 1 2 1 软土地基沉降计算方法 软基路堤的总沉降量等于软土地基的沉降量和路堤沉降量之和。迄今为 止，关于沉降的理论分析方法可归纳为两种类型：一是理论公式法，二是数 值分析法。 。 理论公式法建立在太沙基( t e r z a g h i ) 等人创立的经典土力学基础上， 引入了许多简化假定，具有简便、直观、计算参数少且易取得等优点，因而 在工程中得到了广泛应用。早在1 9 2 5 年，t e r z a g h i 就在其著作中提出了著名 的有效应力原理，建立了一维固结理论，成为土力学发展史上的一个里程碑， 促进了土力学理论的发展，强有力地指导了土工构筑物的设计与施工。 1 9 3 6 年，r e n d u l i c 将t e r z a g h i 的一维固结理论推广到二维、三维情况， 得出t e r z a g h i r e n d u l i c 扩散方程。对于简单的几何形状和边界条件，可以求 得扩散方程的解析解，对于较复杂的边界条件和几何形状，可以借助于有限 差分法求解。 1 9 4 1 年，b i o t 根据有效应力原理、土的连续条件和平衡方程，进一步研 究了三向变形材料与孔隙压力的相互作用，推导出比较完善的三向固结方程， 提出了b i o t 固结理论。b i o t 固结理论与t e r z a g h i r e n d u l i c 周结理论的主要区 别在于：前者考虑了固结过程中，士体平均总应力随时间的变化，而后者则 假定在固结过程中土体平均总应力保持不变。其实，在一般情况下，尤其是 三维问题，固结过程中总应力保持不变的条件总是难以满足的，计算结果可 能会有较大误差。特别是t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论无法解释m a n d e l c r y e r 效应，b i o t 固结理论可以解释m a n d e l c r y e r 效应，显然比t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论更合理。但是，由于b i o t 理论将变形与渗流结合起来，固结方程的 数学求解大大增加了困难。在电算技术不发达的当时，采用级数和积分变换 等手段只能求出少数边界条件简单情况的解析解或半解析解，这无疑使得该 理论难以进一步推广和应用。 1 9 4 6 年，世界上第一台电子计算机( e n i a c ) 在美国诞生。计算机的问 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 世，引发了一场技术革命，也使土力学的研究呈现勃勃生机，出现了以b i o t 固结理论为理论基础的数值分析法。最早出现的数值分析方法是差分法，对 于以b i o t 固结理论为基础的有限元分析法有以下发展。 从1 9 6 9 年，s a n d h u 等对位移取二次插值模式，对孔隙水压力取线性模 式，应用变分原理推出了b i o t 固结理论的有限元方程，将复杂的土工计算问 题编制成有限元计算程序。1 9 7 7 年，沈珠江把b i o t 固结理论的有限单元法应 用于固结分析。1 9 7 8 年殷宗泽等根据流量平衡概念，结合虚位移原理也得到 了类似的方程，以分析饱和粘土的平面固结问题。1 9 8 4 年，龚晓南采用等价 结点流量等于等价结点压缩量的粘土饱和条件推导出b i o t 固结理论的连续方 程，并与考虑杨固结的非线性本构模型结合起来分析了油罐地基的沉降。 1 9 8 7 年谢康和用b i o t 固结理论对砂井地基的平面变形空间渗流问题进行了 有限元分析，揭示了砂井地基的沉降，侧移和孔压性状。这些都是前人根据 b i o t 固结理论，应用有限元法求解地基固结问题，使之得到愈来愈广泛的应 用，产生了很好的社会和经济效益。 如果给定了初值或边界值，有限差分法应该是解微分方程组的最古老的 数学方法。有限差分法中，空间离散点处的控制方程组中每一个导数直接由 含场变量( 如应力和位移) 的代数表达式替换，这些变量没有在单元内部进 行定义。相比而言，有限元方法有一个重要的前提，即：应力和位移场变量 是由参数控制的特征函数，以指定的模式在每一单元内变化。理论公式包括 了调整这些参数以使误差项和能量项最小。有限元程序通常将单元矩阵合并 为一个大的总刚度矩阵，对其进行存储，所需内存较大，同时还需要进行反 复的迭代来实现非线性本构关系。而有限差分法可以有效地在每一步重新生 成有限差分方程，通过一个单元的应变计算它的应力时，这个过程不需要迭 代，只要满足时步的标准，非线性定律总是能够以有效的物理方式实现。 1 2 2 复合地基承载力及沉降分析 在各类实用计算方法中，通常把复合地基沉降量s 分为两部分复合 地基加固区压缩量s ，和下卧层压缩量s 2 ：j = 最+ 岛。若复合地基设置有垫层， 通常认为垫层压缩量很小，可以忽略不计。由以上的设计思路可看出：沉降 计算所采用的计算方式符不符合地层结构实际情况对设计有很大影响。目前 水泥土搅拌桩复合地基变形的计算方法通常都包括加固区土层的压缩变形s ， 和桩端下未加固土层的压缩变形& 之和。在常用工程规范中，计算加固区沉 降采用复合模量法、加固区下卧层沉降采用等效实体法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 复合地基加固土层压缩量：s ，根据具体工程情况可选用复合模量法、应 力修正法( 西) 、桩身压缩量法( 点p ) ： 桩端下未加固土层的压缩变形s 2 的常用计算方法：根据大量工程实践表 明岛通常在2 0 5 0 m m 之间，复合地基的变形主要集中在未加固区土层压缩 量& 的大小变化上。& 的计算方法常用的有如下几种：应力扩散法；等效实 体法；m i n d l i n g e d d e s 法；当层法。压缩性指标选取问题对于结构性软土而 言，在计算沉降时应考虑土体结构性的影响。考虑土体结构性的关键是压缩 性指标的选取，结构性土类的抗变形能力与应力水平有密切关系，在计算中 应按实际的应力水平选取不同的设计参数，即应力低于土体结构屈服应力仉， 时选用弹性压缩指数c 。，当超过土体结构屈服应力以，时选用压缩指数e 。 现今对于复合地基的设计方法已有很多的研究，如图1 1 的计算模式， 复合地基的总沉降有三部分组成：加固区上部沉降研卜加固区下部沉降s 和下卧层沉降& ，其中加固区沉降研2 和& 2 按规范法采用复合模量法计算。 下卧层沉降& 采用等效实体法计算下卧层上的附加应力。然后按分层总和法 计算。 豳1 - 1 位移计算模式 通过对粉喷桩的荷载传递和沉降方面研究分析，选取粉喷桩的有效桩长。 根据复合地基附加应力分布，确定粉喷桩复合地基加固区上、下部分界面， 提出采用以沉降为控制指标对粉喷桩复合地基优化设计方法，丰富了粉喷桩 复合地基的设计方法。经工程实例验证，不但工程质量上能得到保证，而且 取得较好的经济效益。 复合地基在荷载作用下沉降计算也可采用有限单元法计算。在几何模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 处理上大致可分为两类：一类在单元划分上把单元分为两种：增强体单元和 主体单元，并根据需要在增强体单元和土体单元之间设置或不设置界面单元。 另一类在单元划分上把单元分为加固区复合土体单元和非加固区土体单元， 复合土体单元采用复合土体材料参数。 复合地基的沉降是一个较为复杂的问题，现今普遍应用的计算方法都存 在各自的问题，都需要作一定的假设，有的与实际情形相去甚远，多是凭经 验定论。 现今桩体复合地基承载力计算思路：先分别确定桩体的承载力和桩间土 承载力，再根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力。桩 体复合地基中桩体可分为二类，粘结材料桩和散体材料桩。二类桩的传递机 理是不一样的，粘结材料桩的承载力大小取决于桩侧摩阻力和桩底端承力， 而散体材料桩的承载力大小主要取决于桩侧土所能提供的侧限力大小。复合 地基中天然地基承载力标准值除了直接通过载荷试验，以及根据土工试验资 料，查阅有关规范规定外，也可采用极限承载力公式进行计算。已知桩体承 载力标准值和桩间土承载力标准值，则可根据复合地基承载力标准值计算公 式得到复合地基承载力标准值。当复合地基加固区下卧层为软弱土层时，按 复合地基加固区地基承载力计算基础的底面尺寸后，尚需对下卧层承载力进 行验算。要求作用在下卧层项面处附加应力pd 和自重应力氏：之和不超过下 卧层的承载力设计值啤】，即风+ 靠【r 】，确定附加应力可用双层地基中附 加应力分布理论或数值分析方法计算。为简化起见，也可采用压力扩散法计 算。 复合地基有两个基本特点：一是加固区由基体和增强体两部分组成，具 有非均质和各向异性特点；二是在外荷载作用下，基体和增强体共同承担荷 载的作用。正是由于这两个特点，使得复合地基得到广泛应用，但复合地基 的设计方法基本上还停留在经验水平上，其理论并不能提供很好的理论依据， 各种设计方法的形成都有其侧重点，不能全面反映复合地基的实际工作机理， 存在着很多局限性，复合地基的设计理论和设计方法明显落后于工程实践， 仍存在诸如复合地基的沉降计算、工后沉降控制与预测、桩土应力比、采用 加筋垫层的效应如何体现在复合地基的优化设计中，以及复合地基的荷载传 递规律、应力场和位移场特性等问题，都需要进一步深入研究。 复合地基设计中，桩土应力比的确定是优化设计的关键。所谓优化，就 是使设计的复合地基既安全可靠，又节省投资等。要做到这些，就必须从工 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 程实际出发，把天然地基可利用的潜力和应用材料的性能发挥到适当的程度， 使桩、土各自的贡献水平达到合理的分担则是应力比的主要体现。在以往的 设计中，是从力的极限平衡条件出发，将桩土各自的极限承载力除以安全系 数，得出桩土的容许承载力。对于土再加以折减，然后按面积加以叠加，得 出复合地基的容许承载力。由于对土的容许承载力的折减很难把握，这就常 常使得土的承载力难以充分发挥。因此要做到设计合理，就要求对复合地基 的主要影响因素及桩土共同作用机制有更深入的了解。这种现状一方面要求 全面认识复合地基的工作机理，另一方面也要求通过一些更接近实际机理的 简化计算模型来得到数值解以进行优化设计。 到目前为止，国内外学者结合具体的地基处理形式，根据各自的假定条 件提出一些桩土应力比的计算公式，但从这诸多计算公式看，要么与应力水 平无关，要么与置换率或桩长、桩径无关，这些都有与实际情况不符，它们 只在特定的假设条件下才适用。由于土体和桩体的实际应力应变关系较复杂， 至今尚无一个被工程界接受的较完善的计算模式。复合地基目前的计算方法 中的大多参数都存在类似的问题。 常规地基加固设计方法以理论分析为基础，有承载力控制设计和沉降控 制设计两种方法。上述方法均按分层总和法计算沉降，得到的是地基总沉降， 不能分析沉降随时间的变化过程，也就不能给出铁路路基设计规范要求的工 后沉降和第一年的工后沉降值。可见，按常规的地基处理设计方法有着较大 的局限性。 复合地基种类繁多，组合方式多种多样。目前在工程实践中广泛应用的 主要有：砂桩复合地基、碎石桩复合地基、石灰桩复合地基、水泥土桩复合 地基、低强度桩复合地基等。粉喷桩法加固软土地基是水泥搅拌桩复合地基 的一种主要形式。由于对复合地基模型进行三维数值模拟研究仅仅处于探究 阶段，所以选择一种具体的复合地基模式较具可行性。初步选择粉喷桩复合 地基来进行研究。对复合地基的变形及受力的计算方法所进行的探索，是针 对复合地基的实际应用要求而提出的。 目前国内对于复合地基承载力及沉降计算的研究大多进行的是有限元数 值模拟分析。 姜燕玲【2 3 】在粉喷桩与土工格栅联合加固技术有限元计算方法中的几个 问题中研究了粉喷桩复合体的计算模型问题，粉喷桩复合地基有限元方法 大致可分为两类：一类采用桩体+ 界面单元+ 土体单元进行计算，称为群桩有 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 限元法。在这种方法中，桩土分别采用不同的本构模型，桩通常采用线弹性 模型，桩间土采用弹性非线性模型或弹塑性模型。采用这种模型能较好地考 虑桩土问的相互作用。但计算单元太多。计算工作量太大。另一类采用增强 体复合单元+ 土体单元进行计算。称为复合模量法。这种方法将加固区视为 由桩和土组成的匀质各向异性复合材料。建立能反映复合地基整体特性的本 构方程。复合本构有限元法的优点在于用单独划分单元。计算工作量较少。 其缺点是无法分析桩土间的相互作用。 曾磊【2 l 】在以沉降为控制指标对粉喷桩复合地基的优化设计研究的研 究中得到：复合地基的沉降主要是由于下卧层的沉降引起的。附加应力是产 生地基沉降的主要原因。理论研究和现场实测均表明：水泥土桩复合地基的 桩体变形、轴力和侧摩阻力主要集中在粉喷桩一定范围内( 有效桩长) 。复合 地基具有明显的应力扩散现象。由于复合地基的应力扩散现象使得复合地基 中任一点的附加应力比天然地基要小。这是复合地基沉降减小的主要原因。 随着深度的不断增大，复合地基的附加应力与天然地基趋于一致，因此当桩 长达一定值后，增大桩长对减小复合地基的沉降不再十分有效。 上海理工大学城建学院及上海交通大学土木工程系的杨涛、徐永福【1 4 l 提出复合地基沉降计算的复合本构有限元法适应性研究。复合本构有限元法 是一种复合地基沉降数值计算方法。采用复合本构有限元和传统三维有限元 两种计算模型，通过不同桩土模量比、置换率和桩长条件下复合地基沉降计 算结果的比较，对复合本构有限元法的适应性进行了探讨。 俞亚南【l6 j 采用非线性和粘弹性有限元，结合反演分析方法，对工程实例 作了系统的对比分析，计算分析表明，非线性弹性模型一般适合地基较好的 情况，。而对于地基较差的情况宜采用粘弹性模型。 b i o t 固结有限元法能够较好地模拟复杂边界、加载和初始条件以及非线 性，因此被广泛应用于复合地基变形计算中，但同时也面临着剖分单元过多， 计算工作量巨大的问题，尤其对于群桩基础，从而限制了该方法在实际工程 中的应用。因此固结有限元法多用于对单桩轴对称问和平面问题的分析，而 较少见到用三维固结有限元法分析群桩固结变形的文献。徐洋、谢康等在平 面和轴对称复合本构有限元法的基础上，建立了基于有效应力原理的三维复 合有限元模型，并将其引入到固结变形分析中，从而大大降低了计算工作量， 为解决散体材料群桩复合地基的固结变形分析提供了一种切实可行的思路。 冯瑞玲、谢永n t 4 4 】通过现场实测及有限元计算，讨论了采用粉喷桩处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 饱和黄土与淤泥质土所形成的复合地基，在柔性基础作用下，基础刚度及复合 地基中的桩体对复合地基承载力的影响结果表明：减小基础刚度有利于桩间 土体承载力的发挥；桩体对饱和黄土承载力的影响程度大于对淤泥质土体承 载力的影响程度；最后依据实测及有限元分析结果，在原有刚性基础下粉喷桩 复合地基承载力计算公式的基础上，增加了基础刚度影响系数与桩间土体承 载力提高系数，并给出了各影响系数的建议取值范围，使其适用于柔性基础下 复合地基的承载力计算。 1 3 论文主要内容 本文的主要工作包括两部分，即遂渝线d k l 0 粉喷桩复合地基现场监测 和粉喷桩复合地基的三维数值分析。 遂渝线d k l 0 粉喷桩复合地基现场监测为期1 年半，其中工后监测历时 1 年。监测内容包括地基与路堤顶部的沉降，路堤坡角不同深度的水平位移， 土压力和孔隙水压力。通过对采集数据的分析，对工后沉降规律进行了分析， 研究红层软粘土地基加固效果及红层软岩作为路堤填料的适用性。 数值分析以遂渝线d k i o 软粘土地基工点为原型，建立三维有限差分模 型，分析内容分为原状地基和粉喷桩复合地基两种情形。地基和填土均结合 b i o t 固结理论，采用m o h r o c o u l o m b 摩尔库仑模型建立。粉喷桩复合地基模 型中，在桩体和地基土之间采用桩土接触面和土工格栅单元。考虑路堤填筑 过程，采用分步分层模拟路堤填筑过程，以分析地基不同时间段应力及变形 的规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 1 概述 第2 章工程概况 2 1 1 遂渝铁路线路概况 遂渝铁路位于四川盆地中部东南部( 如图2 1 所示) ，西起既有达成铁 路遂宁站，途经四川省遂宁市，重庆市潼南县、合川市、北碚区，东至沙坪 坝区接渝怀线井口站，正线长1 4 4 k m 。其中遂宁( 不含) 至北碚北( 不含) 段，新建正线长1 2 0 k m , 北碚北至井口段为引入重庆枢纽工程，新建正线长 2 4 k m 。桥隧比重约占4 0 ，路基约占6 0 。 圈2 - 1 遂渝线地理位置图 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 1 2 线路主要技术标准 线路主要技术标准见表2 1 。 表2 - 1线路主要技术标准 铁路等级i 级 正线数目单线、预留双线条件 旅客列车速度目标值2 0 0 k m h ( 客货共线) 最小曲线半径一般2 8 0 0 m ，困难2 2 0 0 m 限制坡度6 牵引种类 电力牵引 机车类型客机s s 9 、货机s s 3 b 牵引质量 3 5 0 0 t 到发线有效长 8 5 0 m 闭塞类型自动站问闭塞 满足开行双层集装箱 建筑限界 列车和相应路段最高行车速度 2 2 区域地质环境与气候特征 2 2 1 区域地质环境 线路两跨涪江、两跨嘉陵江，穿越华蓥山脉南麓，经过了川中丘陵、川 东南低山两个地貌单元，地势西高东低。地面高程1 9 5 3 8 0 m ，相对高差 2 0 1 0 0 m 。所经地区主要地层岩性为侏罗系紫红色砂软岩，受构造影响轻微， 岩层产状平缓。合川以东属j i l 东台褶带范围，狭长条形低山山脉与丘陵沿区 域构造线方向交替排列组成平行岭谷地貌，显示向盆地边缘复杂山区过渡的 趋势，地面高程5 0 0 9 0 0 m ，相对高差1 0 0 5 0 0 m ，受构造影响较严重，断 裂、褶皱较发育，岩层产状多变，节理发育。 沿线出露地层以中生界侏罗系上统遂宁组j 3 。、中统上沙溪庙组j 2 。砂软 岩为主，占8 0 以上，三叠系、二叠系砂页岩、灰岩、白云岩等仅分布于云 雾山、缙云山等低山地带，第四系松散堆积物分布较广，以河谷阶地、缓丘 槽谷等低洼地带较为集中且厚度较大。在合川以西丘间槽谷、堰塘、水田中 多分布有全新统冲洪积、坡洪积型流塑软塑状软土、红层软粘土等，表层 软土厚度一般小于3 m ，深层软土呈透镜状分布，单层厚l - 3 m ，总厚可达 6 - 1 2 m ，具有天然含水量较高、孔隙比较大、硬底横坡较陡、厚度变化较大、 土质不均等特点。软土静探贯入阻力p s 8 0 0 k p a ，取样试验6 3 组力学指标平 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 均值c = 1 3 8 k p a 、妒= 5 7 0 ，压缩系数o 6 2 m p a ，属高压缩性土。 2