（道路与铁道工程专业论文）高速铁路客运专线天然地基及CFG桩加固地基沉降特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究牛学位论文第f 页 摘要 中等压缩土在中国各地区分布极为广泛，其中海南省地基中的全风化花岗岩就是 其中一种中等压缩土。本文结合海南东环客运专线的建设，对天然地基和c f g 桩加固 地基断面沉降计算中遇到的一系列的问题进行了研究。主要有以下几点： ( 1 ) 本文对计算路堤底面应力和地基中附加应力的一种新的理论方法一弹性土堤 法一进行了详细的叙述并结合文献资料整理出了不同路堤高宽比下，基底竖向应力和 路堤中心下地基附加应力计算表格。 ( 2 ) 本文针对路堤底面中心处竖向应力进行了详细的讨论。通过不同计算方法的 对比表明：设计中常用的比例荷载法( 坩) 计算路堤基底应力存在基底中间应力偏大， 两侧应力偏小的现象。使用弹性土堤法计算的基底中心应力与试验实测非常接近。笔 者结合弹性土堤法和试验所得大量数据提出了基底中心应力的修正公式。并通过对比 表明该公式值得信赖。笔者又进一步推荐了更为合理且比较方便的基底应力分布形式 的计算方法并将该分布推广到c f g 桩复合地基基底应力的计算。 ( 3 ) 对于天然地基附加应力的计算，本文归纳出一个计算路堤中心下地基附加应 力的计算公式。使用此公式与布氏解、f l a c 计算和离心机试验结果进行了比较。结果 表明使用该公式计算结果与实测值相当接近，且衰减趋势与试验结果相符。 ( 4 ) 对于c f g 桩下卧层应力计算方法，本文对l 3 法计算方法、步骤进行了较 详细的叙述。 ( 5 ) 对于全风化花岗岩，使用平板载荷试验可以得到可靠地变形模量。但标贯、 旁压和静探试验相比较而言，标贯试验可以得到较一致的试验结果；旁压试验得出的 模量往往偏大；静探试验受地基土性质的影响较大数据不稳定且往往无法进行到较深 的位置。 ( 6 ) 通过引用日本对花岗岩风化土的试验数据和经验公式，比较了海东现场试验 数据与该经验公式的相关性。结果表明由静载试验和标贯试验得出的试验结果与该公 式的相关性较好。但需要注意对于标贯击数大于5 0 击的情况的考虑，通过文献数据可 知大于5 0 击的试验点都被修正为5 0 击，而在本次试验中在较深的个别位置处换算后 的标贯击数竟上百，出现这种情况就需要考虑是否是地基的局部因素导致了这种情况。 故在本文模量换算中，将大于5 0 击的取为5 0 。 ( 7 ) 本文对室内试验得出的压缩模量和现场标贯试验得出的变形模量进行了对 比，结果表明室内试验得出的模量值远远小于现场试验得出的模量值。沉降量计算中， 通过不同计算方法的对比发现使用固结试验得出的压缩模量是使用标贯试验得出的变 形模量计算结果的3 倍。 两南交通大学硕士研究争学位论文第l i 页 ( 8 ) 对于天然地基沉降量计算，本文对设计计算中经常使用的分层总和法进行了 合理的修正。本文还使用弹性土堤法对沉降量进行了计算，结果与f l a c 数值计算结 果非常接近。两种方法的计算将结果比本文推荐的天然地基沉降计算方法小2 0 左右。 ( 9 ) 对于c f g 桩复合地基沉降计算的方法，本文推荐使用l 3 法，并且对l 3 法基底应力所使用的均布荷载进行一定的修正，乘以1 1 4 的修正系数。这样虽然计算 结果比现阶段实测数据大1 7 左右，但修正系数建立在一定的实测资料基础上。虽然 对整个均布荷载修正会导致路基两侧的应力偏大，但对沉降影响很大的路堤中心应力 得到了合理的修正。 ( 1 0 ) 对于沉降与时间关系的计算本文介绍了a s a o k a 法，这种方法基于沉降观测 的后期数据，可通过作图法简便的计算出最终沉降及时间。本文使用这种方法和双曲 线法对天然地基断面和c f g 桩复合地基断面的计算结果进行了比较，结果表明两种预 测方法结果相近。实际计算中，a s a o k a 法仅需使用最小二乘法就可计算出结果，计算 方法更加简便。 关键词：中等压缩土；天然地基；c f g 桩复合地基；基底应力；附加应力；l 3 法； 弹性土堤法；标准贯入试验；a s a o k a 法 西南交通大学硕士研究生学位论文第| ii 页 a b s tr a c t m o d e r a t ec o m p r e s s e dg r o u n d sd i s t r i b u t ee x t r e m e l yb r o a di nv a r i o u sr e g i o n so fc h i n a , a n d t h ec o m p l e t e l yd e c o m p o s e dg r a n i t eg r o u n di nh a i n a np r o v i n c ei so n eo ft h e m t h i sp a p e r , c o m b i n e dw i t ht h ec o n s t r u c t i o no fh a i n a ne a s tc i r c l ep a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e s t u d y so n a s e r i e so fp r o b l e mo ft h es e t t l e m e n tc a l c u l a t i o no fn a t u r a lg r o u n da n dc f g p i l ec o m p o s i t i o n t h em a i np o i n t sa r ef o l l o w i n g ： ( 1 ) an e w m e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h es t r e s so nt h es u r f a c eo fs u b g r a d ea n da d d i t i o n a ls t r e s s i nt h eg r o u n d - - e l a s t i cs u b g r a d e - - i sd e s c r i b e dd e t a i l e d l y a c c o r d i n gt or e f e r e n c e sa n d r e s e a r c hd a t u mat a b l ef o rc a l c u l a t i n gt h es t r e s so nt h es u r f a c eo fs u b g r a d ea n da d d i t i o n a l s t r e s si nt h eg r o u n dw i 也d i f f e r e n th e i g h tw i d t hr a t i oi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ( 2 ) i nt h i sp a p e r , t h ec e n t e rv e r t i c a ls t r e s so nt h es u r f a c eo ft h eg r o u n di sd i s c u s s e da tl e n g t h i nt h el i g h to fc o m p a r i s o no fd i f f e r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d s ，i ts h o w st h a tf o rt h er e a ls t r e s s t h ep r o p o r t i o n a ls t r e s sm e t h o d ( t h ) u s e dc o m m o n l yi nd e s i g no b t a i n sar e l a t i v eh i g h e rs t r e s s a tt h em i d d l ep a r to ft h es u b g r a d eo nt h es u r f a c eo fg r o u n da n dar e l a t i v el o w e ro n ea tt h e b i l a t e r a lp a r to ft h es u b g r a d e o nt h eo t h e rh a n d i tc a ng e tam o r ec l o s er e s u l tw i t ht h e m e a s u r e ds t r e s sb yu s i n ge l a s t i cs u b g r a d e b a s eo ne l a s t i cs u b g r a d ea n dl a r g ea m o u n t so f e x p e r i m e n t a ld a t a , af o r m u l af o rt h ec e n t e rv e r t i c a ls t r e s so nt h es u r f a c eo ft h eg r o u n di s d r a w n a n dt h ec o m p a r i s o nw i t l le x p e r i m e n t a ld a t ap r o v e st h er e l i a b i l i t yo ft h i sf o r m u l a t h e na na p p r o a c hf o rs t r e s sd i s t r i b u t i o no nt h es u r f a c eo ft h eg r o u n di sr e c o m m e n d ，w h i c hi s p r o m o t e dt oc f gp i l ec o m p o s i t i o nf o u n d a t i o n ( 3 ) f o ra d d i t i o n a ls t r e s sa l o n gt h ec e n t r a ll i n eo ft h es u b g r a d ei nn a t u r a lg r o u n d ，af o r m u l ai s s u m m a r i z e d t h ea d d i t i o n a ls t r e s so fac e n t r i f u g em o d e li sa c q u i r e db ye m p l o y i n gt h i s f o r m u l a , f l a cn u m e r i c a lm e t h o da n db o u s s i n e s q - f l a m a n ts o l u t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ef o r m u l as u m m a r i z e dg a i n sav e r yc l o s er e s u l tt ot h em e a s u r e dv a l u e s ，a n dt h ea t t e n u a t i o n t r e n di sc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ( 4 ) f o rt h ec f gp i l es e c t i o n ，t h el 3m e t h o di se x p l i c a t e dt os e c u r et h es u b s t r a t u ms t r e s si n t h ep a p e l ( 5 ) f o rt h ec o m p l e t e l yd e c o m p o s e dg r a n i t eg r o u n d ，p l a t el o a d i n gt e s tc a nb er e l i a b l et o r e a pd e f o r m a t i o nm o d u l u s h o w e v e r , a m o n gs p t ，l a t e r a lp r e s s u r et e s ta n dc p t , t h es p t c a ng e tm o r ec o n s i s t e n tr e s u l t s ；t h em o d u l u sd e r i v e df o r ml a t e r a lp r e s s u r et e s ti so f t e nt o o 西南交通大学硕十研究生学位论文第lv 页 h i g h ；c p ti sa f f e c t e db ys o i lp r o p e r t i e sa n dt h ed a t ai su n s t a b l ea n do f t e nc a nn o tb ed r i v e n i n t oad e e p e rp o s i t i o ni nc o m p l e t e l yd e c o m p o s e dg r a n i t eg r o u n d ( 6 ) b yr e f e r e n c et oj a p a nd e c o m p o s e dg r a n i t es o i lt e s td a t aa n de m p i r i c a lf o r m u l a , h a i d o n g f i e l dt e s td a t u ma r ec o m p a r e d 、析t ht h ee m p i r i c a lc o r r e l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a td a t ao f p l a t el o a d i n gt e s ta n ds p ti sc o n s i s t e n tw i 也t h ee m p i r i c a lf o r m u l a b u tt h es i t u a t i o nn e e d t op a ya t t e n t i o nw h e nt h ev a l u e so fs p ta r eh i g h e rt h a n5 0b e c a u s et h e yw e r er e v i s e dt o5 0 i nt h er e f e r e n c e t h e r ea r es o m ep o s i t i o n sw h e r et h ev a l u e so fs p ta r eh i g n e rt h a n10 0 t h e s em a yb ec o n s i d e r e da ss p e c i a lp o s i t i o n si n f l u e n c e db yl o c a lf a c t o r s t h e r e f o r e ，i nt h i s p a p e r , t h ev a l u eo fs p t i sa l s or e v i s e dt o5 0i fi ti sh i g h e rt h a n5 0 ( 7 ) i nt h i sp a p e r , t h ec o m p r e s s i o nm o d u l u sd e r i v e df r o ml a b o r a t o r yc o m p r e s s i o n e x p e f i m e n t sa n dt h ed e f o r m a t i o nm o d u l u sd e r i v e df r o ms p ta r ec o m p a r e d i ts h o w st h a t c o m p r e s s i o nm o d u l u si sm u c hl e s st h a nd e f o r m a t i o nm o d u l u s s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nr e s u l t b yu s i n gc o m p r e s s i o nm o d u l u s i s3t i m e sa sm u c ha st h eo n eb yu s i n gd e f o r m a t i o nm o d u l u s ( 8 ) f o rt h en a t u r a lg r o u n ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n s ，l a y e r - w i s es u m m a t i o nm e t h o df r e q u e n t l y u s e di nd e s i g na n dc a l c u l a t i o ni s r e a s o n a b l ya m e n d e d t h ee l a s t i cs u b g r a d ei s a l s o e m p l o y e dt oc a l c u l a t et h es e t t l e m e n tt h en a t u r a lg r o u n da n dt h er e s u l ti sv e r yc l o s et ot h e r e s u l to ff l a cn u m e r i c a lm e t h o d b u tt h er e s u l ti ss m a l l e rf o ra b o u t2 0 t h a nt h ea y e r - w i s e s u m m a t i o nm e t h o da m e n d e di nt h i sp a p e r ( 9 ) f o rt h es e t t l e m e n tc a l c u l a t i o no fc f gc o m p o s i t i o n , f o u n d a t i o n , t h el 3m e t h o di s r e c o m m e n d e dw h i l ei ti sa m e n d e da tt h eu n i f o r ms t r e s sd i s t r i b u t i o no nt h es u r f a c eo fg r o u n d b yb e i n gm u l t i p l i e db y1 14i nt h i sp a p e r a l t h o u g ht h er e s u l t si sb i g g e rt h a nm e a s u r e dd a t a f o ra b o u t17 b e c a u s eo ft h ea m e n d m e n t t h ea m e n d m e n ti sb a s eo nt h em e a s u r e dd a t u m t h ea m e n d m e n tw i l le x a g g e r a t et h es t r e s so ft h eb i l a t e r a ls u b g r a d eb u ti tc o r r e c t st h em i d d l e s t r e s sw h i c ha f f e c t st h ec a l c u l a t i o nr e s u l to fs e t t l e m e n td r a m a t i c a l l y ( 10 ) f o rt h ec a l c u l a t i o no fc o n s o l i d a t i o np r o s e s so ft h eg r o u n d ，a s a o k am e t h o di si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r t h i sm e t h o di sb a s e do no b s e r v a t i o no fp o s t - s e t t l e m e n td a t aa n dc a ne a s i l y c a l c u l a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es e t t l e m e n ta n dt h et i m e t h em e t h o da n dt h e h y p e r b o l i cm e t h o da r eu s e di nf o r e s e e i n gt h er e l a t i o n s h i po fn a t u r a la n dc f gp i l es e c t i o n t h er e s u l t so ft w om e t h o d sa r ea p p r o a c h i nc a l c u l a t i o n ，a s a o k am e t h o dc a l lo n l yu s et h e l e a s ts q u a r em e t i l o dt oc a l c u l a t et h er e s u l t s w h i c hi se a s i e r 西南交通大学硕十研究生学位论文第v 页 k e yw o r d s ：m e d i u mc o m p r e s s e ds o i l ，m a t u r a lg r o u n d ，c f gp i l ec o m p o s i t i o nf o u n d a t i o n ， v e r t i c a ls t r e s so nt h es u r f a c eo fg r o u n d ，a d d i t i o n a ls t r e s s ，l 3m e t h o d ，e l a s t i c s u b g r a d e ，s p t , a s a o k am e t h o d 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：王7 面五 指导老师签名： 缛襄芳 日期：a 口9 弓d 日期：7 移( ，g ；一c ) 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 ) 本文结合文献资料整理出了使用弹性土堤法在不同路堤高宽比下，基底竖向 应力和路堤中心下地基附加应力计算表格。 ( 2 ) 本文针对天然地基路堤底面竖向应力进行了详细的讨论，推导出了基底应力 计算公式，并将该公式推广到c f g 桩复合地基基底应力的计算。 ( 3 ) 本文依据弹性土堤法归纳出一个计算路堤中心下地基附加应力的计算公式。 ( 4 ) 对于c f g 桩下卧层应力计算方法，本文对l 3 法计算方法、步骤进行了较 详细的叙述。 ( 5 ) 本文认为沉降计算中，对于全风化花岗岩，使用现场标贯试验得出的变形模 量更为可靠。 ( 6 ) 本文得出相同计算方法使用固结试验得出的压缩模量是使用标贯试验得出的 变形模量计算结果的3 倍。 ( 8 ) 本文对设计计算中经常使用的分层总和法进行了合理的修正，并使用弹性土 堤法对沉降量进行了计算，结果表明弹性土堤法计算结果比本文推荐的天然地基沉降 计算方法小2 0 左右。 ( 9 ) 对于c f g 桩复合地基沉降计算的方法，本文对l 3 法基底应力所使用的均 布荷载进行一定的修正，乘以1 1 4 的修正系数。 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它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：五询茁 日期：0 口口彳3d 西南交通大学硕士研究，毛学位论文第1 页 1 1 前言 第1 章绪论 我国幅员辽阔、人口众多、经济以快速发展了三十年，铁路作为国民经济的大动 脉也发展了几十年，特别是最近十年有了迅速的发展。特别是随着经济社会的发展， 使得目前交通运输运力异常紧张，成为经济发展的瓶颈。铁路客运快速与货运重载难 以兼顾，已无法满足国内客货运输需求，并严重影响旅客运输质量的提高。2 0 0 4 年， 经国务院审议通过了国家中长期铁路网规划。该规划提出，铁路运输实施客货分线， 专门建设以“四纵”、“四横”为主干的客运专线铁路网。同时为满足经济发达的城市 密集群的城际间旅客运输日益增长的需求，规划以环渤海地区、长江三角洲地区、珠 江三角洲地区为重点，建设城际快速客运系统。 客运专线铁路的建设是个系统工程，强度高、刚度大且变化均匀、长久稳定的路 基是保证高速列车安全、平稳运行的关键，其设计和施工，要在安全可靠、适用经济 的指导原则下，更注重于满足舒适度要求。客运专线铁路需满足高平顺、少维修、动 力性能和环保、防灾等多方面的要求。客运专线铁路的出现，对传统铁路的设计、施 工和养护维修都提出了全新的挑战，在许多方面改变了传统的铁路设计理念。 客运专线与传统铁路的最大区别在于，它不像传统铁路那样开通时只能跑4 5 k m h 、 6 0 k m h ，其对路基的稳固性和轨道的状态有相当高的要求，需要高度平顺和稳定的轨 下基础，控制变形是客运专线路基设计的关键i lj 。其中变形控制又包括了路基底基的竖 向沉降变形控制、横断面的侧向变形控制、横断面的差异沉降控制和纵断面的差异沉 降控制等一系列的问题，而横断面的沉降和侧向变形控制又成为控制其它因素的关键。 铁路路基沉降主要有两部分组成：路基本体的压缩变形和地基的沉降。而产生路 基本体压缩变形主要结构形式为路堤，路堑形式的路基由于在原地面进行开挖，基本 可以不考虑其本身产生的压缩量，涉及到地基的变形。路堤本体沉降产生的因素主要 有：路堤填料压实；路堤边坡侧向变形；路堤受列车动荷载作用范围内填料，因为受 荷载重复作用而产生累积残余变形，其变形量与地基变形相比非常小，有些设计单位 在设计中基本没有考虑其变形量，或者直接采用经验公式进行验算。所以影响路基变 形主要因素为地基的竖向沉降和横向变形。 由于客运专线对沉降变形的要求较高，在线路设计中对于土质较差的地基往往要 进行处理，例如：换填处理、砂井处理、水泥搅拌桩加固处理、c f g 桩加固处理、管 桩处理等。这就加大了地基沉降变形计算的难度。这是因为首先，经过处理后的地基 原始地基土受到了扰动，针对地基土进行的室内试验结果就不能完全适应该部分地基； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 其次经过处理后，上部荷载在处理部分的应力分布发生了变化，从而影响到了地基下 卧层地基土的应力分布，但对于不同的处理方法上部荷载是如何传递到地基中的现在 并没有十分统一的说法。有人认为理论推导公式比较和理，有人则认为可以使用经验 公式，还有人对理论公式添加经验系数修正。但不管使用什么方法，工程现场的实际 观测，室内进行的模型试验才是检验这些方法的唯一标准。为此本文结合海南省东环 铁路客运专线的建设而进行的现场观测试验、室内离心机模型试验以及其它一系列室 内外试验对该地区风化花岗岩地基土进行了研究。由于地基处理方式很多，不可能一 一研究，故本文仅限于对路堤荷载作用下，天然地基和c f g 桩加固地基进行研究，并 对相关的试验及成果进行介绍。 1 2 国内外研究现状 对于铁路路堤荷载下，天然地基和c f g 桩加固地基的变形问题主要涉及到以下问 题：( 1 ) 路基底面应力的分布形式；( 2 ) 天然地基中附加应力的分布；( 3 ) c f g 桩加 固区及其下卧层应力的分布；( 4 ) 天然地基土及加固区材料的模量选取。下面对以上 四个问题分别介绍其国内外的研究现状。 ( 1 ) 路基底面应力的分布形式 土是由土颗粒、水、气组成的三相体，结构非常复杂，其应力应变关系受到诸多 因素的影响，例如：非线性非弹性、塑性体积变形和剪胀性、塑性剪应变、硬化软化 和软化、应力路径应力历史等等1 2 】。这就导致现在还没有一种可行的数学方法或公式能 够完全描述土的应力应变关系。但是已经有很多基于试验和弹塑性理论的本构关系可 以描述考虑其中一些因素【3 】。在此之所以要谈及土的本构关系是因为应力导致土产生应 变，而应变又会土中应力发上变化。只有讨论了本构关系才能更合理的确定路基底面 的应力分布形式。 虽然现在没有很好的公式对土的本构关系进行描述，但由于路堤在施工过程中采 用了最大最佳含水量，且规范对土的各基本物理指标，压实度等进行了较严格的规定， 所以在列车荷载下路基本在弹性范围内。对于地基土来讲，其是否可以假设为弹性材 料要根据其自身各方面的性质。w h p e r l o 蹲【4 l ( 19 6 7 年) 分析了将路堤和地基看成连 续、各向同性的线弹性材料，路堤和地基中应力分布形式。其考虑路基的真实边界条 件，根据弹性理论求解出了含有复变函数、微分方程的土中应力分布公式，并且考虑 了路堤底面宽度、路堤高度，边坡坡度及土的泊松比对应力的影响，并给出了在不同 高宽比下应力分布图。文献 5 】对该方法予以了简单的讨论，并称这种计算地基应力的 方法为弹性土堤法。但是n h a s e b e 等f 6 l ( 2 0 0 3 年) 认为该计算公式可能在使用数值方 法计算微分映像函数是没有考虑分支切割问题而出现错误。n h a s e b e 等对不规则边界 两南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 条件下由自重引起的弹性半空间内产生的应力进行了分析并得到了解析解。其使用通 过s c h w a r z - c h r i s t o f f e l 变换合理化后的映像函数对不规则边界进行了处理，并在公式推 导工程中使用t c a u c h y 函数和复变函数。其将应力函数分为两部分全纯解和非全纯解 并且都得到了闭合的形式。文章分析了坡度不同情况下坡脚应力集中问题并且到了不 同内摩擦角情况下应力分布、法向应力的方向及大小和d r u c k e r - p r a g e r 应力，并对由于 开挖边坡为3 0 。和6 0 。后引起的各种应力进行了研究。蒋关鲁等依据弹性土堤法，针 对路基底面中心点处的法向应力进行了讨论。通过收集实际工程基底应力实测数据并 用不同的方法加以对比，提出应对基底中心处法向应力修正，并提出了相关修正系数。 虽然上述学者对弹性土堤法褒贬不一，但是由于其公式繁杂，且涉及数学、物理知识 较深，在现阶段的工程设计还无法使用。而在现行设计中并没有关于基底应力取值的 明确表述，而在实际设计和教学用书【8 】中一般是直接使用加喊者称为比例荷载法。还有 一种应用不是太广泛的方法是认为路堤荷载全部均匀的扩散到路堤底面宽度范围内， 在此暂且称其为均布荷载法。曾国熙等( 1 9 6 4 年) 9 1 对比例荷载法和均布荷载法进行了 分析比较。认为若路基填料为无粘性材料，路堤荷载在传递过程中存在应力扩散作用， 所以基底应力应为均布荷载的形式；若填料为粘性土，实际的地基应力可能介于比例 荷载法和均布荷载法之间，因为路基荷载不可能完全不扩散。该文献还认为基底应力 可能还与路堤边坡坡度有关。对于基底应力的进一步讨论，本文会在下面的章节介绍。 ( 2 ) 天然地基中附加应力的分布 对于天然地基中的附加应力分布的计算方法，国内设计中一般是使用基于布西内 斯克符拉芒( b o u s s i n e s q f l a m a n t ) 1 1 0 1 解得的弹性半平面空间中一点荷载下弹性体中应 力分布公式，通过对不同荷载形式进行积分得到的解析公式或者一些基本原理相同但 公式形式不同的方法，例如n e w m a r k 感应图、法1 2 j 和使用平均应力系数这一概念的规范提 到的方法【1 l 】( 在下文中都将这些方法称为布氏解) 。而在上文提到的弹性土堤法也可以 计算地基中附加应力，且由于其在推导过程中是根据路堤实际的边界推导的，所以原 则上来说应该比布氏解更准确。还有学者受文献1 1 2 1 启发，使用扩散角来计算附加应力。 该方法认为路堤荷载在地基中传递过程中，附加应力是以一定的角度向下均匀扩散的， 即首先根据土的性质确定地基土的扩散角，然后根据总的附加荷载不变，就可以计算 出扩散宽度范围内地基土中的附加应力。 ( 3 ) c f g 桩加固区及其下卧层应力的分布 c f g 桩( c e m e n t 、f l y a s h 、g r a v e l ) ，是水泥粉煤灰碎石桩的简称。c f g 桩是由碎 石、石屑、粉煤灰组成混合料，掺适量水进行拌和，采用各种成桩机械形成的桩体。 通过调整水泥的用量及配比，可使桩体强度等级在c 5 - c 2 0 之间变化，最高可达c 2 5 ， 相当于刚性桩。由于桩体刚度很大，区别于一般柔性桩和水泥土类桩，因此，常常在 西南交通大学硕士研究牛学位论文第4 页 桩顶与基础之间铺设一层1 5 0 3 0 0 m m 厚的中砂、粗砂、级配砂石或碎石( 称其为褥垫层) ， 以利于桩间土发挥承载力，与桩组成复合地基。在近几年我国高速铁路建设中，这种 处理方式大量使用，所以对其的相关研究也较多。c f g 复合地基中的应力分布可分为 两部分讨论：加固区，加固区下部的下卧层。 由于涉及到桩土应力分担和桩土应力相互传递这方面的因素，加固区部分的应力 分布比较复杂，但大体可以分为以下两种算法：( 1 ) 桩土应力分开考虑，即首先计算 桩上或土中的受力，然后再计算另一部分应力分布并考虑前一部分对其应力分布的影 响；( 2 ) 整体考虑，即将加固区看成一个封闭的整体，整体考虑其中的应力分布。g e d d e s j d ( 1 9 6 6 年) i 3 l 提出土中单桩桩头处受一竖向集中荷载作用时，桩上的力可分为三部 分，桩端一集中力，桩侧一矩形荷载和桩侧一三角形荷载。他根据半无限弹性空间内 部受到一集中荷载在弹性体中产生的应力公式一m i n d l i n 解，求解出这三种情况分别作 用时土中应力分布。这就为加固区的应力分布分析提供了一个思路，即首先确定桩中 的应力分布然后计算桩上应力对土中应力产生的影响【1 4 】【1 5 】【16 1 。m er a n d o l p h , c p w r o t h ( 1 9 7 9 年) 【1 7 1 在求解桩头受一点荷载产生的位移时，将桩上得受力看成了两部分， 桩端一集中力和桩侧摩阻力。摩阻力按照桩土相对位移作为衡量标准，当相对位移超 过某一值时，侧摩阻力为定值；当小于此相对位移时，侧摩阻力是位移的现行函数。 这其实就是假设桩土交界面有一种理想弹塑性材料，但位移较小时材料处于线弹性状 态，当超过此位移时材料为理性塑性体。文献【1 8 】又将桩体进行了分段，分别计算各段 桩及对应的桩间土相互作用和力的传递。最后可通过方程组的迭代计算求得桩、桩间 土应力和位移等数据。文献 1 9 1 【2 0 】也是使用类似算法并结合和布氏解和m i n d l i n 解分别 计算桩间土自身受力和受由桩传递的力而产生的土中应力。在整体考虑方式中，具代 表性的就是在用复合模量法计算地基沉降时，将加固区看成一个成体，使用布氏解计 算加固区的应力分布【2 1 1 。但由于c f g 桩属于刚性或半刚性桩与土有明显的区别，所以 按照整体考虑有其明显的不合理性，但是由于这种方法简单，概念清晰所以在设计中 会用到此种方法。 由于下卧层中土中应力是由加固土层传递下来的，所以理论上来说下卧层的应力 应首先确定加固区与下卧层交界面处的应力分布，然后在使用理论方法进行计算。但 是根据上文叙述可知，加固区的应力分布非常复杂，即使计算出了交界面处的应力分 布，也要进行一定的简化才方便下卧层中的应力计算。首先介绍计算桩基础沉降中得 到最广泛应用的常规近似方法等代墩基模式又称实体深基础法1 2 2 1 。根据对基础底面的 位置、是否考虑加固区侧阻力的扩散、基础底面以下附加应力的分布状况三个问题的 处理，各个地区根据本地桩基础的应用情况产生了较多的具体计算公式。它在我国的 具体应用有如下特点： 两南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 皇曼皇曼曼曼曼曼鼍曼曼i m。m m 。i m 曼曼舅曼曼曼曼鼍曼曼曼鼍曼皇曼鼍曼曼曼鼍曼曼量曼量曼皇曼曼鼍 ( 1 ) 假想实体基础底面在桩端平面处( 不考虑桩间土的压缩变形) ( 2 ) 一般均不考虑加固区侧阻力的应力扩散，若考虑，则按舭的应力扩散角向下扩 散。 ( 3 ) 桩端以下地基土附加应力按b o u s s i n e s q 解确定。 在欧美国家，等代墩基法具有如下特点： ( 1 ) 一些学者为了考虑桩间土的压缩变形，建议将假想基础底面置于桩端平面以 上l c 高度( 多采用l c = i 3 l ) 。 ( 2 ) 考虑加固区侧阻力的应力扩散。从群桩桩顶外围按水平与竖向为1 ：4 向下扩 散，通常比按舭计算结果要大。 ( 3 ) 假想实体基础底面以下的附加应力多采用从假想底面边缘按水平与竖向为1 ：2 的斜线或按3 0 0 角的斜线。 虽然此种方法时计算桩基础的，但由于桩基础与桩处理复合地基有一定的相似性， 所以在计算下卧层的应力时，通过等代墩基法演变出了许多方法。压力扩散法是将基 底的力看成均布荷载形式然后假设一个扩散角将应力传到桩端，然后使用布氏解求解 下卧层应力；等效实体法同样将基底应力看成均布荷载，假设加固区两侧受摩阻力作 用，转播到下卧层表面的力为上部荷载减去两侧摩阻力【1 引。扩散角法是日本经常采用 的一种方法，其将基底应力直接传到距桩端l 3 处，然后应力以3 0 。扩散角向下扩散， 下卧层的应力同样以3 0 。向下扩散【2 3 l1 2 4 。此处只简单介绍一下各种方法，具体方法会 在下文继续说明。 ( 4 ) 天然地基土及加固区材料的模量选取 对于地基土模量的选取是计算地基沉降的非常关键的问题，其取值的大小会非常 明显的影响到最终沉降计算值。按照现行规范规定，地基土的模量是采用压缩固结试 验取得的陋】。其假设地基土只出现竖向压缩，侧向无变形，通过e - p 曲线确定不同压力 段的模量，称为压缩模量。为了能够反映应力历史的影响，有的计算公式也采用压缩 指数计算。因为这种试验方法约束条件太多，所以能够更准确的反映土的实际应力状 态的三轴试验在研究中得到了更广泛的使用1 2 6 1 。但是对于铁路路堤来说，其土的应力 状态可视为平面应变状态，其中如何设计平面应力状态下的三轴试验和如何考虑土的 各向异性问题又是广泛讨论的课题【2 7 】【2 8 】【2 9 】【3 0 】f 3 。另方面为了克服室内试验带来的不 可避免的土的扰动、失水等问题，许多现场试验也得到了发展，例如：标准灌入试验、 静力触探试验和旁压试验等，并通过对不同地质条件的研究，得出了一些理论或经验 公式。1 3 2 1 3 3 】【3 4 】【3 5 】 西南交通大学硕十研究牛学位论文第6 页 1 3 研究的内容及意义 本文主要结合新建时速2 5 0 公里海南东环客运专线的建设，通过分析室内外一系 列试验，对以风化花岗岩土为主的天然和c f g 桩加固地基的沉降规律进行研究。研究 内容有以下几点： 1 分析影响路堤荷载下基底应力分布因素 2 研究天然地基底基中附加应力的分布规律 3 对比室内外测试地基土模量的差异 4 地基的沉降及沉降与时间的关系 通过上节对以上问题国内外研究现状的介绍以及我国现阶段对铁路发展技术的需 求，本文的研究有助于对今后花岗岩风化土有进一步的了解，为今后在类似工程中提 供非常有意义的试验数据和研究成果。由于笔者仅参与部分试验工作，故本文对一些 试验数据将不进行详细的叙述，直接使用所用试验结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章室外试验工况及室内试验简介 2 1 现场工况介绍 海南东环客运专线始至海口，终至三亚，途径文昌、琼海等城市，是贯穿海南东 部城市的大通道，所以该工程的建设将对海南东部的发展具有重要的意义。本次现场 试验测试断面位于d k 6 7 + 6 0 0 d k 7 9 + 4 0 0 段内，共选择了6 个断面，分别为d k 6 7 + 6 2 0 、 d k 6 7 + 6 3 0d k 6 7 + 6 6 6d k 6 7 + 6 8 0 、d k 7 9 + 0 6 5 及d k 7 9 + 3 9 9 6 断面。这些断面的地质情 况以及路堤填筑情况分别介绍如下： 2 1 1 地形地貌 试验段范围内属波状丘微坡至缓坡地貌，地势开阔，地形起伏不大，丘坡上地形 较平缓，自然坡度约5 。 - 2 0 。，最大绝对高程5 0 m ，与丘间沟槽高差约5 - - - 2 0 m ，多 数地段地表覆土厚度一般，见有基岩出露。大部分地段多为果林，仅局部有乔木树林， 灌丛植被极为发育。丘坡间沟槽内地形平坦，水塘、水田密布，地表水系较发育，沟 渠纵横交错。线路附近村庄较密集，乡村便道四通八达，交通较方便。 2 1 2 地层岩性 1 、d k 6 7 + 6 0 0 d k 6 7 + 7 1 0 段： 测区内出露地层较复杂，上覆第四