中等压缩性土地区短桩桩网复合地基路基荷载传递规律及沉降机理研究

摘要

尽管桩网复合地基已在高速铁路建设中大量应用，但其理论研究远远落后于工程实践。根据现有设计规范沉降计算理论，在中等压缩性土地基上修建高速铁路其计算沉降通常不满足设计要求，因此在我国武广、郑西、京津、京沪等无砟轨道客运专线建设中均采用了大量的CFG桩和钢筋混凝土桩网结构、钢筋混凝土桩板结构等地基加固措施。鉴于现有中等压缩性土地基加固处理技术尚不成熟，短桩桩网复合地基的相关研究成果较少，导致高速铁路路基工后沉降控制和施工规划仍存在很多不确定因素。
　　本文针对短桩桩网复合地基路基荷载传递规律及地基沉降机理研究中存在的核心问题，主要依托柳州—南宁客运专线桩网复合地基工况，以理论分析和解析计算为基础，通过各种室内试验、离心机模型试验、原位测试、数值模拟以及现场长期监测等手段，掌握了中等压缩性土的物理力学特性，并结合路堤桩土应力和地基变形的长期监测试验，全面深入的分析了地基沉降特性和附加应力传递规律，建立了路堤桩土荷载分担和地基侧向变形的解析计算模型，优化了变形参数的选取，提出了适用于中等压缩性土地基的沉降计算方法和预测方法，为国内同类型地基沉降控制和加固处理提供借鉴。
　　在文献调研的基础上，开展了中等压缩性土地区原位测试以及原状样物理力学特性试验，掌握了地基基本物性（压缩特性、固结特性、强度特性、胀缩特性、微结构特征）和力学参数（强度参数、变形参数）。为了耦合中等压缩性土在K0固结状态下变形响应的协调性，开展了高围压K0固结及一维固结试验，分析了K0固结状态下压缩模量及压缩指数的响应特征，建立了响应特征参数间的关系，研究了压缩模量及K0的发展规律，探讨了经验公式用于预测K0的适用性。为了考察测量方法对中等压缩性土变形参数取值的影响，利用配置局部位移传感器（轴向和径向）的三轴测试系统，进行了多组固结排水、固结不排水三轴剪切试验，分析了测量方法对应力—应变关系、抗剪强度指标值的影响，研究了小应变范围泊松比、刚度的变化特征。
　　依托现场柳南客运专线建设，开展了桩网复合地基现场长期监测试验，并选取短桩离心模型试验作为辅助测试手段，获取了桩土竖向沉降、侧向位移、桩土应力分担、孔压消散、格栅应变以及附加应力分布等特性，检验和评价了短桩桩网加固中等压缩性土地基效果，研究了复合地基桩土荷载传递机理和沉降变形特性。现场实测发现，路堤施工期间由于产生桩土差异沉降，使得土拱效应和拉膜效应形成并发展，大部分上覆荷载由桩体承担;桩体荷载分担比随着路堤填高的增大而分段增大，其分段临界填高对应6倍桩间距;桩体荷载分担比随着面积置换率和桩长的增加而增大，因此减小桩间距能够有效控制地基沉降;桩体底端以下2m左右下卧层孔隙水压明显增长，证实了桩体可以将大幅上覆路堤荷载传递至下卧层，从而使桩长范围桩间土附加应力降低;地基反力系数随着沉降的增加而减小，加固工点的地基反力系数低于未加固工点;路堤填筑完成后，地基反力系数k可以达到0.69～1.57 KN/m3，它随着面积置换率的增大而减小。
　　根据现场荷载传递监测结果，分析了正三角形布桩土拱效应、拉膜效应以及地基反力作用对荷载传递的影响。基于Hewlett&Randolph(1988)正方形布桩土拱模型，针对中等压缩性土地基修建粗粒土路堤工况，通过引入塑性状态系数α、桩间土应力分布系数β等参数，对正三角形布桩的土拱拱顶和拱脚的塑性状态进行判断，建立了满足桩土单元体竖向荷载平衡的解析方程，实现了编程求解土拱荷载分担问题;假设格栅上下竖向应力均匀分布(β)，首次引入地基反力作用，通过与上部土拱效应相耦合，建立了加筋垫层格栅局部单元体受力平衡方程，数值求解了格栅拉力大小。分析了各设计参数对桩体荷载分担比的影响，并参照实测结果讨论了国内外已有桩土荷载计算模型对于中等压缩性土地基的适用性。
　　基于点荷载Boussinesq侧向位移解，推导了路堤荷载下泊松比小于0.5时地基侧向位移解析解。根据现场实测侧向位移并联合侧向位移解，提出了反算桩网复合地基桩土应力比的方法。为了证实此方法的可行性，选取了由4处监测工点组成的全比例路堤模型试验段作为对照试验。现场地基变形分析发现，CFG桩加固能够有效减小地基沉降和侧向变形，侧向变形可以作为评估桩网复合地基外部稳定性的重要指标。通过与现场实测值进行比较和匹配，在解析解基础上反算确定了等效弹性模量，对各种方法等效弹性模量对桩土应力比的影响进行了评估。最后反算桩土应力比与现场实测值进行对比，有效地验证和评价了本文提出方法的可靠性。此外，通过考虑现场侧向变形的应变水平，并与室内土体三轴试验的刚度—应变曲线相匹配，可以较好地解决解析计算中等效弹性模量的取值问题。
　　探讨了桩网复合地基沉降计算方法对于中等压缩性土沉降计算的适用性，提出了考虑地基超固结特性的沉降计算方法，并对各种方法的沉降计算修正系数的取值进行了统计分析，优化了变形参数的选取原则。
　　最后采用数值模拟对现场各种工况进行了对比和优化，为工程设计及应用提供重要参考依据，形成了中等压缩性土地区高速铁路短桩桩网复合地基的加固设计原则。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 桩-网复合地基的提出及应用

1．2 中等压缩性土加固技术研究的必要性

1．3 桩网复合地基受力和变形性状研究

1．3．1 试验研究

1．3．2 理论研究

1．3．3 数值模拟

1．4 桩网复合地基路堤土拱效应研究

1．4．1 土拱效应理论模型

1．4．2 土拱效应现场试验

1．4．3 土拱效应模型试验

1．4．4 土拱效应数值模拟

1．5 桩网复合地基加筋垫层格栅拉力研究

1．5．1 格栅拉力理论模型

1．5．2 加筋垫层现场试验

1．5．3 加筋垫层模型试验

1．5．4 加筋垫层数值模拟

1．6 桩网复合地基竖向沉降及侧向变形机理研究

1．7 桩网复合地基存在的问题及研究方向

1．7．1 桩网复合地基荷载传递机理研究存在的问题

1．7．2 桩网复合地基沉降机理研究

1．8 本文研究内容及方法

1．8．1 主要研究内容

1．8．2 主要研究方法及技术路线

1．9 本文创新点

第2章 中等压缩性粉质黏土地基物理力学特性研究

2．1 柳南客专试验段工程概况

2．1．1 试验段工程地质及水文地质

2．1．2 现场取样及原位测试点位分布

2．2 中等压缩性土基本物理性质指标

2．2．1 颗粒级配试验

2．2．2 颗粒密度试验

2．2．3 液塑限试验

2．3 中等压缩性土矿物分析试验

2．3．1 SEM扫描电镜试验

2．3．2 X射线衍射试验

2．4 中等压缩性土压缩特性试验

2．4．1 常规一维固结试验

2．4．2 K0三轴固结试验

2．4．3 固结排水三轴剪切试验

2．4．4 固结不排水三轴剪切试验

2．5 中等压缩性土强度试验

2．5．1 直剪试验

2．6 中等压缩性土胀缩特性试验

2．6．1 自由膨胀率试验

2．6．2 收缩特性试验

2．6．3 有荷膨胀率试验

2．7 本章主要结论

2．7．1 基本物理力学指标

2．7．2 矿物成分及微观结构特征

2．7．3 抗剪强度特征

2．7．4 小应变区间泊松比分布

2．7．5 高围压固结K0试验值

2．7．6 高围压砀固结与常规固结变形参数的关系

2．7．7 胀缩特征

第3章 中等压缩性粉质黏土地基原位测试研究

3．1 试验目标

3．2 标准贯入试验

3．2．1 试验方案及结果

3．3．2 承载力标准值

3．3．3 无侧限抗压强度指标

3．3．4 变形模量及压缩模量

3．3 静力触探试验

3．3．1 试验方案

3．3．2 试验结果

3．3．3 土层划分及分类

3．3．4 变形模量及压缩模量

3．3．5 地基承载力指标

3．4 预钻式旁压试验

3．4．1 试验方案

3．4．2 试验结果

3．4．3 旁压模量

3．4．4 变形模量及压缩模量

3．4．5 基本承载力和极限承载力

3．4．6 土类划分与物理状态

3．4．7 抗剪强度指标

3．5 平板载荷试验

3．5．1 K30载荷试验

3．5．2 平板载荷试验

3．6 本章主要结论

第4章 中等压缩性土地基短桩桩-网离心模型试验

4．1 相似原理及误差分析

4．1．1 相似理论

4．1．2 模型相似率

4．2 试验设备

4．3 短桩桩网复合地基试验方案

4．3．1 模型相似比及尺寸

4．3．2 模型材料及制作

4．3．3 测点布置

4．3．4 模拟加载时间

4．4 试验结果及分析

4．4．1 地基沉降特性

4．4．2 地基附加应力分布

4．5 本章主要结论

第5章 短桩桩-网复合地基沉降和桩土应力现场监测试验

5．1 现场试验目的及意义

5．2 试验段各工点概况及测试方案

5．2．1 现场监测工点概况

5．2．2 监测项目及仪器

5．2．3 监测仪器安装

5．3 现场长期监测结果

5．3．1 地表沉降时程监测

5．3．2 桩土土应力时程监测

5．3．3 孔隙水压力时程监测

5．3．4 基底剖面沉降时程监测

5．3．5 分层沉降时程监测

5．3．6 坡脚侧向位移时程监测

5．3．7 柔性位移时程监测

5．4 本章主要结论

第6章 短桩桩-网复合地基路堤荷载传递机理及试验验证

6．1 桩网复合地基路堤荷载传递机理方法研究

6．1．1 基于HEWLETT模型的改进

6．1．2 英国和德国规范

6．1．3 基于Terzaghi竖向滑动体模型的改进

6．1．4 基于荷载分散角的土拱模型

6．1．5 桩网复合地基土工织物拉力计算模型

6．2 基于土拱塑性状态正三角形布桩土拱效应解析计算

6．2．1 路堤土拱效应桩土荷载计算

6．2．2 格栅拉力计算理论

6．3 各关键参数对桩土荷载分担影响的解析计算

6．3．1 土拱塑性状态系数和桩间土压力均匀系数

6．3．2 路堤土拱竖向土压力分布

6．3．3 桩体荷载分担比

6．3．4 格栅拉力分析

6．4 现场实测路堤荷载传递结果分析

6．4．1 不同工况各监测指标时程结果对比

6．4．2 柔性路堤基底地基反力分布特征

6．4．3 桩顶和桩间土土压力分布

6．4．4 地基反力系数

6．4．5 桩土荷载分担比评价

6．5 现场实测与理论结果对比分析

6．6 本章主要结论

第7章 短桩桩-网复合地基沉降和侧向变形机理及验证

7．1 路堤荷载下地基侧向位移解析计算及桩土应力比n反算研究

7．1．1 实测侧向变形和解析解联合反算n思路

7．1．2 路堤荷载下侧向变形解析计算

7．2 现场工况和土体参数获取

7．2．1 三轴试验和原位测试等效弹性模量

7．2．2 载荷试验承载力比参数

7．2．3 路堤施工及测点布置

7．3 短桩桩网复合地基附加应力分布特征

7．3．1 地基分层应变随路堤填高发展

7．3．2 短桩下卧层附加应力扩散特征

7．4 实测地基沉降与侧向变形关系研究

7．4．1 地表沉降随时间和深度的发展

7．4．2 侧向位移随时间和深度的发展

7．4．3 侧向位移引起的竖向沉降的比例分析

7．4．4 桩土应力比反算及应用研究

7．5 短桩桩-网复合地基沉降沉降计算方法及沉降计算修正系数

7．5．1 考虑超固结特性短桩桩一网复合地基沉降计算

7．5．2 短桩桩-网复合地基沉降计算修正系数

7．6 变形计算参数的获取原则及评价

7．6．1 地基反力系数的评价

7．6．2 地基沉降计算修正系数评价

7．7 中等压缩性土地基沉降预测方法优化

7．8 本章主要结论

第8章 短桩桩-网加固中等压缩性土地基数值模拟

8．1 FLAC建模方法和参数

8．1．1 数值模拟工点概况

8．1．2 模型参数选取

8．1．3 建立模型

8．1．4 主要研究内容

8．2 现场工点模拟结果

8．2．1 路堤高度范围土压力分析

8．2．2 路堤基底应力分析

8．2．3 桩土荷载分担特征

8．2．4 格栅应力应变分析

8．2．5 基底桩土沉降横向分布

8．2．6 地基分层沉降分析

8．2．7 地基侧向位移分布

8．2．8 地基附加应力分析

8．3 本章主要结论

结论及展望

本文研究结论

今后研究工作的展望

致谢

附录

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研工作