高速铁路载体桩复合地基承载及沉降特性研究

摘要

本论文以铁道部重大课题“京沪高速铁路深厚软土、松软土地段复合地基关键技术试验研究——载体桩复合地基沉降特性和计算方法研究”(编号2008G32-A)为依托，以京沪高速铁路廊坊试验段现场试验为基础，进行了旨在满足高速铁路沉降标准的载体桩桩筏结构复合地基的理论研究。
　　1.通过对现场施工的研究，对高速铁路载体桩复合地基施工过程中的跳打工艺、锤击跟管工艺等施工工艺需要注意的要点进行了总结，并根据本试验段现场施工情况提出了高速铁路中载体桩的相关施工参数。
　　2.通过试验现场与管桩及CFG桩对比的重型动力触探试验的检测结果分析得出，载体桩复合地基对扩大头深度区域挤密效果显著，同时对扩大头顶面以上1.5m范围的土体也有明显的挤密，而管桩与CFG桩无明显挤密效果。
　　3.通过与管桩及CFG桩对比的现场沉降变形及压力监测试验得出，各桩型对工后沉降的控制均能满足京沪高速铁路的要求;相对管桩与CFG桩而言，载体桩复合地基沉降量大且沉降稳定所需时间长，管桩、CFG桩的最大沉降为载体桩最大沉降的23％和52％左右;桩帽对本试验段桩筏结构载体桩复合地基的控沉效果不明显。
　　4.针对目前高速铁路桩筏结构中筏板计算理论不完善，仍采用简化计算方法，缺少精确解析解，基于Hamilton体系，应用位移叠加原理，对桩筏基础中的筏板进行了解析解的求解。首先求解得到集中荷载与均布荷载作用下Winkler弹性地基上四边滑支矩形板的解析解，再由这两个基本解结合桩顶挠度为零的基本假设，得到桩顶集中力的大小，代入集中荷载情况下的解析解中，与均布荷载情况下的解析解进行叠加，即得桩筏基础筏板的解析解，并通过现场试验实测数据验证了理论解析解的合理性，最后对解析解中的相关设计参数进行了敏感性分析，为实际工程设计提供参考。
　　5.针对高速铁路中载体桩复合地基的结构特征及受力特性，将桩体视为传力杆，将扩大头部分视为无筋扩展基础，对其加固区压缩变形进行了分析，并修正了《载体桩设计规程》中的沉降计算方法，构建了一套适用于高速铁路载体桩复合地基下卧层沉降计算的模式:通过等代实体法计算作用在下卧层上的荷载，采用Mindlin解计算下卧层中的附加应力，对下卧层中土体的模量按深度修正后，计算每层土的压缩变形量，通过应变控制法确定下卧层中需要计算的压缩层厚度，最后基于单向压缩分层总和法，叠加下卧层计算厚度范围内每层土的压缩变形量，即得下卧层的压缩变形量。
　　6.结合现场试验的实测数据，采用Plaxis3D Foundation有限元软件对高速铁路中载体桩桩筏结构复合地基进行更深入的研究。结合现场实际情况，在有限元模型中选取合理的相关模型构件，并通过与现场实测值的对比，验证了构建的有限元模型的合理性。在基本模型的基础上，对桩长、桩体模量及个别桩失效的敏感性进行了分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 高速铁路的发展与现状

1．1．2 京沪高速铁路的必要性

1．1．3 京沪高速铁路路基

1．2 研究现状

1．2．1 管桩

1．2．2 CFG桩

1．2．3 载体桩

1．3 论文选题依据

1．4 研究内容与方法

第2章 高速铁路载体桩的设计与施工

2．1 工点概况

2．2 设计方案

2．3 载体桩施工工艺

2．3．1 试桩施工

2．3．2 高速铁路载体桩施工要点

2．4 重型动力触探试验检测挤密效果

2．5 小结

第3章 承载及沉降特性现场试验研究

3．1 试验目的

3．2 试验方案

3．3 试验仪器

3．3．1 单点沉降计

3．3．2 液位沉降计

3．3．3 土压力盒

3．3．4 远距离自动监测系统

3．4 试验进展

3．5 试验仪器布置及数据采集

3．5．1 载体桩主断面

3．5．2 载体桩附断面

3．5．3 载体桩帽主断面

3．5．4 载体桩帽附断面

3．5．5 管桩断面

3．5．6 CFG桩断面

3．6 试验结果的对比分析

3．6．1 沉降特性的对比分析

3．6．2 承载特性的对比分析

3．6．3 横断面受力变形特性的对比分析

3．7 小结

第4章 高速铁路桩筏结构复合地基中筏板受力分析

4．1 研究现状

4．1．1 简化计算方法

4．1．2 数值计算方法

4．1．3 解析解求解

4．2 筏板解析解求解

4．2．1 桩筏结构分析模型

4．2．2 集中荷载作用下筏板的求解

4．2．3 桩筏基础的求解

4．3 现场试验对比验证分析

4．3．1 工程概况

4．3．2 现场试验

4．3．3 对比验证

4．4 参数敏感度分析

4．4．1 收敛速度检验

4．4．2 地基反力系数k的敏感性分析

4．4．3 筏板泊松比v的敏感性分析

4．4．4 筏板弹性模量E的敏感性分析

4．4．5 板厚h的敏感性分析

4．4．6 桩间距l的敏感性分析

4．4．7 桩半径R的敏感性分析

4．5 结语

第5章 高速铁路载体桩复合地基沉降计算

5．1 计算模型

5．2 计算参数

5．3 下卧层压缩变形量计算

5．3．1 载体桩复合地基下卧层顶面荷载计算

5．3．2 下卧层附加应力

5．3．3 压缩模量修正

5．3．4 压缩层厚度确定

5．3．5 不同方法计算的地基最终沉降量对比分析

5．4 结语

第6章 载体桩复合地基三维数值模拟

6．1 有限元软件介绍

6．2 三维数值模型的建立

6．2．1 模型轮廓

6．2．2 材料参数

6．2．3 网格划分

6．2．4 工序设置

6．3 有限元计算模型验证

6．4 载体桩复合地基工程的影响因素分析

6．4．1 桩长的影响分析

6．4．2 桩体模量影响分析

6．4．3 个别桩失效影响分析

6．5 小结

第7章 结论与展望

7．1 本论文主要结论

7．2 进一步研究的建议

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果