大面积场坪下深厚软土桩—网复合地基承载性状研究

摘要

我国铁路正在实现跨越式发展，在软基上修建高速铁路，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。桩-网复合地基是一种能有效控制沉降的新型复合地基，从目前的研究现状来看，前人的研究主要针对公路、铁路路堤等较小范围的软土路基作用性状，且多集中在地基表面以上，如路堤填土、加筋垫层、桩土应力等，而本文研究桩-网复合地基用于高速铁路超大面积场坪区海相沉积深厚软土地基的处理，采用现场实测与三维数值模拟相结合的方法，对超大面积场坪下桩-网复合地基承载性状与沉降变形机理进行研究，取得的主要成果有:
　　1.根据潮汕车站超大面积深厚软土地基地层的具体分布特性、物理力学性质及指标，分析了潮汕车站超大面积深厚软土地基三个主要特性（流变特性、触变特性、有机质含量高），并分析了其对路基沉降控制的影响。分析了现场试验断面的地层分布情况及软土特性，分析潮汕车站软土的物理力学性质及软土特性的工程意义，详细介绍现场试验断面地层分布及各断面软土特性，最后提出潮汕车站软土地基沉降控制工程概况。
　　2.结合潮汕车站软基处理段，设置监测断面，布设相关监测仪器:分层沉降管、测斜管、土压力盒、柔性位移计、布置于管桩内部的钢筋应力计以及孔隙水压力计。对管桩沉桩过程、上部路堤填土施工过程中孔隙水压力、地表沉降、深部分层沉降、深部水平位移、桩顶应力、桩间上应力等的变化进行观测，分析路堤下管桩复合地基的沉降特性、应力分布及桩土应力分担比，进而检验管桩对软弱地基的加固效果。
　　3.通过对现场数据的整理、分析，得出以下结论:①在加载初期，桩间土和桩顶土应力都出现了一个迅速增大的过程，但是桩顶土应力要比桩间土应力增加得快，并且在填土高度达到一定高度时，桩间土应力出现了极值。桩土应力比也随着填土的增加而增加，并且在后期出现了波动，是褥垫层的调节荷载的作用。②孔隙水压力随填土高度的增加上升得并不明显，因为桩间土承担的荷载较小，大部分的荷载由管桩来承担。③管桩的轴力、摩阻力和地层情况密切相关，其中淤泥质黏土强度低，管桩受到的摩阻力小，轴力传递快，其他地层如细砂等层内，管桩受到的摩阻力较大，轴力传递较慢。④分层沉降的速率和填土速率大致呈正相关，在填土间歇期甚至出现了沉降回弹的现象;在沉降数值上，和地层深度有关，深度越深沉降量越小，越靠近地表沉降量越大。⑤加筋体拉伸位移量随着填土高度的增加而增加，并且位于桩间土位置的加筋体拉伸量大于位于桩顶处的加筋体拉伸量;此外，桩间土处的加筋体表现出滞后效应。⑥侧向位移大致呈现出随着深度的加深而减小的趋势，但是总体的水平位移不大;地层的侧向位移也与地层土类有关，淤泥质黏土中的水平位移较大，特别是靠近底部的地层分界线或附近的位置，水平位移较大。
　　4.运用拉格朗日有限元三维计算方法FLAC3D如，对试验段监测断面进行全断面数值模拟，分析研究桩体轴力、剪力、弯矩、侧摩阻力、桩顶和桩间土压力、孔隙水压力和桩土应力比的变化规律，研究了负摩阻力与填土高度、桩土沉降差、桩土应力比、桩长和下卧层的关系，中性点深度与桩间距、桩帽尺寸、褥垫层弹性模量、填土内摩擦角、桩长和下卧层的关系，论述了负摩阻力对沉降变形及桩承载能力的影响，尔后分析研究了流固耦合作用下桩间土表面沉降、桩顶沉降、桩土沉降差和侧向位移的变化规律，最后通过提取监测断面在现场工况条件下附加荷载阶段及软土流变阶段中心处桩间土沉降、桩顶沉降和路堤表面沉降数据，进行沉降预测。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 桩-网复合地基工程应用现状

1．2．2 桩-网复合地基承载特性研究现状

1．2．3 桩-网复合地基沉降变形研究现状

1．3 主要研究内容、方法和技术路线

1．3．1 研究内容与方法

1．3．2 技术路线

第2章 潮汕车站软土工程特性及地基沉降控制工程

2．1 潮汕车站软土的成因、分布与工程特性

2．1．1 潮汕车站地理环境与软土成因

2．1．2 潮汕车站地层与软土分布

2．2 潮汕车站软土的物理力学性质指标及特点

2．3 软土特性的工程意义

2．4 现场试验断面地层及软土特性

2．5 潮汕车站软土地基沉降控制工程概况

2．6 本章小结

第3章 桩网复合地基现场试验试验方案及仪器布设

3．1 监测断面的选取及布置原则

3．2 现场试验测试内容

3．3 主观测断面测试元器件的布设

3．3．1 土压力盒的布设

3．3．2 钢筋应力计

3．3．3 柔性位移计

3．3．4 磁性分层沉降管

3．3．5 测斜馆

3．3．7 孔隙水压力计

3．4 元器件埋设和测试要求

3．4．1 埋设要求

3．4．2 元件测试要求

3．5 本章小结

第4章 桩网复合地基现场试验结果分析

4．1 监测断面监测工况

4．2 监测断面现场监测成果分析

4．2．1 土应力及桩土应力比

4．2．2 孔隙水压力

4．2．3 桩身轴力及桩侧摩阻力

4．2．4 分层沉降

4．2．5 加筋体拉伸量

4．2．6 侧向位移

4．3 本章小结

第5章 基于有限差分法的数值模型建立

5．1 FLAC3D程序介绍

5．1．1 有限差分原理

5．2 数值分析模型的建立

5．2．1 数值分析断面的基本特征

5．2．2 FLAC3D模型的建立

5．2．3 边界条件与荷载分布

5．3 模型参数的选取

5．3．1 土力学参数的选取

5．3．2 桩单元、地梁单元及土工格栅参数选取

5．4 记录点的布置

5．4．1 桩、土应力记录点的布置

5．4．2 孔隙水压力记录点的布置

5．4．3 断面沉降记录点的布置

5．5 模拟工况的确定

5．6 本章小结

第6章 考虑流固耦合的荷载传递机理分析

6．1 桩网复合地基的荷载传递机理概述

6．2 考虑流固耦合的刚性桩的承载特性分析

6．2．1 桩身轴力分析

6．2．2 桩身剪力分析

6．2．3 桩身弯矩分析

6．2．4 桩侧摩阻力分析

6．3 考虑流固耦合的土压力变化规律分析

6．3．1 不同桩间距的土压力变化规律

6．3．2 不同桩帽宽度的土压力变化规律

6．3．3 不同褥垫层弹性模量的土压力变化规律

6．3．4 不同填土内摩擦角的土压力变化规律

6．4 考虑流固耦合的孔隙水压力分析

6．4．1 不同桩间距的孔隙水压力变化规律

6．4．2 不同桩帽尺寸的孔隙水压力变化规律

6．4．3 不同褥垫层弹性模量的孔隙水压力变化规律

6．4．4 不同填土内摩擦角的孔隙水压力变化规律

6．5 考虑流固耦合的桩土应力比分析

6．5．1 不同桩间距的桩土应力比变化规律

6．5．2 不同桩帽尺寸的桩土应力比变化规律

6．5．3 不同褥垫层弹性模量的桩土应力比变化规律

6．5．4 不同填土内摩擦角的桩土应力比变化规律

6．6 本章小结

第7章 考虑流固耦合的工期沉降变形分析

7．1 考虑流固耦合的桩间土沉降变形分析

7．1．1 桩间距对桩间土沉降影响

7．1．2 桩帽宽度对桩间土沉降影响

7．1．3 褥垫层弹性模量对桩间土沉降影响

7．1．4 填土内摩擦角对桩间土沉降影响

7．2 考虑流固耦合的桩顶沉降变形分析

7．2．1 桩间距对桩顶沉降影响

7．2．2 桩帽宽度对桩顶沉降影响

7．2．3 褥垫层弹性模量对桩顶沉降影响

7．2．4 填土内摩擦角对桩顶沉降影响

7．3 考虑流固耦合的桩土沉降差分析

7．3．1 桩间距对桩土沉降差影响

7．3．2 桩帽宽度对桩土沉降差影响

7．3．3 褥垫层弹性模量对桩土沉降差影响

7．3．4 填土内摩擦角对桩土沉降差影响

7．4 考虑流固耦合的侧向位移分析

7．5 本章小结

第8章 考虑荷载与流变的软土地基工后沉降预测分析

8．1 考虑附加荷载和流变的软土地基工后沉降概述

8．2 考虑附加荷载沉降数值分析

8．2．1 考虑附加荷载作用的桩间土沉降

8．2．2 考虑附加荷载作用的桩顶沉降

8．2．3 考虑附加荷载作用的路堤表面沉降

8．3 基于软土流变的沉降数值分析

8．3．1 软土的流变特性

8．3．2 基于软土流变分析的桩间土沉降

8．3．3 基于软土流变分析的桩顶沉降

8．3．4 基于软土流变分析的路堤表面沉降

8．4 断面沉降特征分析

8．4．1 监测断面不同深度的沉降变形分析

8．4．2 监测断面沉降等值线分析

8．5 断面工后沉降预测

8．5．1 桩间土工后沉降预测

8．5．2 桩顶工后沉降预测

8．5．3 路堤表面工后沉降预测

8．6 本章小结

第9章 结论与展望

9．1 结论

9．2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文