鐵路CFG樁復合地基沉降控制機理與計算方法研究.pdf

1、本文以鐵道部重點科研項目“高速鐵路CFG樁復合地基綜合技術研究”(編號2007G046)為依托，在對京滬高速鐵路李窯、鳳陽試驗段CFG樁筏復合地基和樁網(wǎng)復合地基各部分應力、變形測試結果進行綜合分析的基礎上，結合數(shù)學解析和數(shù)值模擬分析，較為系統(tǒng)地提出了鐵路路堤下CFG樁復合地基的荷載傳遞機理、附加應力計算模型和沉降計算方法。
　　 ⑴在路堤下地基壓力數(shù)值模擬的基礎上，結合試驗段剖面管沉降測試、路堤填土下土壓力的現(xiàn)場測試結果，建立了

2、鐵路路堤下地基壓力的擴散角法計算模型。
　　 ⑵試驗段現(xiàn)場測試結果顯示出兩種復合地基形式樁項/樁帽頂處土體以及路堤填土中的應力與荷載大小有關，同一荷載下應力隨時間變化不大：樁筏復合地基LTP主要通過剛性板約束下的墊層來調節(jié)樁頂平面的樁、土應力，使樁承擔更多的荷載；樁網(wǎng)復合地基LTP主要通過樁頂土拱效應，并通過面積擴大的樁帽“收集”作用，使更多的荷載轉移到樁上。李窯、鳳陽樁網(wǎng)復合地基LTP加筋墊層中的土工格柵變形較小，并未發(fā)揮明顯

3、的拉膜效應。就樁頂/樁帽頂平面的樁土應力比而言，一般情況下樁筏復合地基的樁土應力比明顯大于樁網(wǎng)復合地基。但就樁的荷載分擔比而言，樁網(wǎng)復合地基并不“遜色”于樁筏復合地基。李窯、鳳陽兩個試驗段中，樁網(wǎng)復合地基的樁土應力比僅僅約為樁筏復合地基的1/10，但由于樁帽增加了受力面積，最終使樁的荷載分擔比差別不大，各分區(qū)的CFG樁均以不足7％的面積置換率獲得了65～79％的荷載分擔。
　　 ⑶鳳陽試驗段樁身軸力現(xiàn)場測試和分析結果顯示，樁筏、

4、樁網(wǎng)復合地基在樁的荷載傳遞方面有共同的特征。即，樁頂段都存在負摩阻力，在其作用下，部分樁間土所承受的荷載又重新傳遞到樁上，使樁軸力增加，樁間土附加應力減小。在某一深度，樁身軸力達到最大，附加應力降低到到最小值。在該深度以下，樁身軸力減小。計算分析表明，在該深度以下的一定深度范圍內樁間土豎向應力等于或接近于路堤填筑前地基土中豎向應力。樁頂、樁端處樁側摩阻力發(fā)揮較為充分：中性點(等沉面)兩側一定范圍內，由于樁、土相對位移較小，摩阻力發(fā)揮受到

5、限制，摩阻力較??；負摩阻段相對較短，中性點出現(xiàn)在樁身偏上的位置。
　　 ⑷基于一維壓縮，樁側摩阻力充分發(fā)揮，并近似認為中性點處樁間土附加應力減小到一個較低水平，可以忽略不計，提出了樁筏復合地基LTP的彈簧組模型，對“碎石墊層+鋼筋混凝土板”型LTP的荷載傳遞效果進行模擬和分析。采用該模型，可以對樁頂平面樁、土應力，樁頂刺入變形等進行計算。
　　 ⑸指出樁頂土拱作用是樁網(wǎng)復合地基“樁帽+土工格柵+碎石墊層”型LTP的主要荷

6、載傳遞方式。通過對樁網(wǎng)復合地基樁頂土拱的現(xiàn)場試驗研究和數(shù)學解析，指出樁頂土拱的拱形接近于拋物線。建立了樁頂平面樁、土應力計算的球孔擴張法和拋物線拱法。
　　 ⑹以Mindlin解法為基礎，提出了CFG樁復合地基加固區(qū)-下臥層并聯(lián)模型。加固區(qū)與下臥層土體的模量比將影響到這一并聯(lián)效應，使其應力比約等于模量比。由于加固區(qū)具有一定的整體性，加固區(qū)寬深比也將對并聯(lián)效應產生影響。加固區(qū)寬深比越大，下臥層受力越大。綜合加固區(qū)與下臥層土體模量比

7、和加固區(qū)寬深比的影響，可得下臥層附加應力系數(shù)Ψ，即下臥層中附加應力與等代深基礎Boussinesq解附加應力之比。
　　 ⑺系統(tǒng)地提出了非疏樁條件下鐵路CFG樁復合地基土中附加應力的簡化計算方法：加固區(qū)附加應力根據(jù)側限假定下的樁土相互作用簡化模型進行計算；下臥層附加應力通過加固區(qū)與下臥層的并聯(lián)效應分析，得出下臥層附加應力系數(shù)Ψ，采用條形荷載下Boussinesq解計算，其計算結果乘以Ψ即為下臥層附加應力。
　　 ⑻在地基

8、中附加應力計算方法的基礎上，提出了地基總沉降(最終沉降)和固結計算方法：地基總沉降計算采用分層總和法。在計算沉降時，應對室內試驗和原位測試指標進行綜合分析，結合當?shù)亟涷灤_定地基土變形參數(shù)。鐵路路堤下CFG樁復合地基的固結以下臥層固結為主，可以采用Terzaghi一維固結理論進行計算。
　　 ⑼實測的沉降-時間曲線可以分為快速發(fā)展、發(fā)展和穩(wěn)定三個階段。對擬合殘差在沉降-時間曲線進入穩(wěn)定階段后的變化趨勢進行分析，可以得出預測沉降值的