鐵路CFG樁復(fù)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(fù)合地基綜合技術(shù)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(fù)合地基和樁網(wǎng)復(fù)合地基各部分應(yīng)力、變形測試結(jié)果進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)學(xué)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(fù)合地基的荷載傳遞機理、附加應(yīng)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(chǔ)上，結(jié)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(jié)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(jié)果顯示出兩種復(fù)合地基形式樁項/樁帽頂處土體以及路堤填土中的應(yīng)力與荷載大小有關(guān)，同一荷載下應(yīng)力隨時間變化不大：樁筏復(fù)合地基LTP主要通過剛性板約束下的墊層來調(diào)節(jié)樁頂平面的樁、土應(yīng)力，使樁承擔(dān)更多的荷載；樁網(wǎng)復(fù)合地基LTP主要通過樁頂土拱效應(yīng)，并通過面積擴大的樁帽“收集”作用，使更多的荷載轉(zhuǎn)移到樁上。李窯、鳳陽樁網(wǎng)復(fù)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(yīng)。就樁頂/樁帽頂平面的樁土應(yīng)力比而言，一般情況下樁筏復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比明顯大于樁網(wǎng)復(fù)合地基。但就樁的荷載分擔(dān)比而言，樁網(wǎng)復(fù)合地基并不“遜色”于樁筏復(fù)合地基。李窯、鳳陽兩個試驗段中，樁網(wǎng)復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比僅僅約為樁筏復(fù)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(dān)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(dān)。
　　 ⑶鳳陽試驗段樁身軸力現(xiàn)場測試和分析結(jié)果顯示，樁筏、

4、樁網(wǎng)復(fù)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(fù)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(yīng)力減小。在某一深度，樁身軸力達(dá)到最大，附加應(yīng)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(nèi)樁間土豎向應(yīng)力等于或接近于路堤填筑前地基土中豎向應(yīng)力。樁頂、樁端處樁側(cè)摩阻力發(fā)揮較為充分：中性點(等沉面)兩側(cè)一定范圍內(nèi)，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(fù)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(cè)摩阻力充分發(fā)揮，并近似認(rèn)為中性點處樁間土附加應(yīng)力減小到一個較低水平，可以忽略不計，提出了樁筏復(fù)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(jìn)行模擬和分析。采用該模型，可以對樁頂平面樁、土應(yīng)力，樁頂刺入變形等進(jìn)行計算。
　　 ⑸指出樁頂土拱作用是樁網(wǎng)復(fù)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(fù)合地基樁頂土拱的現(xiàn)場試驗研究和數(shù)學(xué)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(yīng)力計算的球孔擴張法和拋物線拱法。
　　 ⑹以Mindlin解法為基礎(chǔ)，提出了CFG樁復(fù)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(yīng)，使其應(yīng)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(yīng)產(chǎn)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(yīng)力系數(shù)Ψ，即下臥層中附加應(yīng)力與等代深基礎(chǔ)Boussinesq解附加應(yīng)力之比。
　　 ⑺系統(tǒng)地提出了非疏樁條件下鐵路CFG樁復(fù)合地基土中附加應(yīng)力的簡化計算方法：加固區(qū)附加應(yīng)力根據(jù)側(cè)限假定下的樁土相互作用簡化模型進(jìn)行計算；下臥層附加應(yīng)力通過加固區(qū)與下臥層的并聯(lián)效應(yīng)分析，得出下臥層附加應(yīng)力系數(shù)Ψ，采用條形荷載下Boussinesq解計算，其計算結(jié)果乘以Ψ即為下臥層附加應(yīng)力。
　　 ⑻在地基

8、中附加應(yīng)力計算方法的基礎(chǔ)上，提出了地基總沉降(最終沉降)和固結(jié)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(yīng)對室內(nèi)試驗和原位測試指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗確定地基土變形參數(shù)。鐵路路堤下CFG樁復(fù)合地基的固結(jié)以下臥層固結(jié)為主，可以采用Terzaghi一維固結(jié)理論進(jìn)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(jìn)入穩(wěn)定階段后的變化趨勢進(jìn)行分析，可以得出預(yù)測沉降值的