（地质工程专业论文）京沪高速铁路济南西客站站场路基荷载下复合地基桩土应力特性分析.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：c f g 桩及p h c 桩复合地基在高速铁路软土地基处理中已经得到了应用， 其具有施工质量易控制、施工速度快、工后沉降及不均匀沉降小、处理深度大、 复合地基承载力大、造价比较适中等优点。鉴于站场路基区别于一般线路路基， 研究站场路基复合地基的桩土应力及其应力比问题，对合理分配桩与桩间土承担 的荷载，有效控制沉降，及今后高速铁路站场路基的设计、施工有着极其重要的 意义。本文基于京沪高速铁路济南西客站站场路基沉降试验研究项目，通过现场 试验和数值模拟计算分析，研究了站场路堤填筑过程中桩土应力变化与分布规律， 以及桩土应力比的影响因素。 首先，论文对c f g 桩及p h c 桩复合地基进行了现场试验研究，通过在桩顶、 桩帽、桩周土体上埋设土压力盒的方法，分析了路基填筑过程中桩土应力及其应 力比的变化特征。研究得出：( 1 ) 在填高约1 2 m 1 5 m 以下时，桩顶应力增长速度 小于桩周土体应力增长速度；在填高约1 2 m 一1 5 m 以上时桩顶应力增长速度大于桩 周土体应力增长速度；桩帽应力增长速度基本保持不变。( 2 ) 同一填筑高度，桩 顶应力及桩土应力比随桩长增加而增加，随填筑高度的增加，这种趋势逐渐明显； 两桩中心土应力一般小于四桩中心土应力；桩顶应力峰值由路基中心向外总体呈 现递减趋势，桩长过渡区的桩顶应力发生突变，桩间土应力值小于其它区域应力 值。( 3 ) 施工方式与固结时间对桩土应力比影响不大，在设计中可不考虑其对桩 土应力比的影响。( 4 ) 桩土应力比随桩土差异沉降的增加而增大，差异沉降是造 成桩土应力比增长的原因。 其次，论文运用a n s y s 有限元软件，建立复合地基有限元模型。对桩土应力 比的影响因素进行了数值分析。分析的影响因素主要包括荷载水平，垫层厚度， 垫层模量，桩土模量比，有无桩帽等五种情况。通过对比分析计算结果，得出各 种因素对桩土应力比的影响程度。 最后，论文根据现场试验和数值分析，总结了复合地基加固机理及垫层和桩 帽的作用，并验证了土拱效应的存在。 关键词：站场路基，复合地基，桩土应力，桩土应力比，数值分析，桩帽，垫层 分类号：t u 4 3 2 ，t u 4 7 3 1 ，u 2 1 3 1 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：c f ga n dp h cp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na r ew i d e l yu s e di n g r o u n d t r e a t m e n tf o rp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n ee n g i n e e r i n g t h e s ec o m p o s i t ef o u n d a t i o no w n s t e c h n i c a la n de c o n o m i c a la d v a n t a g e so v e ro t h e rm e t h o d s ，f o re x a m p l ec o n v e n i e n t a l t e r n a t i n gc o n s t r u c t i o n ，l i t t l e p o s t c o n s t r u c t i o n a n dd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t sf a i r c o n s o l i d a t i o n ，d e e pd e p t ho fg r o u n di m p r o v e m e n t ，h i g hl o a dc a p a c i t ya n ds a v i n g so f c o n s t r u c t i o nt i m ea n dc o s t s s t a t i o ns u b g r a d ei sd i f f e r e n tf r o mo t h e rc o m m o nl i n e s u b g r a d e a n a l y s i sf o rp i l ea n ds o i ls t r e s so fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e rs t a t i o n e m b a n k m e n tl o a di nj i n a nw e s tr a i l w a ys t a t i o no fb e i j i n g - s h a n g h a ih i g h s p e e d r a i l w a yh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo nd i s t r i b u t i n gl o a db e t w e e np i l ea n ds o i l ，a n d c o n t r o l l i n gs e t t l e m e n t i ta l s oh a sp o s i t i v em e a n i n gi nd e s i g n i n gs t a t i o ns u b g r a d eo f h i g h s p e e dr a i l w a yi nf u t u r e b a s e do ns u b g r a d ef i e l dt e s tr e s e a r c ho fj i n a nw e s t r a i l w a ys t a t i o n ，v a r i a t i o na n dd i s t r i b u t i o nl a w o fs t r s so fp i l ea n ds o i l ，a n dp i l e - s o i l s t r e s sr a t i oi ss t u d i e dv i a 矗d dt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nc o n c l u s i o n sa r e f o l l o w s ： f i r s t l y , e a r t hp r e s s u r ec e l l sa r ep l a c e do nt o po fp i l e s ，c a p sa n ds o i la r o u n dp i l e st o m e a s u r e i n gs t r e s s p i l ea n ds o i l s t r e s sa n di t ss t r e s sr a t i ov a r i a t i o nl a w d u r i n g e m b a n k m e n tr e c l a m a t i o nw e r eo b t a i n e da f t e ra n a l y s i s i n gr e s u l to fm e a s u r e m e n t s t h e m a i nc o n t e n t sa r ef o l l o w s ：( 1 ) i ti so b t a i n e dt h a tt h eg r o w t hr a t eo fs t r s so nt o po f p i l e s i sl o w e rt h a nt h a to ns o i la r o u n dp i l sw h e nt h ee m b a n k m e n th e i g h ti sb e l o wa b o u t 1 2 - 1 5 m c o n t r a r i l y , g r o w t hr a t eo fs t r s so nt o po fp i l e si sh i g h e rw h e nt h e e m b a n k m e n th e i g h ti sa b o v e1 2 1 5 m s t r e s so fp i l ec a p sh a st h es a m eg r o w t hr a t e u r i n ge m b a n k m e n tr e c l a m a t i o n ( 2 ) s t r e s so fp i l e si n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gp i l e l e n g t hu n d e rs a m ee m b a n k m e n tl o a d t h i st e n d e n c ys h o w so b v i o u s l yw i t hi n c r e a s i n g e m b a n k m e n tl o a d p e a kv a l u eo f p i l es t r e s sd e c r e a s e sf o r mc e n t e ro fs u b g r a d et ol a t e r a l s i d e p i l es t r e s sa tt r a n s i t i o nr e g i o no f p i l el e n g t hh a sas u d d e nc h a n g e s o i ls t r e s sa ta t t r a n s i t i o nr e g i o no fp i l el e n g t hi sl o w e rt h a no t h e rr e g i o n s ( 3 ) c o n s t r u c t i o nm o d ea n d c o n s o l i d a t i o nt i m eh a v eal o we f f e c to np i l e - - s o i ls t r e s sr a t i o t h e s ef a c t o r sn e e dn o tb e c o n s i d e r e dw h e nd e s i g n i n g ( 4 ) p i l e s o i ls t r e s sr a t i oi n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gp i l e - s o 订 s e t t l e m e n td i f f e r e n c e p i l e - s o i ls e t t l e m e n td i f f e r e n c ei sa r e a s o nf o rt h i si n c r e a s i n g s e c o n d l y , am o d e lo fp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni se s t a b l i s h e db ya d o p t i n gp l a n es t r a i n f e mt h r o u g ha n s y sf e ms o f t w a r e t h e nas t u d yo nt h ef a c t o r sa f f e c t i n gp i l e s o i l v l l 北京交通大学硕士学位论文 s t r e s s r a t i oo f c o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a sb e e nd o n e t h ef a c t o r sm a i n l yi n c l u d el o a dl e v e l p i l e - s o i l r e l a t i v es t i f f n e s s ，c u s i o nt h i c k n e s sa n dm o d u l e , p i l ew h e t h e rw i t hc a p n e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a c hi n f l u e n c ef a c t o ra n dp i l e s o i l s t r e s sr a t i oi sg i v e nb yt h e s i m u l m i v er e s u l t sa n dt h er e a s o ni sa n a l y s e d f i n a l y , r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo fp i l ec o m p o s i t ef o u n d m i o na n df u n c t i o no fc u s i o n a n dp i l ec a p si ss u m m a r i z e di n t h i sd i s s e r t a t i o nb a s e do nf i e l dt e s ta n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n 。s o i la r c h i n ge f f e c ti sv e r i f i e d k e y w o r d s ：s t a t i o n s u b g r a d e ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，p i l ea n ds o i ls t r e s s ，p i l o - s o i l s t r e s sr a t i o ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p i l ec a p s ，c u s h i o n c l a s s n o ：t u 4 3 3 ，t u 4 7 3 1 ，u 2 1 3 1 v l l l 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：易镅多签字日期：九7 年月节日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孑兹箩 签字日期。吖“脚日 导师签名： 签字日期： 年乡月堋 致谢 本论文的工作是在我的导师王连俊教授的悉心指导下完成的，王连俊教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢二年来 王连俊老师对我的关心和指导。 王连俊教授悉心指导我们完成了项目现场的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向王连俊老师表示衷心的谢意。 研究生辅导员徐春玲老师在生活上给予了我很大的关心和帮助，在此表示衷 心的感谢。 在项目现场工作及撰写论文期间，姜龙博士、丁桂伶博士，张光宗博士，以 及刘莉，潘意，王婷，姜良，邓兆俊等硕士同学对我论文研究工作给予了热情帮 助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢中铁十二局集团的各位同事的帮助和支持。 1 绪论 1 1 本文研究的背景与意义 1 1 1 研究背景 1 绪论 随着经济及社会发展，基础设施建设进入大发展时期，特别近几年客运专线、 高速铁路也迅速发展，技术标准要求极高的工程日益增多。在场地地质复杂条件 下，为了满足高速铁路工后差异沉降要求一般不大于1 5 r a m 的标准，并兼顾安全适 用、技术先进、经济合理、确保质量、保护环境的国家技术经济政策，地基处理 技术广泛应用于重大工程的地基改造中，以满足上部结构对地基变形和强度的要 求。c f g 桩，p h c 桩( 预应力高强度混凝土预制管桩) 等复合地基有施工速度快、 工期短、质量容易控制、工程造价低廉、承载力提高幅度大和有效控制沉降变形 等特点。该技术在客运专线、高速铁路等工程建设中得到广泛运用。 京沪高速铁路以北京南站为起点，途经北京、天津、河北省沧卅i 、山东省德 州、济南、泰安、曲阜、滕州、枣庄、江苏省徐州、安徽省宿州、蚌埠，定远、 滁州、再经江苏省南京、镇江、常州、无锡、苏州、昆山，到达终点站上海虹桥 站( d k l 3 0 9 + 1 0 0 ) ，正线全长1 3 1 7 8 4 k m 。京沪高速铁路的建设，在国民经济中具 有极其重要的意义和作用。 济南西客站是京沪高速铁路5 个始发终到站之一。规划年度京沪高速铁路、 胶济客专、太青客运专线线引入济南枢纽。京沪高速铁路引入济南枢纽设济南西 客站，胶济客专引入枢纽设平陵城客站。结合胶济客专引入和枢纽联络线方案， 枢纽形成以济南西客站、济南站为主要客运站，平陵城站、济南东站为辅助客站 的“两主两辅”格局。两主要客运站分工为：济南西客站主要承担北京方向、上 海方向高速列车的始发终到作业和部分青岛方向列车的始发终到作业以及南北方 向高速旅客列车的通过作业；济南站承担部分北京、上海、青岛方向高速旅客列 车的始发终到作业，南东、北东方向高速列车停站通过作业以及枢纽衔接各方向 的普速旅客列车的始发终到和通过作业。 京沪高速铁路济南西客站采用c f g 桩和p h c 桩作为地基加固方式。本文以在 建项目京沪高速铁路济南西客站为依托，通过现场试验究路堤刚性桩复合地基的 桩土应力问题。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 2 研究意义 京沪高速济南西客站站场总长3 0 0 0 余米，路基宽度为2 0 3 m ，平均填高7 m ， 为大面积堆载站场路基，区别与一般线路路基，有堆载面积大的特点。站场中部 正线，与高速铁路标准一致，要保证列车高速通过，这又区别于一般站场路基。 研究济南西客站站场路基复合地基的桩土应力及其应力比问题，对有效控制沉降， 及今后高速铁路站场路基的设计，施工有着积极重要的意义。 桩土应力比是指在复合地基在荷载作用下桩的平均应力与土的平均应力的比 值，是复合地基设计的一个重要参数，体现了复合地基在荷载作用下桩的应力集 中程度。桩土应力比( n ) 是否合适决定了桩体和桩间土是否能够最大限度的发挥 作用。n 值太大，则应力在桩体集中，桩间土没有有效的发挥承载作用，使得复合 地基与桩基础等同。n 值太小，则桩的承载力没有得到发挥，复合地基承载力太小， 强度达不到要求。 桩土应力比与很多因素有关，荷载的作用时间、大小及作用方式，桩体材料 与桩周土层的物理力学性质，复合地基的置换率，垫层的厚度，垫层材料的性质， 桩长，桩径，桩间距等。在给定桩土应力比的情况下，可以通过桩土应力比来调 整上述设计参数。 桩土应力比也是计算复合地基承载力，研究复合地基的沉降量的重要参数。 研究桩土应力比，以及桩土之间应力分布关系，对合理分配桩与桩间土承担的荷 载，提高桩体复合地基的整体承载效率，有效控制沉降有重要的意义。研究桩土 应力比与设计参数之间的关系，能够为设计理论和计算方法提供参考，并为进一 步研究桩土应力比与控制沉降之间的关系提供依据 在路基填筑施工中，研究其桩土应力的变化情况，能够更好的指导施工过程。 因此无论是在为设计提供依据还是指导施工，研究桩土应力比都有极其重要的意 义。 1 2 复合地基概述 复合地基一词始用于2 0 世纪6 0 年代，当时日本在砂桩施工技术和土木工程 应用方面取得了显著进展，在研究砂桩抵抗地基滑动计算中，首次提出了以砂桩 与桩周土共同作用的计算模型，称为复合地基( c o m p o s i t eg r o u n d ) 【1 1 。2 0 世纪7 0 年代以来，我国地基处理技术飞速发展。近年来，c f g 桩、素混凝土桩等刚性桩 复合地基技术在道路工程中得到了广泛的应用，取得了良好的效果，但也出现了 沉降差过大，沉降差异过大甚至导致路基失稳等问题。其原因是对复合地基的加 2 1 绪论 固机理及荷载传递规律认识不足，特别是复合地基内部的桩土应力分布认识不足。 1 2 1 复合地基的概念和分类 复合地基是指是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换， 或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体( 天然地基土体) 和增强体两部分组 成的人工地基。在荷载作用下，基体与增强体共同承担荷载。 复合地基根据增强体的方向可分为水平增强体复合地基和竖向增强体复合地 基。 水平增强体复合地基主要包括各种加筋材料，如土工聚合物，金属材料格栅 等形成的复合地基。竖向增强体习惯上被称为桩，竖向增强体复合地基通常被称 为桩体复合地基。桩体复合地基又可分为散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基 和刚性桩复合地基【2 1 。 图1 1 复合地基的分类 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n 目前桩体复合地基在工程上应用较多，文献【3 】对桩体复合地基做了详细的分 类。见表1 1 【3 1 。 表1 1 桩体复合地基的分类 t a b l e1 1c l a s s i f i c a t i o no fp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n 散体桩复合地柔性桩复合地基 刚性桩复合 基 地基 砂桩碎石灰土类水泥土类 c f g 混凝 复合桩复 桩复 土桩 地基合地 灰土石灰二灰粉喷搅拌旋喷夯实 合地 基 桩复桩复桩复桩复桩复桩复水泥 基 合地合地合地合地合地合地土桩 基基基基基基复合 地基 3 基 基 地 地 合 合 复 复 桩 桩 性 性 柔 柔 厂、l 基 基 地 地 a 口 厶u 复 复 桩 桩 料 料 材 材 体 结 散 粘 riil 基 基 地 地 合 合 复 复 体 体 强 强 增 增 向 向 向 竖 横 厂，l 基地厶口 复 北京交通大学硕士学位论文 散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身材料没有粘结强度， 单独不能形成桩体，主要通过桩体材料的鼓胀作用提高复合地基的承载能力。散 体材料桩复合地基的承载力主要取决十散体材料的内摩擦角和周围土体能够提供 的桩侧摩阻力。 柔性桩复合地基的桩体刚度较小，但桩体具有一定的粘结强度，柔性桩中部 分强度较高的桩( 粉喷桩，有时称为半刚性桩) 已较强地表现出桩的性状。柔性桩复 合地基的承载力由桩体和桩间土共同承担，其中，绝大多数情形，桩体的置换作 用是主要组成部分。 刚性桩复合地基的桩身强度较强。为保证桩土共同作用，通常在桩顶设置一 定厚度的褥垫层。当桩端置于不可压缩层或压缩量较小的土层上时，在桩顶设置 褥垫层后，其受力过程可描述为：桩间土的抗压强度远小十桩的抗压强度，桩项出 现应力集中，当桩项荷载超过褥垫层的局部抗压强度时，褥垫层局部( 与桩接触部 分) 会产生压缩量幽，基础和褥垫层整体也会产生向下的位移血，压缩桩间土。 此时桩间土承载力开始发挥作用，并产生沉降，直至应力平衡【4 】。此时褥垫层的存 在起到调整桩土荷载分担比例，充分利用桩间土承载能力的作用。随着桩间土承 载力能力的增加，作用在桩身上的围压增加，桩身的强度提高。 柔性桩和刚性桩是相对的，与其荷载传达特征和桩土相对刚度有关。柔性桩 和刚性桩的划分可根据桩土相对刚度表达式k 值断判定【5 1 。建议k i 0 称为刚性桩。对于刚性桩复合地基，上部传递下来的荷载通过垫层的 均化调整作用在桩体和桩问土上，桩体和桩间土共同承载。 桩体复合地基有两个基本特点： 6 1 ( 1 ) 加固区是由基体和增强体两部分组成， 是非均质的，各项异性的；( 2 ) 在荷载作用下，集体和增强体共同直接承担荷载。 桩体复合地基的第1 个特征使复合地基区别于均质地基，第2 个特点使复合 地基区别与桩基础。 1 2 2 复合地基的作用机理 1 桩体作用 在复合地基中由于桩体的刚度较桩间土大，在刚性基础下等量变时，地基中 应力按照材料模量进行分布，桩体上将产生应力集中现象，桩将承担大部分荷载， 提高了地基承载力。随着桩体刚度增加，其桩体作用发挥得更加明显。 2 垫层作用 桩与桩间土复合形成的复合地基或称复合层，它可起到类似垫层的换土效应， 减小浅层地基中的附加应力密度，或者说增大应力扩散角。在桩体没有贯穿整个 4 1 绪论 软弱土层的地基中，垫层的作用尤为明显。 3 挤密作用 如砂桩、土桩、石灰桩、砂石桩等在施工过程中由于震动、挤压、排土等原 因，可使桩间土起到一定的密实作用。采用生石灰桩，由于其材料具有吸水、发 热和膨胀作用，对桩间土同样可起到挤密作用。 4 加速固结作用 不少竖向增强体或水平增强体，如碎石桩、砂桩具有良好的透水特性，是地 基中的排水通道。在荷载作用下，地基土体会产生超孔隙水压力。由于这些排水 通道有效的缩短了排水距离，加速了桩间土的排水固结。 5 加筋作用， 各种桩土复合地基除了可提高地基的承载力外，还可用来提高土体的抗剪强 度，提高地基的抗滑能力。国内外将砂桩和碎石桩用于高速公路的路基或路堤加 固，都起到加筋的作用，这种人工复合的土体可增加地基的稳定性【6 】。 1 3 复合地基桩土应力比研究现状 桩土应力是计算复合地基承载力，研究复合地基的沉降量的重要参数。研究 桩土应力比，以及桩土之间应力分布关系，对合理分配桩与桩间土承担的荷载， 提高桩体复合地基的整体承载效率，有效控制沉降有重要的意义。研究桩土应力 比与设计参数之间的关系，能够为设计理论和计算方法提供参考，并为进一步研 究桩土应力比与控制沉降之间的关系提供依据。前人在桩土应力比方面做了很多 研究工作，下面从三个方面分别介绍： 1 3 1 理论研究现状 池跃君，宋二样，陈肇元【刀利用解析解答对刚性桩复合地基在竖向荷载下的工 作特性进行了较深入的分析，着重讨论了桩土应力比及荷载分担比等随复合地基 荷载、垫层厚度、垫层模量、桩长、桩间距、桩间土模量和桩端土抗力系数等因 素变化的规律计算结果表明，竖向荷载作用下，桩土应力比随复合地基荷载、垫 层模量、桩长和桩间距的增加而增大，随垫层厚度和土体模量的增加而减小，同 时也表明复合地基的设计参数有合理的取值范围。 朱世哲，徐日庆掣8 】通过受力分析推导了带垫层的桩土应力的计算方法，同时， 考虑了桩顶刺入垫层和桩端刺入下卧层的情况，并分推导了垫层为理想弹性体和 理想弹塑性体两种情况下的桩土应力比解析表达式。从理论上论证了垫层模量， 5 北京交通大学硕士学位论文 垫层厚度，桩的模量，下卧层及桩间土对桩土应力比的影响。 雷金波，姜弘道等【9 】将桩帽，桩体，桩帽下土体视为一个复合桩体，以土力学 和弹性理论为基础，基于合理假设，采用等沉面的思想，考虑复合桩体发生上、 下刺入变形现象，推导出能够反映层状不均质地基和带帽桩复合地基空间三维沉 降变形特征的复合桩土应力比隐式计算公式。 饶为国，赵成刚【m 】简述了桩网复合地基的组成和工作原理，在“网桩一土 体系的共同作用下，基于网单元的受力平衡条件，推导出了路堤荷载下桩土应力 比计算式；结合算例，对桩土应力比与桩间距( 置换率) 、上覆路堤荷载水平、工后 沉降量、桩间天然土的承载力、网的刚度等各主要影响因素之间的关系进行了系 统的分析。 郑俊杰，黄海松【l l 】选取常用的双折线荷载传递函数，推导出一组轴向荷载沉 降曲线的解析算式，从而用其来表征桩的荷载沉降曲线：选取双曲线函数来表征地 基土的荷载一沉降曲线，推导出了水泥土桩复合地基中考虑桩。土相互作用的桩土应 力比的解析算式，并讨论相关参数对桩土应力比的影响。 傅景辉，宋二祥【1 2 】通过分折桩一土一垫层的共同作用，讨论了刚桩复合地基的工 程特性，推导出在荷载作用下，当桩端土层为文克勒地基时的桩顶荷载、土体表 面荷载、桩体沉降、土体沉降、受荷载后垫层厚度等的计算公式，并根据推导出 的应力比公式对应力比的多种影响因素进行了探讨。 刘杰、张可能【1 3 】根据桩土侧向变形及竖向变形协调条件，且将桩土相互作用 问题视为空间问题，应用弹性理论导出了桩及桩周土的应力应变关系，得出了桩 体材料屈服时桩土应力比的计算式。 ，、 ，厦i 三一1j 、 a l a m g i r ，通过假定典型单元体的位移模2w p + 吼( = 一e ”7j 式：提 出了“单位元”的概念，获得了柔性基础下端承桩的计算解析式 1 3 2 试验研究现状 池跃君，宋二祥【l5 】通过现场试验，测出了刚性桩复合地基各土层的变形、桩 体的上下刺入量、桩身轴力、侧摩阻力。并由此得到桩土荷载分担比、应力比。 试验表明：垫层起到了使桩土共同参与工作的作用，使土能够较充分发挥其承载 能力：单桩复合地基中加固层压缩是产生沉降的主要原因，下卧层的压缩量很小， 垫层压缩量占沉降的比例随荷载而变化，刚性桩复合地基首先是桩周土承担较大 荷载，使其从局部剪切破坏开始，逐步向整体剪切破坏发展，而后随着桩承担荷 载的加大，桩承载力达到极限而破坏，进而复合地基发生破坏。 6 1 绪论 杨涛，李国维【1 6 1 通过对填砂路堤下水泥搅拌桩复合地基桩土应力比的现场试 验，获得路堤荷载下水泥搅拌桩复合地基桩、土应力，并对复合地基中桩土应力 比随荷载和时间的变化规律进行探讨。试验结果表明，路堤荷载下水泥搅拌桩复 合地基桩土应力比的变化规律与刚性基础下复合地基桩土应力比的规律有较大差 别，它随荷载的增加呈先减小后增大的规律，桩土应力比不超过2 o ，且随时间基 本不变。 乔京生【1 7 】等利用三维大型模拟实验台，建立物理模型分析了荷载、桩长、褥 垫层厚度、加固区土体模量对桩土应力比的影响，并根据试验数据经线性回归等 到了桩土应力比的经验公式，并通过检验，经验公式精度较高。 于庆磊f 1 8 】等对c f g 桩复合地基进行了现场堆载监测和载荷试验，并对两者试 验结果进行了分析。结果表明：在刚性荷载和半柔性荷载条件下桩土应力比的变 化规律存在着差异，半柔性荷载条件下的复合地基的桩土应力比载荷板刚性荷载 下的桩土应力比小，半柔性荷载条件下的复合地基，在沉降过程中，桩和桩间土 的沉降存在差异性。 李海芳【1 8 】等介绍了采用低强度混凝土桩复合地基处理桥头跳车问题，同时通 过现场载荷试验、桩顶和桩问土的土压力测试以及沉降监测，较全面地研究了低 强度桩复合地基承载力和桩土受力特性以及沉降变化规律，指出在填土荷载下桩 土应力比的变化过程不同于刚性荷载板下的变化过程，并提出路堤填土存在拱效 应。 陈小庭【1 9 】等利用现场试验的方法研究了管桩在不同褥垫层设置方式的情况下 桩土应力比的变化特性，通过试验数据发现桩土应力比峰值点为分界点，桩土应 力协调分两阶段，由土体瞬时沉降引起的应力协调是桩土协调工作的第一阶段， 由主固结引起的为第二阶段，并对褥垫层设置提出了合理的建议。 蒙庆辉【2 0 】等通过在试验断面埋设土压力盒的方式，从实测桩土应力分析了土 工格栅对桩土应力比的作用机理，了解其变化规律，试验结果表明土工格栅能够 使上部荷载更好的向装上传递，减少了桩间土的承载力，是桩间土没有充分发挥 其承载力作用，并通过理论推导出土工格栅作用下的桩土应力比的数学表达式。 1 3 3 数值计算研究现状 李宁，韩煊利用数值试验的方法，系统研究了4 种模量的代表性群桩复合 地基( 极柔性桩、一般柔性桩、半刚性桩、刚性桩) 施加褥垫层后的承载性状，分析 了褥垫层在复合地基中的加固机理与作用。提出利用褥垫层对复合地基承载力进 7 北京交通大学硕士学位论文 行优化设计的基本方法与思路 m i r i a me s t e w a r t l 2 2 对桩承式路堤的土拱效应以及土拱比的计算方法进行了 归纳总结，指出上述方法均未考虑桩间土的压缩性。接着采用数值方法分析了桩 间上压缩性对土拱比的影响。 邢仲星和陈晓平【2 3 】用有限元分析方法对采用刚性桩、柔性桩、搅拌桩处理后 的复合地基的不同情况进行了计算分析，并对应力场，变形场，应力水平等特性 的研究。 谭昌吲2 4 】基于m e c h e n t 模型，建立公路路堤软土地基沉降的二维弹性b i o t 固 结有限元计算方法：从优化原理出发，采用最小二乘法。建立根据沉降、孔压以及 侧向变形等实际观测信息进行参数反演的合理目标函数形式；采用s i m p l e x 直接优 化算法( 单纯形法) 实现参数的反演计算，从而提高公路路堤软土地基沉降预测的准 确性。实例分析表明，该方法是可行的。 j h a l l 【2 5 】对桩承式加筋路堤的性状进行了数值分析研究，采用典型单元体和 d u n c a n c h a n g 模型，讨论了对地基总沉降量、不均匀沉降量、土拱比、桩土应力 比以及加筋体应力的影响。结果表明：随着路堤填土高度、加筋体刚度以及桩体模 量的增大，桩土应力比和加筋体的张力也随之增加，同时加筋体的最大张力出现 在桩侧处。 左伟【2 6 】等把路堤假设为一个柔性荷载和一个具有较小刚度的垫层，运用有限 元的分析方法，选择一个工程实例，对水泥土搅拌桩复合地基的桩土应力比进行 了分析研究；探讨了路堤高度、路堤刚度、桩土刚度比及荷载等因素对复合地基 桩土应力比的影响。结果表明：路堤下复合地基桩土应力比与刚性基础复合地基 桩土应力比有较大差异。 1 3 4 存在问题 通过以上文献综述可知，复合地基桩土共同作用、桩土应力关系问题在工业 与民用建筑方面研究较多。而铁路路基属于柔性基础，柔性基础下荷载与桩及桩 间土相互作用关系的不确定性因素较多，还没有形成公认的计算理论和设计方法； 目前，研究高速铁路路基桩土应力问题，现场试验方式以静载荷试验较多，实际 工程监测较少：高速铁路站场路基区别与一般线路路基，其路基宽度大，覆盖面 积广，地质条件复杂，而正线路基又要保证列车高速通过，国内对高速铁路站场 路基复合地基的研究还较少，没有成熟的理论和设计方法。 因此，本文以在建项目，京沪高速铁路济南西客站为依托，研究其复合地基 的桩土应力变化与分布问题，以及桩土应力比问题，是十分必要的，并且具有重 8 1 绪论 要意义。 1 4 本文研究思路及主要内容 刚性桩复合地基因其突出的优点，在高速铁路软土地基处理中得到了重视， 并且得到了初步应用，国内学者对其有了一定的研究和分析。而高速铁路站场路 基荷载下的刚性桩复合地基性状，却缺乏系统的研究和分析。本文分析了复合地 基桩土应力问题的研究现状，指出目前研究的中出现的问题和空白。通过现场试 验对高速铁路站场路基荷载下复合地基的桩土应力问题做了系统研究，并进一步 通过数值模拟的方法对桩土应力的影响因素进行了分析。指出了路基填筑过程中 桩土应力和应力比的变化规律，各种因素对桩土应力比的影响程度，总结归纳了 复合地基的加固机理以及桩帽、垫层的作用，为今后的工程实践提供参考。本文 主要研究内容如下： 本文首先采用试验手段，以实测手段为依据，进行对比分析。在京沪高速铁 路济南西客站施工现场，埋设土压力盒，液压式剖面沉降仪进行现场监测。 1 分析路基填筑过程中桩土应力及应力比变化情况，指出其规律 2 研究路基填筑过程中桩顶与桩帽应力分布情况。包括桩顶与桩帽的应力分 布；桩帽中心，与偏心应力情况。 3 对比两桩中心土与四桩中心土的荷载分担情况。 4 研究不同基础型式对桩土应力比的影响。即：筏板基础与桩帽加垫层、土 工格栅对桩土应力比的影响。 5 研究填筑过程中桩土应力比与桩土沉降差及固结时间之间的关系。 本文进一步通过数值模拟的方法，建立三桩复合地基模型，设置不同垫层厚 度，不同挚层模量，不同桩土模量比，设置有桩帽和无桩帽等不同工况，计算在 各级荷载下的桩土应力比，并讨论这些工况对桩土应力比的影响。 9 2 济南西客站站场路基试验设计 2 济南西客站站场路基试验设计 2 i 济南西客站工程概况 2 i 1 工程概况 济南西客站正线里程d i k 4 1 7 + 4 5 3 5 4 d i k 4 2 1 + 0 5 3 3 6 ，中心里程为 d i k 4 1 9 + 4 2 5 ，位于济南市槐荫区张庄飞机场西侧、京福高速公路以东、北环线以 南、济兖公路以北范围，为高速列车始发终到站，主要承担北京方向、上海方向 高速列车的始发终到作业和南北、北东方向高速旅客列车的通过作业。车站横列 式布置，共设到发线1 5 条，侧式站台1 座，岛式站台7 座。铺设无砟道岔2 0 组， 其它道岔6 0 组。 济南西客站范围均为深厚松软土地基，为减少工后沉降，设计采用p h c 管桩， c f g 桩为地基家加固方式。路基预压措施，堆载4 5 米，预压观测期暂定1 2 个月； 路基土方1 9 0 万m 3 ，平均填土高7 m 。 2 1 2 工程地质及水文地质条件 1 地形地貌：济南市位于黄河以南冲积平原、丘陵及丘间平原。南部丘陵区 是山区向平原的过渡地带，以剥蚀为主，残丘多分布于丘间冲洪积平原，风化剥 蚀使山顶呈浑圆状。 2 地层岩性：沿线丘陵区前缘及丘间平原分布第四系上更新统、中更新统冲 洪积、坡洪积、残坡积层；残丘区出露灰岩；居民区附近及既有铁路、公路表覆 第四系全新统人工堆积层。 、素填土( q 4 m ) 。灰褐色，湿，以粘性土为主，厚度1 8 3 7 m ，平均2 5 m 。 本层结构松散，未经处理不宜作为地基持力层。 、粉土( q 。以) 。褐黄色，密实，饱和，无光泽反应，摇震反中等，干强度中 等，韧性低，夹粉质粘土。厚度0 8 3 1 m ，平均2 4 m 。本层属中偏低压缩性土。 、粉质粘土( q 。8 1 州) 。褐黄色，可塑，饱和，稍具光泽，摇震反应低，干强 度中等，韧性中等，含姜石，夹粉土。深度5 4 8 8 m ，平均7 1 m 。 、细砂土( q 4 “州) 。黄色，密实，饱和，无光泽反应，摇震反应中等，干强 度中等，无韧性，夹粉土。深度o 9 3 1 ，平均2 o i i l 。本层属中偏低压缩性土。 北京交通大学硕士学位论文 粘土( ( q 4 们) 。褐黄色，软塑，饱和，具光泽反应，摇震反应低，干强度强， 韧性强，含姜石，夹坚硬胶结层。深度1 7 4 2 0 8 m ，平均1 9 1 m 。本层属中偏低 压缩性土。 3 地质构造：济南地区处于中朝准地台的次级构造单元鲁西断块上。鲁西断 块位于沂沭断裂带以西，齐河一广饶断裂以南和聊考断裂以东地区。中生代断块以 差异运动为主，形成了泰山隆起，并伴随着岩浆岩的侵入，北西向、北北东为区 内主要断裂。工程沿线新生代接受了河流搬运的物质堆积，形成第四系的覆盖层， 断裂构造对铁路及建筑物没有明显影响。 4 不良地质及特殊土：沿线主要不良地质及特殊土有岩溶、填土、新黄土。 岩溶：沿线分布的奥陶系、寒武系的石灰岩，岩溶一般弱发育，局部中等发育，溶 洞大部全充填，充填物主要为黏性土、砂夹灰岩碎块。岩溶微弱发育段落对于桥 梁、路基、路堑等，影响较小。中等发育段落对桥梁来讲，直接影响到桩的长度 和结构安全。o 填土：居民区附近、公路和铁路路堤分布有厚度不等的第四系全新 统人工堆积层杂填土、素填土、填筑土，厚度一般为l 8 m 。杂填土需清除换填， 素填土地段地基需做分层夯实处理。o 新黄土：沿线分布新黄土，具直立性、大孔 隙性。土层中局部多含砂及姜石。崔马庄线路所附近上部新黄土具湿陷性，湿陷 系数一般为0 0 1 6 - - 0 0 4 4 ，属i 级非自重湿陷性黄土，湿陷性黄土的厚度小于8 m 。 新黄土分布地段的地基应加强地表排水，和碾压措施。 5 水文地质：工程场地地下水类型按赋有条件可分为孔隙潜水、基岩裂隙水及 岩溶水。孔隙潜水赋有于第四系土层与砂类土、碎石类土中，一般埋深3 - - , 1 5 m ， 地下水一般对混凝土结构不具侵蚀性。基岩裂隙水主要赋存于石灰岩岩溶裂隙中， 埋藏较深且变化幅度较大。主要靠大气降水及上部孔隙潜水补给。一般对混凝土 结构不具侵蚀性。 6 地震动参数：根据京沪高速铁路沿线地震动参数区划报告，沿线5 0 年超 越概率1 0 水平的地震动峰值加速度为0 0 5 9 ( 地震基本烈度v i 度) ；地震动反 映谱特征周期划分为3 区。 7 气象：济南地区属暖温带亚湿润气候区，四季分明，春季干燥多风夏季炎热 多雨，秋季秋高气爽，冬季寒风凛冽。降水量多集中在七、八月份，大风多集中 在三、四月份。按对铁路工程影响的气候分区为温暖地区。土壤最大冻结深度0 5 m 。 2 1 3 地基处理方案 济南西客站正线无砟轨道部分，路基基底设置o 5 m 厚的c 3 0 钢筋混凝土板， 1 2 2 济南西客站站场路基试验设计 板下设置0 1 5 m 厚碎石垫层，垫层下采用p h c 桩，直径o 5 m ，桩长3 5 m ，正方形 布置，间距2 m 。 辅线部分，路基基底下设置0 6 m 厚碎石垫层，中间铺设两层高强度土工格栅。 垫层下采用c f 6 桩，直径0 5 m ，沿线路方向间距1 5 m ，横向间距1 6 m ，桩长2 5 m ， 0 1 k 4 1 9 + 2 0 0 5 3 - - - , + 2 0 8 0 3 与d i k 4 1 9 + 6 4 3 0 3 - - 6 5 0 5 3 段板外5 排桩长2 5 m ，其他 桩长2 0 m ，d i k 41 9 + 2 0 8 0 3 - - - + 6 4 3 0 3 地段板外5 排桩长2 5 m ，再外5 排桩长2 0 m ， 其余桩长1 5 m 。c f g 桩设置桩帽，直径1 1 m ，厚度o 4 m 设计单桩承载力8 0 0 k n 。 图2 1 京沪高速铁路济南西客站典型断面设计示意图 f i g 2 t y p i c a ls e c t i o nd e s i g ns c h e m a t i cf o rj i n a nw e s tr a i l w a ys t a t