高速铁路桩—网复合地基性状及设计方法研究

论文摘要

在软基上修建高速铁（公）路需要解决工后沉降控制和提高施工速度两大技术难题。桩-网复合地基的推出为解决稳定性和工后沉降控制这两大技术难题提供了新的途径。目前该方法在工程上已经有-定应用并取得较好的效果，但研究偏少。为此铁道部在京沪高速铁路进行了由一家设计院、两个工程局和三所高校共同参与的软土地基路桥设计参数特大型试验。本文以此高速铁路软土路堤昆山试验段为工程背景，对地基沉降、孔隙水压力、桩土应力比以及土工格栅应力、应变等项目进行系统测试、分析与总结，并在现场试验的基础上利用数值计算方法对桩-网复合地基的承载机理，稳定性及沉降规律进行研究，获取如下主要结论：（1）现场测试确定桩-网复合地基现场测试项目、测试元器件的埋设方案、现场数据采集方案及测试频率；总结出一套针对高速铁路桩-网复合地基试验路堤的元器件埋设、测试方法及数据整理的方法并获得丰富、可信的现场实测资料，可供类似工程项目参考。（2）测试分析成果基于地表沉降、分层沉降、剖面沉降和侧向变形的观测数据得到桩-网复合地基的沉降和变形规律；基于孔隙水压力消散数据获得桩-网复合地基中地基土的固结特性；通过基底应力、桩-土应力比和加筋垫层中土工格栅应力应变的观测数据得到桩-网复合地基的承载机理和荷载传递机理。（3）性状分析针对桩-网复合地基中采用的不同桩型，提出了各自适合的平面应变等效方法；对于砂桩，桩体刚度采用面积等效方法，加固区地基土层水平向渗透系数必须进行等效计算；对于搅拌桩，桩体刚度采用刚度等效的方法。确定了数值模拟中地基土、筋材、筋-土和桩-土界面所采用的数值模型及各模型所需计算参数。通过模型效验，验证计算模型及参数正确。得到了桩-网复合地基加筋垫层中筋材拉力、界面剪应力和界面相对位移的变化及参数影响规律。利用有限元强度折减法可以有效地解决桩-网复合地基稳定性分析问题，得到桩-网复合地基整个填筑过程安全系数变化规律、桩-网复合地基破坏机理及各组成部分对稳定性的影响规律，确定桩-网复合地基可以有效的改善路堤稳定性，提高填筑速率，缩短工期。通过数值计算，对桩．网复合地基沉降规律进行研究，得到桩-网复合地基中地基土参数、桩长、桩体模量、桩的置换率、垫层弹性模量和筋材刚度等参数对总沉降量、加固区压缩量、下卧层沉降量及工后沉降的影响规律。确定桩-网复合地基中提高桩长、桩体模量及增加桩的置换率均可有效地减小和控制工后沉降，这些参数均存在临界值，超过参数临界值后再增加各参数量值，对控制工后沉降的作用有限。（4）设计方法基于实测数据和加筋垫层及稳定性计算结果，确定桩-网复合地基加筋垫层的设计参数——筋材抗拉刚度、筋材抗拉强度、加筋层数及筋土界面系数的取值范围和方法。根据沉降修正系数法，提出了桩-网复合地基沉降的计算方法，确定桩的设计参数——桩长、桩体模量、桩间距和桩径。根据以上结果，得到桩-网复合地基设计方法和步骤。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 土工合成材料在地基处理中的应用
• 1.2.1 土工合成材料的发展阶段
• 1.2.2 加筋材料类型
• 1.2.3 土工合成材料的功能
• 1.2.4 土工合成材料的加筋机理
• 1.2.5 加筋地基的发展阶段
• 1.3 桩-网复合地基的概念和应用
• 1.3.1 桩-网复合地基的组成
• 1.3.2 桩-网复合地基的应用
• 1.4 桩-网复合地基的研究现状
• 1.4.1 桩-网复合地基的试验研究现状
• 1.4.2 理论研究现状
• 1.4.3 数值分析现状研究
• 1.4.4 存在的问题及发展趋势
• 1.5 本文的主要工作
• 1.5.1 本文研究方法
• 1.5.2 主要研究内容
• 第二章 桩-网复合地基试验研究
• 2.1 工程概况
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 试验段工程地质概况
• 2.2 软土地基特性分析
• 2.2.1 地基土物理力学指标分析
• 2.2.2 压缩系数、压缩模量及体积压缩系数的获取
• 2.2.3 压缩指数、膨胀指数和前期固结压力的获取
• 2.3 设计方案
• 2.4 施工方案
• 2.4.1 施工方法
• 2.4.2 路堤填筑情况
• 2.5 测试方案
• 2.5.1 观测断面的测试项目及测试元件设置
• 2.5.2 测试元件的设置和埋设
• 2.5.3 数据采集与观测
• 2.6 测试结果及分析
• 2.6.1 地表沉降沉降
• 2.6.2 地基分层沉降
• 2.6.3 路基剖面沉降
• 2.6.4 侧向位移
• 2.6.5 孔隙水压力
• 2.6.6 基底分布应力
• 2.6.7 桩土应力比
• 2.6.8 土工格栅
• 2.7 小结
• 第三章 桩-网复合地基数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 有限元分析基本理论
• 3.2.1 有限元分析的形函数形式
• 3.2.2 非线性有限元分析方法
• 3.2.3 土工有限元分析方法
• 3.3 比奥固结理论
• 3.3.1 基本方程
• 3.3.2 比奥固结有限元法方程
• 3.4 软土的本构关系
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 Mohr-Column完全弹塑性模型
• 3.4.3 软土模型
• 3.5 数值模型的建立
• 3.5.1 复合地基桩体平面应变处理
• 3.5.2 渗透系数等效
• 3.5.3 土工格栅的数值模拟
• 3.5.4 桩土、筋土界面的数值模拟
• 3.5.5 桩-网复合地基数值模型的确定
• 3.6 模型参数的确定
• 3.6.1 地基土特性和参数
• 3.6.2 路堤填料
• 3.6.3 加筋垫层
• 3.6.4 桩的参数确定
• 3.7 模型效验
• 3.7.1 沉降结果对比
• 3.7.2 侧向位移结果对比
• 3.7.3 孔隙水压力结果对比
• 3.7.4 筋材应变结果对比
• 3.8 小结
• 第四章 桩-网复合地基加筋垫层性状分析
• 4.1 概述
• 4.2 加筋垫层筋材拉力变化规律
• 4.2.1 路堤填高变化对筋材拉力的影响
• 4.2.2 筋材刚度变化对筋材拉力的影响
• 4.2.3 垫层材料变化对筋材拉力的影响
• 4.2.4 桩的刚度变化对筋材拉力的影响
• 4.2.5 小结
• 4.3 加筋垫层筋土界面剪应力变化规律
• 4.3.1 路堤填高对界面剪应力的影响
• 4.3.2 筋材刚度对界面剪应力的影响
• 4.3.3 垫层弹性模量对界面剪应力的影响
• 4.3.4 桩的刚度对界面剪应力的影响
• 4.3.5 小结
• 4.4 加筋垫层筋土界面相对位移变化规律
• 4.4.1 路堤填高对筋-土界面相对位移的影响
• 4.4.2 筋材刚度对筋-土界面相对位移的影响
• 4.4.3 界面摩擦系数对筋-土界面相对位移的影响
• 4.4.4 垫层弹性模量对筋-土界面相对位移的影响
• 4.4.5 小结
• 4.5 小结
• 第五章 桩-网复合地基稳定性分析
• 5.1 概述
• 5.2 有限元法计算边坡稳定性理论基础
• 5.2.1 强度参数降低法的应用
• 5.2.2 弧长控制法的应用
• 5.3 有限元计算结果与分析
• 5.3.1 边坡潜在滑动面示意图
• 5.3.2 稳定性计算结果
• 5.3.3 路堤极限高度
• 5.4 加筋路堤破坏机理
• 5.4.1 相对剪应力
• 5.4.2 侧向位移
• 5.4.3 桩-网复合地基破坏机理
• 5.5 路堤稳定性影响因素
• 5.5.1 桩体强度对稳定性的影响
• 5.5.2 地基土特性对稳定性的影响
• 5.5.3 路堤填料对稳定性的影响
• 5.5.4 加筋垫层对路堤稳定性的影响。
• 5.5.5 筋材刚度对稳定性的影响
• 5.6 结论
• 第六章 桩-网复合地基沉降分析
• 6.1 引言
• 6.2 桩-网复合地基沉降基本特性
• 6.2.1 桩-网复合地基变形网格示意图
• 6.2.2 沉降量计算结果
• 6.3 桩对沉降的影响
• 6.3.1 桩长对沉降的影响
• 6.3.2 桩体模量对沉降的影响
• 6.3.3 桩的置换率对沉降的影响
• 6.4 垫层对沉降的影响
• 6.5 筋材对沉降的影响
• 6.6 小结
• 第七章 桩-网复合地基的设计方法
• 7.1 概述
• 7.2 桩-网复合地基加筋垫层设计参数确定
• 7.2.1 桩-网复合地基土拱比确定
• 7.2.2 土工合成材料的设计强度
• 7.2.3 桩-网复合地基筋材抗拉强度变化规律
• 7.2.4 桩-网复合地基加筋层数确定
• 7.2.5 桩-网复合地基筋土界面摩擦系数确定
• 7.2.6 桩-网复合地基加筋垫层设计其它规定
• 7.3 桩-网复合地基沉降计算方法
• 7.3.1 桩-网复合地基沉降计算基本表达式
• 7.3.2 桩长和桩体模量修正系数
• 7.3.3 置换率修正系数
• 7.3.4 筋材刚度修正系数
• 7.4 设计步骤:
• 7.5 小结
• 第八章 结论和建议
• 8.1 本文主要结论
• 8.2 有待于进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要研究成果
• 一、发（待发）表的学术论文
• 二、参加的科研项目