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《中国铁道科学研究院》 2011年
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加筋网垫在桩网结构路基中的计算方法研究

蔡德钩  
【摘要】:我国高速铁路在本世纪初进入快速发展期,并迅速成为世界高速铁路强国。高速铁路对路基工后沉降提出十分严格的控制要求,各种地基处理方法应运而生。桩网支承路基结构(简称桩网结构,GRPS)是一种有效、经济的新型地基处理方法,适用于硬土层或基岩上有深厚的软弱层、施工期较紧及总沉降和不均匀沉降要求严格等情况。尽管桩网结构已在工程中大量应用,但其理论研究远落后于工程实践,国内尚无相应的设计规范,国外现有计算方法的假设条件也存在较大差异,在工程应用中造成极大的盲目性。正值当前我国大规模开展基础设施建设,在充分吸收国内外成果的基础上,对桩网结构中最为复杂的加筋网垫工作机理开展系统研究,建立适应我国国情的加筋网垫计算方法十分必要。 论文以桩网结构的路基土拱效应、加筋网垫索膜效应和边坡推力效应为主线,通过有限元仿真、模型试验、现场试验和理论分析相结合的方法,对动静荷载在桩网结构路基的传递特性及其引起加筋网垫加筋体受力变形、边坡推力效应引起的加筋体拉力等问题进行研究。首先,调研分析国内外桩网结构加筋网垫的研究成果,对比分析现有4个国外规范的假设条件和计算方法;其次,采用ABAQUS有限元软件建立桩网支承路基结构的三维模型,分析关键参数对其受力变形的影响特性;再次,通过12组室内模拟试验、1组现场静态路基填筑试验和1组现场动态激振试验,全面分析加筋网垫在桩网结构中荷载传递和加筋体受力变形特性;最后,结合我国塑料格栅蠕变特性分析,提出适合我国国情的加筋网垫计算方法。主要研究结论如下: (1)现有设计规范对比分析表明,加筋网垫承担竖向荷载的计算假设和方法存在差异,主要在于路基成拱形式和外荷载的考虑方式不同;竖向荷载引起加筋体拉力的计算方法均采用悬索理论,但简化方法、格栅变形控制变量及地基反力的考虑方式不同。 (2)土拱效应分析表明,加筋网垫上方的竖向应力为加筋网垫与桩间土承担的竖向应力之和,与采用球形拱假设的计算结果较为接近,加筋网垫下方桩间土承担着部分荷载。粘性土路基成拱效率略低于砂土路基,格栅的初始松紧状态对土拱成拱效率有一定的影响。 (3)索膜效应分析表明,两桩帽间格栅竖向变形近似呈现悬索形状,桩帽间的格栅拉力大于桩间土格栅,位于桩帽之间并垂直于桩帽边的格栅拉力大于平行于桩帽边的格栅拉力。计算竖向应力引起的加筋体拉力时,应考虑地基反力和加筋体初始形状的影响。 (4)边坡推力效应分析表明,实测主动土压力的合力明显大于由边坡推力效应引起的格栅拉力,在计算边坡推力效应引起的格栅拉力时,应考虑基底摩擦反力的影响。 (5)动荷载在低矮路基中的传递分析表明,经过550万次模拟动荷载作用后的土拱基本处于稳定状态,路基动态应力传递与静态应力存在明显差异,动应力在路基土拱中基本按照均质体进行传递。 论文有以下创新点:①提出了考虑地基反力和加筋体初始形状的悬索理论计算加筋网垫加筋体拉力的方法;②提出了考虑基底摩擦力的边坡推力效应引起加筋体拉力的计算方法;③提出了采用Boussinesq公式分析动荷载在桩网支承路基中传递的计算方法;④提出了考虑蠕变的塑料土工格栅长期强度的确定方法;⑤建立了适合我国国情的加筋网垫在桩网支承路基中的计算方法。
【学位授予单位】:中国铁道科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:U213.15

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