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深厚层软土路基桩网复合结构地基沉降机理及计算方法研究

张栋樑  
【摘要】: 高速铁路不仅要求路堤稳定,而且对路基工后沉降的控制有极严格的标准。《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》、《时速250公里及以下新建客运专线铁路设计规范》和《新建时速300~350公里客运专线铁路设计暂行规定》明确规定:对有砟轨道,时速200公里和250公里,路基工后沉降不应大于15cm和10cm,时速大于300公里,路基工后沉降不应大于5cm。《客运专线无碴轨道铁路设计指南》要求:对无砟轨道,路基工后沉降不应大于15mm,这对于沉降的控制提出更高的要求。桩网复合结构作为一种处理深厚层软土的方法,可以有效的控制路基工后沉降,节约成本,日益受到人们的重视。 桩网复合结构应用于高速铁路深厚层软土地基工程中,其设计有别于建筑工程,目前国内还没有规范可循,国外虽然存在相应的规范,但根据各国规范计算所得结果差别较大,因而有必要对其适用性进行分析。 目前国内外对于桩网复合结构的作用机理都开展了研究,但对于桩网复合结构中的桩帽的影响和作用机理,还缺乏系统的认识。同时桩网复合结构地基沉降还没有符合作用机理的计算方法,只能借用建筑地基基础的计算理论,因而有必要结合沉降规律和荷载传递规律,建立满足桩网复合结构作用机理的沉降计算方法。 本文针对上述问题,从数值模拟、现场试验、理论分析等方面对桩网复合结构的作用机理和沉降计算方法进行了研究和探讨,本文主要研究工作如下: 1、通过数值模拟分析了桩网复合结构的荷载传递规律和沉降规律,分析了桩间距、桩帽对荷载传递和沉降的影响。同时结合某典型软土地段分析了深厚层软土地区桩网复合结构设计参数对沉降和桩土应力比的影响。 2、通过CFG桩网复合结构现场试验,分析了CFG桩网复合结构沉降和荷载传递规律,为理论研究提供了依据。 3、通过实际工程分析比较了各国规范中作用在土工格栅上的荷载计算方法,结果表明德国规范计算的土工格栅上的荷载变化规律与实际相符,可以满足作用在土工格栅上的荷载计算的需要。在此基础上,根据土工格栅的特性,将土工格栅简化为膜,推导出弹性地基上膜的挠度方程,进一步推导出考虑土工格栅作用的桩土应力比和桩荷载分担比的计算方法,并分析了桩间距、填土高度、土工格栅抗拉刚度、地基刚度对桩荷载分担比的影响。 4、根据高速铁路路堤设计荷载,建立了桩网复合结构地基沉降计算模型。通过假定桩土界面摩阻力与相对位移为弹塑性关系;桩极限侧摩阻力与桩侧压力成线性关系;桩端土符合Winkler地基模型,同时结合桩土相互作用机理,建立了协同作用基本微分方程,进而得到了桩网复合结构桩、桩间土沉降解析解。并通过实例进行了验证。 5、通过桩网复合结构地基沉降的理论计算和数值计算,分析了桩网复合结构设计参数对地基沉降的影响,并提出了建议。 最后,关于进一步研究工作的方向进行了简要的讨论。


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