刚柔长短组合桩-网复合地基工作性状研究

研究目的:为了探讨刚柔长短组合桩-网复合地基控制深厚软土路基工后沉降的可行性,须深入研究该类复合地基在深厚软土路基中的工作性状。为此,依托哈大高速铁路新营口车站路基处理工程,有针对性地开展现场试验研究。研究结论:(1)桩体刚度与桩间土体刚度存在较大的差异,是路堤填土中产生"土拱效应"的直接原因,且土拱效应的强弱取决于差异刚度的大小;(2)该类复合地基下的沉降变形模式主要包括路堤等沉区域、路堤土拱效应影响区域、负摩阻力作用区域、正摩阻力作用区域以及下卧土层等沉区域等五方面,且褥垫层基础的刚度是桩体与土体差异沉降大小的主要影响因素;(3)该类复合地基中CFG桩桩顶压力平均值是桩间土压力平均值的196倍,而MIP桩桩顶压力平均值是桩间土压力平均值的22倍,MIP桩有效提高了浅层土体的地基承载力;(4)采取刚柔长短组合桩-网复合地基联合堆载预压法加固深厚软土路基,可消除96%以上的沉降量,工后沉降可控制在2.0 mm左右,能满足高速铁路运营期间的稳定性要求;(5)研究成果能够为高速铁路、高速公路的深厚软土路基处理提供良好的指导作用。     

基于荷载传递理论的刚性桩复合地基沉降计算

研究目的:软土地区高速铁路路基地基处理一般采用刚性桩复合地基结构,但目前考虑桩土协同工作的刚性桩复合地基沉降计算方法仍存在不足。本文通过荷载传递理论描述桩与桩间土之间荷载转移规律,由最小二乘法拟合桩间土表面荷载引起的加固区附加应力抛物分布方程,尝试建立刚性桩加固区沉降计算模型,为刚性桩复合地基沉降变形验算及桩体平面设计提供理论依据。研究结论:(1)刚性桩加固区桩与桩间土之间存在荷载相互转移现象,桩侧同时分布正负摩阻力;(2)桩间土表面荷载引起的加固区附加应力为非线性分布,可采用五点最小二乘法拟合其抛物分布方程;(3)沉降模型关于京沪高铁试验段刚性桩复合地基沉降计算结果与实测值接近,计算偏差约15%;(4)Randolph理论关于桩侧和桩端刚度系数取值方法使桩土沉降差计算结果偏大,刚度系数取值的合理性需进一步研究总结。     

路堤荷载下带帽桩-网复合地基力学性状有限元分析

运用有限元分析软件Abaqus建立路堤荷载下带帽桩-网复合地基模型,分析得出该复合地基的沉降变形、桩身轴力、桩侧摩阻力和桩土应力比分布基本规律,为工程实践提供一定的参考和指导作用.     

桩网支承路基力学性能数值分析

运用ABAQUS有限元软件建立桩网支承路基三维模型,分析桩间距、桩帽尺寸、软土层模量、下卧层模量和格栅模量等关键参数对桩网支承路基沉降、桩土应力、垫层上方应力、加筋网垫承担的应力、桩土荷载和格栅拉力等的影响。结果表明,桩土差异沉降受软土层模量影响最大,路基存在明显的应力集中即"土拱"效应,加筋网垫承担的竖向应力随下卧层模量、软土层模量和置换率的增大而减小,随格栅模量的增大而增大,两桩帽间格栅竖向变形近似呈悬索形状,上层格栅受到的拉力约为下层的0.4倍。     

桩网支承路基结构中土拱效应及网垫受力的模型试验研究

基于相似理论,对桩网支承路基中心土拱效应进行8组模拟试验。测试桩顶轴力、桩土及路基不同高度处应力、格栅拉力和桩间土沉降随路基高度、外荷载变化特性,探讨格栅受力后变形。结果表明:加筋网垫上方竖向应力与以球形拱理论为基础的德国规范计算结果较为接近;加筋网垫下方桩间土承担竖向应力随路基高度、上覆荷载增加而增加;黏性土路基成拱效率略低于砂土路基;对于两层格栅组成的加筋网垫,下层格栅承担土拱效应竖向应力引起拉力大于上层格栅,位于桩帽之间并垂直于桩帽边格栅拉力大于平行于桩帽边格栅拉力;格栅初始松紧状态对土拱成拱效率有一定影响;格栅受力后平面变形形状近似呈悬索状。研究成果可为我国桩网支承路基结构加筋网垫相关规范提供参考。     

桩-网复合地基加固机理现场试验研究

通过在广东某环城高速公路深厚软土地基加固工程中设置桩—网复合地基试验段,研究路堤荷载下桩—网复合地基的工作机理,深入分析其沉降变形、荷载传递、桩土应力比、网的受力等性状。试验成果表明：桩—网复合地基可以有效减少沉降量,可以用于填土高、软土厚度大的路段;路堤荷载下管桩与桩间土沉降不协调,土工格栅调节桩土分荷比的作用非常明显;长桩区格栅上、下的桩土应力比相差较大,桩土应力比最大值接近80;未达到持力层上的短桩桩土应力在14-22之间比较小,格栅兜提作用随桩土沉降差增大而得到发挥;在传递荷载方面,格栅作用要强于土拱的作用,满载时各向桩顶传递30%左右的荷载,土工格栅应变最大仅为1%,且桩帽边缘处应变最大,桩间应变最小。     

客运专线无砟轨道桩网结构模型试验研究

无砟轨道线路状态的调整只能通过扣件系统进行,其对轨下的基础沉降、差异沉降及弯折变形提出严格要求。为了研究在经过桩网结构地基加固后的土质路基上修建的无砟轨道是否满足要求,在室内进行了桩网结构大比例模型试验研究,测试在填筑和循环载荷试验情况下的路基沉降、基床动应力、桩顶与桩间土土压力,以及桩的应力应变分布等数据。研究表明:①桩网结构累积沉降值较小,能满足无砟轨道对工后沉降25.0 mm的要求;②桩网结构中的网具有荷载分担作用,桩起竖向增强作用,桩土应力比约为2.45;③桩的承载力由桩侧摩阻力与桩端支承力共同贡献,当地基中存在软土层时,桩侧有产生负摩阻力的趋势,中性点位于软土层下部交界面处。     

京沪高速铁路CFG桩-筏复合地基现场试验研究

结合京沪高速铁路凤阳试验段工程,开展CFG桩+垫层+筏板处理地基试验。实测桩-筏复合地基沉降变形、桩顶应力、桩间土应力、筏板顶面土应力、钢筋应力及桩身应变;分析路基沉降变形、桩土应力比随填筑高度和固结时间的变化规律;获得地基面桩土应力分布、筏板顶面土应力分布、钢筋应力分布、桩身轴力和侧摩阻力分布;研究路堤荷载作用下CFG桩-筏复合地基的工作性状。研究成果有助于高速铁路桩-筏复合地基沉降控制、承载特性和应力传递机理的研究,并为京沪高速铁路及其它相关工程的桩-筏复合地基设计方法提供数据支持。     

动载作用下桩网结构低路基双层土工格栅力学特性

研究目的:为研究列车动载作用下的土工格栅-桩间土-桩相互作用机理,建立桩网结构低路基加筋垫层双层土工格栅动力分析有限元模型,分析列车动载作用下的土工格栅的受力及变形规律。研究结论:(1)路基结构加筋垫层中,沿线路纵向方向的双层土工格栅其下层格栅拉力较大,列车荷载作用下,下层土工格栅的拉力增量较大;(2)上层土工格栅的竖向位移较大;沿路基横断面方向,上层土工格栅拉力较大,路基中心到坡脚的上、下双层土工格栅拉力的差逐渐减小;(3)列车荷载下的下层土工格栅拉力增量较大;(4)双层土工格栅能够减小其竖向位移和动荷载后格栅拉力的增量,进而减小沿线路纵向和沿路基横断面方向上的不均匀沉降,且较单层土工格栅更易发挥格栅的张力膜效应;(5)本研究可为铁路路基结构土工格栅工作机理分析提供思路和方法。     

CFG桩网复合地基桩土应力荷载比试验研究

在京沪高速铁路凤阳试验段用CFG桩网结构处理地基的实测数据的基础上,获得了柔性基础下桩帽顶、桩帽间土、四桩帽间形心处的应力及桩土应力比随荷载和固结时间的变化规律,并分析了桩土荷载分担比随固结时间的变化特性.现场试验结果表明:桩土应力比随荷载的增大而增大,基本呈线性关系;在荷载一定的情况下,桩土应力比随固结时间的变化不大;桩土应力比均值在4.0左右,地基土分担了约45%的路堤荷载.该研究成果可为中国高速铁路路堤下CFG桩网复合地基设计的参数取值提供实测依据.     

水泥搅拌饱和黄土复合地基桩土荷载分担研究

兰州至中川机场城际铁路工程沿线大多地段属于饱和黄土地基,承载力低,压缩性大,无法满足设计要求,采取水泥土搅拌桩复合地基进行加固,通过现场实测路堤荷载及刚性承载板下水泥土搅拌桩复合地基中桩土荷载分担情况。结果表明:随着路堤填筑高度及时间的增加,桩体、桩间土的应力都增大,桩体的应力大于桩间土的应力;相同的路堤填土荷载下,二灰掺量16%的复合地基中最大桩顶应力272.5 kPa,对应桩间土应力45.5 kPa;二灰掺量12%的最大桩顶应力166.3 kPa,对应桩间土应力为69.3 kPa。随着二灰掺入量的增加,路堤荷载下水泥土搅拌桩复合地基桩土应力比增大,二灰掺量16%时的最大桩土应力比为5.57,是二灰掺量为12%的2.34倍;刚性基础下桩土应力比随荷载的变化呈现出凸单峰曲线。复合地基中桩体应力集中系数的值随着荷载的增加而逐渐增大,桩间土应力减小系数随着荷载的增加而减小。     

水泥搅拌桩复合地基桩土应力比的现场试验分析

桩土应力比是搅拌桩复合地基设计、施工时的重要控制参数.根据公路路基现场试验的实测数据,分析带格栅褥垫层不同位置处搅拌桩桩顶及桩间土的应力变化、桩顶和桩间土的沉降规律,总结了路堤施工过程荷载的传递规律,对水泥搅拌桩复合地基的设计和施工提出了具体建议.     

水泥土搅拌桩复合地基承载特性现场测试分析

结合200~250 km/h客货共线的达成铁路的水泥土搅拌桩复合地基,现场埋设混凝土应变计、沉降位移计和土压力盒,分析在路堤荷载作用下水泥土搅拌桩复合地基荷载传递及变形规律。测试结果表明,复合地基的变形特性表现为地表沉降大,加固区中部地基层沉降小,加固区下部地基沉降最大。承载特性为桩体存在摩阻力零点,即中性点,中性点以上为负摩阻力,以下为正摩阻力。在群桩状态下,不存在临界桩长。承载与变形耦合关系表现为:桩体轴力最大点恰是复合地基压缩量最小的点。     

考虑地下水位下降的刚性桩复合地基沉降模型

研究目的:地下水位降低同区域性沉降直接相关,为研究区域沉降地区的高速铁路路基沉降控制问题,对地下水位降低情况下的刚性桩复合地基桩土作用发展变化规律展开研究就显得尤为重要。基于桩土荷载传递和桩侧土体极限抗剪强度理论,本文建立考虑地下水位降低影响的刚性桩复合地基沉降计算模型,根据沉降模型关于不同初始地下水位及不同深度地下水位降低情形的计算结果,确定地下水位降低引起的刚性桩复合地基沉降变形以及桩侧摩阻力分布特征。研究结论:(1)初始地下水位对桩土沉降变形的影响随地下水位深度的增加而减小,且总体处于较低水平;(2)地下水位降低幅度和水位线位置均影响桩土沉降变形,浅层地下水位变化将引起更严重的地基沉降变形;(3)地下水位降低引起桩土附加沉降的作用机理类似于大面积堆载,并将引起桩顶附近桩侧负摩阻力的增加;(4)本研究成果可为地下水开采诱发区域性地面沉降地区的刚性桩负荷地基设计提供参考,也可为高铁路基沉降控制提供可靠的设计计算依据。     

桩网复合地基加筋垫层土工格栅变形机理研究

在武广高速铁路CFG桩加固段选取一横断面,分别在桩顶和桩间土位置的土工格栅上间隔安装14个柔性位移计,测试土工格栅作为水平加筋体随荷载、时间的变化情况,结合测试结果,研究土工格栅变形的内在机理.研究结果表明,无论是在桩顶还是在桩间土的位置,土工格栅的变形沿路基横断面在路基中心区、路肩下过渡区和路基坡脚区表现出3种不同的变化规律;土拱效应是影响土工格栅变形的重要因素,受土拱效应的作用,在桩顶和桩间土中心位置均存在局部受压区域;垫层为级配碎石时,土工格栅最易受破坏的地方位于桩土交界处,土工格栅的破坏形态更近似平底锅形而非抛物线形.     

碎石桩处理软土地基室内模型试验

以室内模型试验为手段,对碎石桩复合地基的机理进行了深入探讨。通过对模型试验的分析,以相似理论的相关原理为理论基础,采用量纲分析法导出了碎石桩复合地基模型试验的相似准则,并以此设计了大比例室内模型试验,获得了有益的试验数据。探讨了路堤沉降与路堤高度的关系,桩土应力比与加载次数的关系及桩身应力与桩侧摩阻力沿桩埋深的关系。     

铁路路堤填土柔性荷载下CFG桩复合地基沉降及桩身应力研究

分别采用室内模型试验和有限元数值模拟分析不带桩帽悬浮式、不带桩帽支承式、带桩帽悬浮式、带桩帽支承式4种CFG桩复合地基在路堤填土柔性荷载下的沉降和桩身应力分布规律。两种分析方法的结果均表明:设置桩帽和支承式CFG桩均可以明显减小复合地基的沉降,复合地基沉降大小不仅取决于桩间土的承载力,而且桩端持力层土的性质也起很大作用;坚硬下卧层的存在可以让桩体分担更多的荷载,使得桩体承载力在全桩长范围内得到发挥,桩端应力值增大;桩帽的设置使得桩身应力值有所增大但不如下卧层影响明显。     

带帽PTC型刚性桩工作性状现场试验研究

为了解带帽PTC型刚性桩在处理深厚软土地基的工作性状,在某绕城高速公路两试验区进行现场足尺试验,研究了在不同地质条件下带帽刚性单桩的荷载沉降、桩身轴力、桩侧摩阻力、地表土应力及桩土荷载分担比等性状的变化规律。研究表明:带帽长桩较带帽短桩易于控制地基沉降变形和增强地基承载力,土层条件的差异对桩的极限承载力、地表土应力和桩土荷载分担比有着较大的影响。试验研究成果有助于建立带帽刚性桩计算模型,优化工程设计。     

桩网支承路基受力及加筋网垫变形现场试验研究

以武广客运专线DK2 059+560为试验工点,进行桩网支承路基的现场填筑试验,研究路基应力传递及格栅变形特性.研究结果表明:桩网支承路基结构的沉降量较小,是1种有效处理软土和松软土地基的方法;在垫层上方路基存在明显的土拱效应,本工点的土拱高度在1.6～1.9 m之间;桩间土存在一定反力;桩间土和桩帽应力分布不均匀,桩间土4桩形心处应力比2桩中点处略小,桩帽形心处应力相对角点处应力略小;桩帽附近垂直于桩帽边的格栅肋条应变略大,4桩形心附近格栅的应变略小,下层格栅的应变大于上层;边坡处格栅的应变大于路基中心处,上层格栅防止边坡滑动的作用更大.与英国、北欧、日本及德国规范的计算结果比较,试验工点的桩间土竖向应力和承担荷载比例实测结果与德国规范球形拱理论计算结果较为接近.     

高速铁路螺杆桩复合地基桩侧摩阻力原位试验研究

结合太焦高速铁路螺杆桩复合地基工程,开展螺杆桩复合地基桩侧摩阻力原位测试试验,通过分析获得的螺杆桩单桩静荷载-桩顶沉降曲线以及桩身内力分布曲线,研究高速铁路复合地基中螺杆桩侧摩阻力演化规律及螺杆桩的荷载传递过程。结果表明:螺杆桩-土接触面荷载传递过程可划分为弹性、弹塑性和极限状态3个阶段,弹性阶段桩侧摩阻力比小于等于0.5,弹塑性阶段桩侧摩阻力比为0.5~0.7,极限状态阶段桩侧摩阻力比为0.7~1.0;螺杆桩直杆段和螺纹段侧摩阻力演化规律为,在弹性阶段螺纹段侧摩阻力小于直杆段侧摩阻力,在弹塑性阶段螺纹段侧摩阻力接近直杆段侧摩阻力,在极限状态阶段螺纹段侧摩阻力大于直杆段侧摩阻力。