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原文传递高速铁路深厚全风化花岗岩地基沉降特性及加固技术研究

论文题名：	高速铁路深厚全风化花岗岩地基沉降特性及加固技术研究
关键词：	高速铁路;花岗岩地基;沉降特性;加固技术
摘要：	我国东南部花岗岩分布十分广泛，随着交通基本建设的迅速发展，高速铁路、高速公路穿越花岗岩分布地区是必然的。高速铁路的建设是个系统工程，路基应具有足够的强度与刚度，且强度与刚度变化均匀，路基也应具有长久稳定性，这是保证铁路轨道平顺，列车安全运行的关键。控制变形是高速铁路路基设计的关键。但是，对于全风化花岗岩这种在我国较为广泛分布的特殊土，其工程性质，还未展开广泛研究，其路用性质，如路基设计及地基沉降控制、地基加固措施方面存在着一些必须重视、亟待解决的问题。尤其是在全风化花岗岩地基土上，修筑对工后沉降有严格要求的高速铁路。因此，有必要对全风化花岗岩的路用性能进行系统的研究，为工程设计提供依据。　　论文依托科研项目“客运专线中等压缩性土地基沉降特性及处理技术研究”，在掌握海南全风化花岗岩的特殊土性的基础上，从桩网复合地基土拱效应、路堤基底应力分布、地基侧向变形等方面，通过室内土工试验、现场测试、离心模型试验、理论分析、数值分析等方法，对海南深厚全风化花岗岩地基的沉降及加固机理、高速铁路全风化花岗岩地基的沉降变形特性进行研究。提出与工程实际相适应的全风化花岗岩地基沉降变形理论计算方法。　　本文的研究工作主要包括以下几个方面的内容: 　　(1)通过理论分析、离心模型试验、数值仿真分析了海南东环客运专线路堤基底压力的分布规律，并进行了基底压力的现场测试，对比研究分析后认为:基底压力值大小不等于其上填土的重度和填土高度的乘积γh，也不等于按均布荷载法计算的值;路堤基底压力分布不是均匀的，呈现中间大、两边小的曲线分布，路堤基底压力随填筑高度增加而增加。在研究路堤形状、尺寸与路堤基底中心压力之间的相关关系中，发现无量纲化数据σ/γh和b/h之间存在很高的相关度，进一步分析得出基底中心压力的计算方法，即修正的比例荷载法。根据《高速铁路设计规范（试行）》(TB10621-2009)中规定的高速铁路路基面宽和坡度，给出了基底中心压力修正系数ψ=1-0.3e-4.3/h和修正后的压力分布形式。　　(2)在对海南东环客运专线桩网结构分析中，以土工格栅加筋垫层条带上的荷载形式为反三角形分布，推导出土工格栅的变形和受力计算公式。土工格栅条带划分为相邻两桩间的菱形状，考虑整个桩间土产生的竖向反力，推导出桩间土的向上反力的计算式。将土工格栅加筋垫层、桩、桩间土视为三个不同的受力体，在考虑桩体的上刺入、下刺入的情况下，对垫层-桩-桩间土共同作用加以分析，推导出桩土应力比的计算方法。经计算对比分析，推导的计算方法和实测值相比，还是有较大的偏差。但和其他方法计算值相比，最接近实测值和有限元法计算值的算法。　　(3)基于Gray地基附加应力解，推导出路堤荷载下地基土的侧向应变计算公式。基于Boussinesq集中力下半无限体位移解，推导出路堤荷载下地基土的侧向变形计算公式。对于海南东环线的中等压缩性全风化花岗岩地基土，实测、理论计算、数值分析表明其侧向变形曲线的特性一致。可以采用Lorentz曲线方程对中等压缩性全风化花岗岩地基土的侧向变形进行预测分析。对海南东环客运专线试验工点的侧向位移进行了现场观测和理论计算。从观测结果看，海南地基侧向变形随深度的关系曲线呈现“弓”形的特点，存在最大侧向变形点，侧向变形先随深度增加到最大值，再随着深度增加而减小，在地基土表面侧向变形不为零。对海南全风化花岗岩地基，当铁路路堤高度在3.2m～7.7m之间时，最大侧向变形Dm观测值在7mm～11mm之间，地表侧向变形D0观测值在4mm～6mm之间。　　(4)海南东环客运专线深厚全风化花岗岩未加固地基的沉降计算时，压缩模量采用由标贯击数换算得来压缩模量，路堤作用下的基底压力分布按修正后的基底压力，附加应力在地基中的扩散采用Boussinesq弹性解，并考虑侧向位移对沉降影响的算法，精度较高。海南东环客运专线深厚全风化花岗岩加固地基的沉降沉降计算时，对比分析认为:采用复合模量法计算的沉降，比实测值小很多，偏于不安全。采用L/3法计算加固地基的沉降量，在考虑侧向变形产生的沉降时，沉降量与实测值非常接近。L/3法计是计算海南全风化花岗岩地基沉降的较好的方法。　　(5)综合分析试验工点长期观测、土工离心模型试验、数值分析等表明，海南东环客运专线深厚饱和全风化花岗岩地基土的沉降规律为:在填筑期间，沉降速率较大，在放置期沉降发展缓慢，填筑期末完成的沉降值占放置期末的85％左右，放置3个月后路基沉降逐渐趋于稳定，工后沉降均能满足要求。对沉降的现场观测数据分析可以看出，6个工点填筑期沉降占铺轨前沉降的百分比在74.6％～94.4％之间，平均值85.6％;填筑期沉降占总沉降的百分比在67.1％～85.4％之间，平均值78.0％;铺轨前沉降占总沉降的百分比在87.5％～93.6％之间，平均值91.1％;工后沉降在7～13mm之间，均满足满足工后沉降量的要求。　　(6)结合海南深厚全风化花岗岩地基土的沉降规律，提出了在海南修建高速铁路时的处理原则及措施。在海南深厚全风化花岗岩地基上修建有砟轨道客运专线，在分层填筑后，放置3个月后路基沉降逐渐趋于稳定。对沉降满足要求的路段可不进行地基处理，但表层存在的松软土采取挖除换填、水泥土搅拌桩、CFG桩等加固;对沉降计算需要进行地基处理路段，可采用水泥土搅拌桩、CFG桩等加固。海南深厚全风化花岗岩中等压缩性土地基不进行处理，在分层填筑后放置不少于6个月后进行铺轨，能满足高速铁路无砟轨道对工后沉降要求。在海南深厚饱和全风化花岗岩建造无砟轨道高速铁路时，建议对地表以下6至8m的地基土采用水泥土搅拌桩、水泥粉煤灰碎石桩、超载预压等力式进行地基加固;过渡段则加大地基处理深度，且宜联合堆载预压措施。
作者：	肖红兵
专业：	道路与铁道工程
导师：	蒋关鲁
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文