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原文传递水泥土复合预制桩承载机理及沉降特性研究

论文题名：	水泥土复合预制桩承载机理及沉降特性研究
关键词：	高速铁路;桩网结构;水泥土复合预制桩;承载机理;沉降特性
摘要：	高速铁路沿线不可避免存在软土、密实砂层以及碎石角砾土等复杂地层环境，而常用水泥土桩虽然地层适用范围广，但桩身强度低不能有效控制沉降，且有效桩长的存在使得水泥土桩下部侧摩阻力得不到发挥；混凝土预制桩在上述地层桩体不易植入、桩周土发生剪切破坏时桩身强度却远远没有得到发挥等问题。水泥土复合预制桩作为一种新桩型，可以充分结合两种桩型的优势，提高承载力并能有效控制沉降。目前尚且缺乏柔性基础下水泥土复合预制桩承载机理以及高速铁路桩网结构下的沉降特性研究，不利于水泥土复合预制桩在高速铁路中的设计应用。本论文通过数值模拟和理论分析，研究了柔性基础下水泥土复合预制桩承载机理、高铁桩网结构下水泥土复合预制桩的适用性和沉降特性以及沉降理论计算方法，主要创新以及学术贡献主要包括以下3个方面。　　（1）揭示了柔性基础下水泥土复合预制桩的承载机理，“双层扩散模式”使混凝土芯桩、水泥土外桩和桩周土充分协同工作，水泥土外桩在承担一部分上部荷载的同时在混凝土芯桩和桩周土间起到媒介作用，在上部负摩阻力区域将桩周土竖向应力快速向混凝土芯桩集中，利用高强度混凝土芯桩有效控制整体沉降，在正摩阻力区域水泥土外桩可以有效承担芯桩传递来的较大剪应力，并且利用水泥土外桩侧表面积较大的优势减小传递到桩周土时的侧摩阻力从而有效降低桩侧土发生塑性破坏的可能性。桩长、含芯率、芯长比、水泥土弹性模量和双界面摩擦系数对地基承载力的影响存在明显的边际效应，桩长对承载力特征值影响最为显著，其次是含芯率和芯长比，最后是水泥土弹性模量。对于该桩主要应用的复杂地层如黏土、砂土和角砾土中建立了结构参数优化组合，黏土中最佳芯长比约为0.8，最佳含芯率约为0.3；砂土中最佳芯长比约为0.9，最佳含芯率约为0.25；角砾土中芯长比约为1.00，最佳含芯率约为0.2。　　（2）将水泥土复合预制桩应用于高速铁路桩网结构下，分析了水泥土复合预制桩的适用性以及沉降控制能力。水泥土复合预制桩沉降相对与同桩径桩长的混凝土预制桩增幅很小，可以满足沉降控制的要求。对于高速铁路沿线复杂地层条件下混凝土预制桩施工条件受限时，使用水泥土复合预制桩在满足沉降控制要求的同时能够降低成本，提高经济效益，在一定程度上也可以减少超孔隙水压力的累积。路堤内在土拱效应以及拉膜效应作用下两种桩型的差异沉降快速消散，所以设置合理的路堤高度是必要的。水泥土复合预制桩的桩径和桩间距以及路堤高度对于沉降的影响较大，对差异沉降影响较小；增大土工格栅弹性模量可以有效减小差异沉降，但对于沉降影响可以忽略。最佳水泥土复合预制桩桩径为1.0m，最佳桩间距为3倍桩径。　　（3）基于典型单元体和侧摩阻力假设，引入桩土位移模式以及路堤-桩-土应力变形耦合模型，建立了考虑路堤等沉面对于应力的调节作用以及双界面负摩阻力的高铁桩网结构下水泥土复合预制桩群桩沉降计算理论模型，采用Matlab编制高铁路堤荷载下路堤以及桩土的竖向应力和沉降变形计算流程。在第三章工程实例的基础上将数值模型与理论模型计算结果进行对比，理论模型和数值模型的竖向沉降与应力变化趋势基本一致，故该理论模型用于高速铁路下水泥土复合预制桩群桩沉降计算是合理的，但在具体数值上仍存在一定差距，路堤顶部总沉降偏大25.2％，混凝土芯桩桩顶沉降偏小23.3％，具体参数设置仍然需要进一步优化。
作者：	王岩峻
专业：	岩土工程
导师：	崔振东;魏少伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2022