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原文传递高速铁路CFG桩复合地基试验研究及理论分析

论文题名：	高速铁路CFG桩复合地基试验研究及理论分析
关键词：	高速铁路;水泥粉煤灰碎石桩;复合地基;路堤荷载;力学性状
摘要：	高速铁路是当代科学技术的集中体现，是铁路现代化的重要标志，以其快速、可靠、舒适等特点，赢得了良好的经济和社会效益。但在软基上修建高速铁路需要解决工后沉降控制和提高施工速度两大技术难题。CFG（Cement Fly-ash Gravel，水泥粉煤灰碎石）桩复合地基为解决高速铁路工后沉降控制和提高施工速度这两大技术难题提供了新的途径。　　 CFG桩复合地基自诞生后在高层建筑、工业厂房等工民建领域得到广泛应用，取得良好的社会经济效益。CFG桩复合地基由于其施工方便、质量容易控制、环境友好、缩短工期、加固深度大、有效减少地基工后沉降和不均匀沉降、大幅度提高地基承载力及稳定性等技术优越性而在高速铁路、高速公路软基处理中得到重视，并有初步的应用。CFG桩复合地基处理技术在铁路路堤荷载作用下的作用机理、计算设计方法等方面研究尚未成熟，因此有必要结合铁路工程特点开展CFG桩的相关试验工作。本文在综合前人已有成果的基础上，依托京沪高速铁路试验段项目，采用现场试验、数值模拟和理论分析等手段对CFG桩复合地基在路堤荷载作用下的力学性状进行了研究和探讨。本文主要内容如下：　　（1）依托京沪高速铁路凤阳试验段项目，开展了路堤荷载作用下CFG桩复合地基处理技术的现场试验研究，分4段进行现场对比试验，其中3段为带帽CFG桩-网复合地基，1段为CFG桩-筏复合地基，并采用了先进的实时自动采集和无线远程传输监测技术。通过全面系统地分析和总结现场试验段的试验结果，揭示了路基的沉降特性、深层水平位移特性、路堤荷载传递规律、复合地基的承载机理、筏板受力特点等，对比研究两种不同处理方案的沉降变形特性和荷载传递特性，得到了许多有应用价值的结论。研究成果有助于高速铁路CFG桩复合地基沉降控制、承载特性和应力传递机理的深入研究，并为适用于京沪高速铁路及其它相关工程的CFG桩复合地基的设计方法提供可靠的数据支持。　　（2）采用三维快速拉格朗日分析程序（FLAC3D程序）依据京沪高速铁路凤阳试验段的工程地质和设计施工情况建立了路堤荷载下带帽CFG桩-网复合地基和CFG桩-筏复合地基分析模型，并进行了数值计算，计算结果与实测数据进行了对比，验证了数值模型的正确性，探讨了CFG桩复合地基各设计参数（如桩长、桩间距、桩径、桩帽尺寸、垫层厚度、垫层模量、筏板厚度等）对地基沉降变形的影响；分别绘制筏板上、下表面应力（σx、σy和σz）分布三维透视图，研究筏板的上、下表面应力分布规律，结果表明筏板设计的关键控制因素为筏板下表面的σx（X为筏板宽度方向）的数值，并建议凤阳试验段中桩-筏复合地基的筏板厚度可由原来的0.5m优化为0.3m；建立了路堤荷载作用下长短桩复合地基模型，研究表明：长短桩复合地基也可达到控制沉降的目的，且具有较好的经济效益。　　（3）在带帽桩-网复合地基中，桩帽起到了重要的作用。通过对预制桩帽和现浇桩帽两种不同桩帽类型的施工控制研究，预制桩帽质量容易保障，可缩短桩帽施工工期，但与桩头的连接质量不易控制；现浇桩帽与桩头的连接质量有保证，养护难度较大。对新型预制混凝土圆板桩帽进行了现场载荷试验研究，表明桩帽的承载性能由受弯承载力控制，其受弯主裂缝在桩帽顶面大致沿直径方向发展，在桩帽侧面呈上宽下窄，并向下延伸。通过研究，建立了圆板桩帽和倒圆台桩帽的设计计算方法。　　（4）阐述垫层对复合地基的作用，分析刚性基础复合地基和柔性基础复合地基垫层作用的异同；总结了几种主要的土拱效应模型，包括二维和三维模型；依据现场试验成果，对英国BS8006规程（Strengthened/Reinforced Soils and Other Fills）的土拱模型进行了改进，建立了三维等沉面土拱效应计算方法，将几种方法的计算结果与现场试验测试结果进行了对比分析，验证了三维等沉面土拱效应计算方法的合理性，还结合其它现场试验工点的实例验证了三维等沉面土拱效应计算方法的适用性。　　（5）综合应用现场试验及监测、数值模拟和理论分析等成果，提出考虑桩身负摩阻力和桩顶及桩间土竖向应力分布的Mindlin-Boussinesq联合法求解复合地基桩间土附加应力的计算方法，揭示了路堤荷载作用下CFG桩复合地基桩间土附加应力沿深度的分布规律，计算结果与数值模拟相吻合，结果合理；阐述CFG桩复合地基加固区压缩量及下卧层压缩量的主要计算方法，并以试验段的设计参数为基础计算沉降变形，提出适用于高速铁路软土路基的沉降计算方法；探讨CFG桩复合地基的设计思路、设计步骤、参数初步设计的一般方法。
作者：	曾俊铖
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	张继文
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文