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原文传递高速铁路湿陷性黄土地基处理试验研究

论文题名：	高速铁路湿陷性黄土地基处理试验研究
关键词：	湿陷性黄土;非饱和土;孔内深层强夯法;地基处理;高速铁路
摘要：	大厚度自重湿陷性黄土场地，泛指湿陷性黄土层厚度大于15m、自重湿陷性强烈的黄土场区。近些年来，随着我国湿陷性黄土地区基本建设事业的发展，建设用地日趋紧张，许多大型工程建设项目（郑西高速铁路是其中之一）不得不建在大厚度自重湿陷性黄土场地上。郑西高速铁路沿线长区段内连续分布的大厚度自重湿陷性黄土层、地层特征和物理力学性质与既有的认识有一定差距，地基的湿陷性危害极为严重，体现了我国湿陷性黄土分布的复杂性，给高速铁路建设带来很大的困难。现有成熟的湿陷性黄土地基处理方法一般只能消除基底下10～15m地基土的湿陷性，为使处理后的地基技术先进、经济合理，尚应研究行之有效的处理大厚度自重湿陷性黄土地基的新方法。　　处理后的湿陷性黄土地基是一种典型的非饱和土。与饱和土相比，非饱和土工程特性更为复杂，但理论体系尚不十分完善，工程应用也有很大的局限性。尤其是受到试验条件的限制，我国对非饱和土的研究还处于起步阶段。非饱和土研究包括固结理论和强度理论两个重要组成部分，分别对应岩土体的变形和稳定。高速铁路的设计和施工，以沉降变形控制为先导，同时满足系统的强度和稳定性要求。为保证线路的安全性和平顺度，既有规范已经对高速铁路工后沉降做出了严格规定。因此对于处理后的湿陷性黄土地基非饱和土，根据自身特点建立合理的固结理论和适用可靠的计算方法非常重要。　　孔内深层强夯法是在土桩挤密法和强夯技术的基础上演化而来的一种新型深层地基处理方法，在建筑基础、大型油罐基础等领域均有成功应用的先例，但对其理论研究远远落后于工程实践，特别是针对高速铁路大厚度自重湿陷性黄土场地的系统应用研究几近空白。　　本文基于既有的非饱和土理论，以郑西高速铁路为工程背景，综合运用理论分析、数值仿真、现场试验和数理统计等手段，针对上述问题进行以下研究: 　　(1)对孔内深层强夯法的加固机理等进行研究，用圆筒扩张理论分析了孔内深层强夯法桩的挤密效应。确定合理的设计参数，经试桩施工及桩间土检测，证明该技术可以有效地消除大厚度自重湿陷性黄土场地的湿陷性，处理深度可达22m。　　(2)对孔内深层强夯法的承载和变形特性进行研究，分析应用孔内深层强夯法处理高速铁路大厚度湿陷性黄土场地的可行性。试验研究结果表明:大厚度自重湿陷性黄土场地采用孔内深层强夯法加固后地基承载力大幅度提高，满足高速铁路路基地基承载力设计要求;当达到单桩复合地基基本承载力时，地基沉降量平均值、最大值远小于“高速铁路路基工后沉降量不超过15 mm”的要求。　　(3)对国内外具有代表性的非饱和土固结理论进行了深入分析，考虑到空气的扩散性和不易量测的难点，本文提出简化的非饱和土固结方程。　　(4)运用简化的非饱和土固结方程进行非饱和土地基沉降计算分析。结合我国高速铁路路基工程的特点及存在的问题，研究非饱和土物理力学特性，重点对非饱和土的水土特征和变形特性进行研究;运用ABAQUS计算软件对孔内深层强夯法复合地基沉降变形和路基坡脚浸水进行数值分析，得出了与长期沉降和浸润观测相近的规律;概括既有的非饱和土研究成果，提出适用于孔内深层强夯法处理后的高速铁路大厚度自重湿陷性黄土地基沉降计算和分析的新思路，为优化设计参数提供了理论基础和计算方法。　　(5)通过长期路基变形监测和侧方浸水试验研究，分析应用孔内深层强夯法处理大厚度自重湿陷性黄土复合地基的变形特性，验证非饱和土地基沉降计算方法和工后沉降预测方法的正确性，检验地基加固效果。　　长期沉降观测试验结果表明:路堤的沉降主要体现为地基沉降，而地基沉降主要体现为下卧层沉降。恒载预压258天后路堤总沉降量、地基处理深度处的沉降量已趋于稳定，工后沉降为0.2mm，满足高速铁路路基工后沉降不大于15mm的要求。　　三点法能较好的反映沉降变形的发展趋势，曲线回归相关系数较高，预测误差较小，对数据异常变化的敏感性强，能及时发现沉降变形趋势存在问题的断面，建议对于高速铁路路基沉降变形预测而言，作为最优方法予以推荐采用;在此基础上，提出了采用三点法为主、双曲线法对比验证分析、Asoaka法作为辅助方法的高速铁路沉降变形预测建议分析操作程序。　　浸水试验结果表明:湿陷性黄土地基经孔内深层强夯法加固处理后，其加固范围内的黄土湿陷性已消除，受水的浸润影响小，长期浸水后地基的增湿变形将发生在加固深度范围以下。路基外侧未加固区浸水后浸润角为38°～42°，距路基坡脚20m范围内不宜建鱼塘、水池等永久性积水设施;路基坡脚附近降雨或其它原因形成积水的时间不应大于20d。　　(6)对水泥改良黄土加固机理进行研究。研究结果表明:随击实延迟时间的增长水泥改良黄土最大干密度降低而最优含水率增加;建议施工过程中应提高施工效率，尽可能在水泥初凝前碾压完;根据现场碾压延迟时间，确定室内击实延迟时间，用相应的最大干密度去控制压实标准，较为科学合理。此项研究成果已为修订《铁路工程土工试验规程》(TB10102-2004)“化学改良土试验”部分条款提供了试验及理论依据。
作者：	柳教利
专业：	岩土工程
导师：	赵有明;刘艳青
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2012
正文语种：	中文