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原文传递路堤下素混凝土桩复合地基变形失稳机理与注浆加固试验研究

论文题名：	路堤下素混凝土桩复合地基变形失稳机理与注浆加固试验研究
关键词：	高速铁路;路堤工程;素混凝土桩复合地基;变形失稳机理;注浆加固试验
摘要：	在京沪高速铁路、武广客运专线和郑西客运专线等各已建成和在建高速铁路路基下软基处理中广泛引入了素混凝土桩和CFG桩等低强度刚性桩复合地基处理技术。然而目前刚性桩复合地基理论研究远远落后于工程实际运用，路堤下刚性桩复合地基上下共同作用工作性状、计算理论等尚未成熟，关于其变形破坏模式和机理的研究还较少，尤其是在铁路、公路等规范中仍无明确的相关条款规定路堤下刚性桩复合地基稳定性计算分析方法，也缺少工程经验支撑。此外，运营期间路堤下刚性桩复合地基加固技术还较为缺乏。鉴于此，本论文以路堤下素混凝土桩复合地基作为研究对象，通过数学解析、模型试验、数值模拟计算、现场试验和长期测试等方法，开展路堤下素混凝土桩复合地基工作性状、变形失稳模式和机理及注浆加固方法等相关研究，具有重要的理论意义和实用价值。　　首先，根据路堤下素混凝土桩复合地基荷载传递机理及其变形规律，把其分为路堤填土上层、综合垫层、复合地基加固区、下卧层上层和下层5部分，将各部分作为相互作用的整体系统，在Alamgir等提出的复合地基变形模式的基础上，考虑桩土相对滑移作用和桩间土沉降非同步性，由整体系统变形协调和应力平衡条件，推导出了路堤下素混凝土桩复合地基整体系统的解析方法，并且采用有限元分析方法，分别从路基面总沉降、桩顶和桩底刺入量、变形模式、桩土摩擦力和桩土应力比5个方面进行了验证，结果表明本文解析方法能较好地反映路堤下素混凝土桩复合地基整体系统的工作性状。　　其次，通过离心模型试验，研究了路堤下素混凝土桩复合地基变形失稳模式，分析了桩跨径比、桩间土压缩模量和上部荷载对路堤下素混凝土桩复合地基沉降变形、桩顶和桩底刺入量、桩体应变、桩土应力比和桩体破坏模式的影响规律;根据路堤下素混凝土桩复合地基不同区域桩体的破坏特征和桩土相对位移状态，提出了将路堤下素混凝土桩复合地基桩体受力分为拉弯区、弯剪区、压弯区和承压区4个不同区域，桩破坏模式有拉弯破坏、弯剪破坏、压弯破坏、桩体刺入破坏、桩体向坡脚侧移和倾斜及桩周土体绕流，说明路堤下素混凝土桩复合地基不同位置的桩具有不同的受力状态和抗滑机理，并且会随上部荷载、桩间土压缩模量和桩跨径比的变化而发生改变。　　基于三维数值模拟计算方法，引入桩体功能破坏逐一退出机制，研究了路堤下素混凝土桩复合地基失稳破坏机理，发现路堤下素混凝土桩复合地基越靠近坡脚的桩，其最大弯矩值和最大剪力值越大，桩体产生弯曲破坏先于剪切破坏，最靠近坡脚的桩体最先产生弯曲破坏，然后往里逐渐发生弯曲破坏，而不是设计中假设桩体同步产生剪切破坏，但是距坡脚一定距离后，桩以承压受力为主，不再产生弯曲破坏，数值计算结果验证了离心模型试验提出的路堤下素混凝土桩复合地基桩体受力分区的合理性。在此基础上，在揭示路堤下复合地基各区域桩体受力特征及其状态的条件下，提出了考虑桩体功能破坏退出机制的强度折减法路堤下素混凝土桩复合地基整体稳定性分析方法。并针对桩跨径比为3.0的基本模型C-1，由该稳定性分析方法计算得路堤下素混凝土桩复合地基基本模型C-1安全系数为0.92，而未考虑桩体状态直接采用强度折减法得出的安全系数为2.14，说明该稳定性分析方法能充分考虑各桩受力状态和抗滑机理，使计算结果更合理和安全。　　然后，设计了一种油水隔离式浆液压力检测装置，研制了一套实验室注浆模拟试验系统，可提供0～1.0MPa之间可控注浆压力，能够模拟各种土体注浆过程。采用该系统进行了饱和软粘土注浆加固试验，提出了浆液饱和软粘土中扩散机制可分为鼓泡压密球形扩散、首次劈裂扩散、被动土压力二次劈裂扩散和后续劈裂扩散4个阶段，分析了注浆压力、水泥浆液配比和模拟注浆深度等参数对浆液在饱和软粘土中扩散机制和性状的影响规律，完善了饱和软粘土注浆启劈压力计算公式。从浆液扩散性状和改善饱和软粘土孔隙率、压缩模量和抗剪强度的综合效果角度考虑，在模型注浆压力设计范围内注浆压力越大越好，水泥浆液水灰比存在最优值，本文试验得出的水泥浆液水灰比最优值为0.7。　　最后，针对某新建客运专线铁路站场路基沉降问题，通过站场路基钻孔补勘，诊断了站场路基产生沉降原因。在此基础上，根据饱和软粘土注浆加固试验得出的浆液扩散规律与注浆压力、水灰比和模拟注浆深度等参数的相关性，以及饱和软粘土注浆启劈压力计算公式，结合离心模型试验和值模拟计算得出的路堤下复合地基变形失稳模式和不同区域桩体受力特征，提出了一套站场路基下既有复合地基下伏岩溶快速加固补强方案及关键参数，采用本文提出的路堤下素混凝土桩复合地基整体系统解析方法和整体稳定性分析方法，计算了加固补强后站场路基沉降量和稳定性，并将其与现场监测结果和规范计算值进行了对比分析，验证了结合多种注浆技术快速加固补强方案的有效性。
作者：	黄俊杰
专业：	道路与铁道工程
导师：	苏谦
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文