预应力管桩加固铁路多线路基的研究与实践

研究目的:京石客专石家庄枢纽DK 285+400~DK 287+100段多线路基,正线及道岔区采用无砟轨道,工后沉降要求高,受货迁工程滞后影响,导致原设计地基处理方案无堆载预压时间。为保证本段路基施工不影响整个京石客专全线按时开通运营,根据工期要求,研究不进行堆载预压的地基加固方案,并进行实践、验证。研究结论:(1)经对CFG桩桩筏、钻孔灌注桩桩板和预应力管桩桩筏方案的比较,采用管桩桩筏方案加固多线路基有明显的技术、经济和工期等综合优势;(2)采用管桩桩筏方案加固路基,复合地基沉降计算中可忽略垫层压缩量、桩体压缩量和桩上下刺入量,只计桩端以下下卧层的压缩量,计算精度满足工程实际要求;(3)采用静压法施工预应力管桩时,如遇地层中存在较厚密实的砂层,可采用高压水冲配合静压施工的方法穿越,以达到设计桩长深度;(4)通过路基沉降观测和评估,在不进行堆载预压的情况下,采用预应力管桩桩筏方案加固的路基满足无砟轨道沉降要求;(5)该研究成果可为客运专线铁路枢纽内多线路基的地基加固提供参考和借鉴。     

水泥掺量对搅拌桩复合地基沉降的影响分析

在兰州至中川机场城际铁路建设中采用水泥掺量为12%,16%,20%的水泥土搅拌桩进行地基处理并观测其沉降,运用双曲线法、三点法、Asaoka法预测复合地基的沉降,研究水泥土搅拌桩复合地基的沉降发展规律及沉降控制效果。结果表明:相同路堤荷载下水泥掺量越高,复合地基沉降越小,沉降控制效果越好,复合地基的最终沉降也越小;从满足本线运营的技术经济角度考虑,推荐采用水泥掺量12%的水泥土搅拌桩处理饱和黄土地基;从满足铁路适当提速对路基沉降的要求考虑,水泥掺量为12%,16%,20%的水泥土搅拌桩复合地基可分别在速度160,200 km/h的Ⅰ级铁路及250 km/h有砟轨道铁路的路基工程中应用。     

桩筏复合地基负摩阻段分析及桩土应力比计算

通过对桩筏复合地基桩顶负摩阻段桩-土相互作用分析,得到桩顶负摩阻段桩间土中附加应力计算方法。在此基础上,利用弹簧组模型对桩筏复合地基桩-土-垫层相互作用进行分析,得出桩顶处桩和桩间土竖向有效应力及桩顶刺入变形计算方法。分析垫层对应力调节、沉降控制的影响。结果表明:在桩与桩间土间摩擦力作用下,桩间土竖向有效应力随深度增加衰减,并在某一深度衰减到较小水平,可不考虑该位置以下桩土相互作用对桩顶处桩土应力比的影响。垫层模量对桩顶处桩、土应力调节起重要作用,并对桩顶上刺量影响显著。垫层模量越小刺入量越大,且随模量减小刺入量增长速度加快。     

高速铁路站场宽路堤复合地基沉降特性分析

对京沪高速铁路济南西客站PHC管桩和CFG桩联合堆载预压处理宽站场复合地基的沉降特性开展试验研究,监测不同宽度、不同桩型和桩长复合地基的地表沉降及分层沉降,分析沉降变形随路堤填筑高度和时间的变化规律,研究路基宽度对沉降量和沉降曲线形状的影响。研究结果表明:站场路基沉降-时间曲线包含沉降发展阶段(路基填筑阶段)、沉降快速发展阶段(堆载预压土至2~3个月静置期)和沉降基本稳定阶段;宽大站场PHC管桩及CFG桩复合地基在中心区附近呈现沉降洼地,而在中央区沉降洼地的两侧出现次一级沉降洼地;宽大站场PHC管桩及CFG桩复合地基附加应力较大,衰减速度慢,沉降影响深度大,30~50m以下的地基沉降量约占总沉降的75%~85%,加固区范围内沉降量占总沉降的5%~10%。     

昌赣客运专线CFG桩复合地基沉降控制

以昌赣(南昌—赣州)客运专线试验段CFG桩复合地基为例,建立了三维动力响应分析模型,分析列车运行速度、桩长等多个影响复合地基沉降的因素,得出各因素对其沉降的影响程度和规律,确定控制沉降的关键因素.研究结果表明:在列车移动荷载作用下,路基沉降主要集中在路基表层,且路基各结构层沉降沿深度方向和线路横向有明显的衰减;增大桩身长度、垫层厚度或桩身弹性模量,均可减小复合地基各结构层的沉降.     

浆喷桩地基控制高速铁路工后沉降的研究

研究目的:高速铁路软土地基处理对路基的工后沉降具有重要的意义.深层搅拌桩(浆喷桩)是软土地基处理的一种方式,其能否满足相关技术要求,关系到浆喷桩技术在高速铁路软基处理中的应用前景.通过采用浆喷桩复合地基处理工后沉降要求严格的高速铁路软土地基的现场试验,对浆喷桩复合地基处理软土地基的加固效果进行系统的研究.研究结论:试验表明,浆喷桩复合地基处理类似本试验段条件的高速铁路软土地基可以在较短工期内满足5 cm工后沉降的要求.设置了土工格栅碎石垫层后,浆喷桩桩体并无明显的向柔性基础刺入的现象发生,土工格栅碎石垫层的设置达到了均化基底应力及调整差异沉降的目的.实测的沉降分析表明,与天然地基相比,浆喷桩复合地基的固结速率得到了较为明显的提高.     

长短桩复合地基应力与沉降分析

利用三维有限元对长短桩复合地基进行对比分析,给出全长桩、全短桩、长短桩、无垫层、天然地基5种方案下的桩身应力与土体附加应力分布,并探讨垫层模量和厚度对承台沉降的影响和对应力的调节作用。研究结果表明:复合地基能有效减少天然地基沉降和改善浅层土的应力状态,复合地基中桩身应力与土体附加应力按刚度分配,桩侧土应力与桩身应力表现出互补的特性。而垫层使桩与桩、桩与土之间应力分配趋于合理,垫层模量对承台沉降影响显著;随着垫层模量增加,长桩桩顶应力增加,短桩桩顶应力和桩身应力及土体表面应力降低;随着垫层厚度的增加,变化趋势则相反。     

高速铁路非饱和土地基处理技术

通过分析室内固结试验成果,对非饱和土的水土特性及固结压缩特性进行研究,进而结合现场沉降测试结果对各类加固工法下非饱和土地基的沉降规律展开讨论。研究表明,虽然地基土的最终沉降量只与土体的压缩模量有关,但是非饱和土体的瞬时沉降受饱和度影响显著。从固结稳定时间上看,非饱和土的固结时间与饱和度有密切关系,低饱和度下,固结时间随着饱和度的增加而延长,当饱和度超过82.8%时,固结时间随着饱和度的增加而减小并最终趋近于饱和土的固结时间。采用双曲线模型预测地基土的最终沉降量,对不同工法加固非饱和土地基的加固效果进行评价,可以看出,强夯、换填和短水泥搅拌桩加固非饱和土地基完全满足高速铁路路基沉降控制要求。     

京津城际路基沉降数值模拟与原位观测对比分析

研究目的:京津城际轨道交通工程天津段内广泛分布软土,其成因类型主要为冲积、海积,局部为湖沼堆积;岩性为各类黏性土、粉土、砂类土等,夹淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土.上述土体含水量、孔隙比较大,所以在路堤荷载及列车荷载作用下的沉降变形较大.为满足无砟轨道对路基工后沉降的要求,路基基底采用CFG桩复合地基进行加固.由于复合地基受力状态复杂,对其进行工后沉降预测较为困难,本文采用数值模拟和原位数据对比分析的方法对路基的工后沉降进行预测.研究结论:(1) 采用数值模拟及原位测试数据对比分析复合地基的沉降变形规律,得出桩间土的压缩主要发生在桩长下部的1/4～1/6桩长范围内,桩端的刺入量占总沉降值的20%～30%;(2) 由实测的沉降-深度分布曲线可以得到,桩端以下土体压缩层厚度为桩平面分布宽度的1倍左右;(3) 有限元计算所得的最大沉降量和工后沉降量,与观测值相比较为接近,采用有限元计算结果推断的工后沉降差异,小于根据实测值采用经验公式得到的推断值,因此在沉降计算中应推广有限元方法.     

湿陷性黄土铁路路基原位浸水试验研究

在湿陷性黄土铁路路基试验段,运用大型原位浸水试验,研究路基浸水后柱锤冲扩桩和挤密桩地基的浸水规律以及地基土湿陷对路基沉降的影响.研究结果表明:柱锤冲扩桩和挤密桩地基分别在浸水60和50d时,浸水附加沉降发生突变;浸水约19 d浸润角达到最大,因此路基坡脚附近因降雨或其他原因形成的积水滞留时间不应超过19 d;浸水87 d柱锤冲扩桩路堤的沉降量为1.7～5.1 mm,挤密桩为26.2～51.3 mm;长时间持续浸水后柱锤冲扩桩路堤的总沉降量仅为3.8～7.4 mm,而挤密桩路堤的总沉降量则高达62.3～103.1mm,因此在实际工程中,一定要加强挤密桩路段的防排水措施,避免局部积水,以保证行车安全;未处理湿陷性黄土地基的浸润角为38°～42°,故建议在湿陷性黄土地区修建铁路时,距路基坡脚一定范围内不能有鱼塘、水池等长期积水设施.     

哈大高速铁路新营口车站组合桩复合地基的应用研究

研究目的:哈大高速铁路新营口车站路堤位于厚度超过55 m的滨海相沉积地基上,没有较硬土层可作为CFG桩持力层,地基承载特性和变形特性对高速铁路路基工程极为不利.为了确保路基沉降能够满足规范要求,哈大高速铁路首次采用CFC桩(长桩)+水泥搅拌桩(短桩)+垫层+钢筋混凝土板的新型复合结构进行地基处理,并对该复合结构的受力和沉降变形进行的实测和分析.研究结论:在该新型复合结构中,CFG桩承担了路基填土的主要荷载,MIP桩承担了部分路基填土荷载,桩间土承担了小部分路基填土荷载,三者共司受力,满足了路基结构受力,符合复合地基的设计理念;该新型复合结构控制了地基的总沉降量和不均匀性沉降,同时使地基的沉降能够尽快完成,保证了工后沉降满足规范要求,确保高速铁路运营期间的稳定.研究结论对于优化全线软土地基设计和指导施工具有重要意义,也为今后我国同类型的高速铁路设计与施工提供有益的参考和借鉴.     

基于离心模型试验的高强度桩复合地基桩间距效应分析

针对客运专线在软土和松软土地基处理中大规模采用高强度桩复合地基技术的应用情况,进行路堤荷载作用下不同桩间距的离心模型试验,分析桩间距的变化对高强度桩复合地基的荷载传递、破坏特点、桩土应力及垫层拉筋受力、地基沉降变形等工程特性的影响.试验数据表明:桩间距由3倍增至6倍桩径,高强度桩复合地基的沉降变形、桩土应力及比值、垫层拉筋受力等力学响应增大明显;随着桩间距的加大,高强度桩复合地基的桩顶和桩间土承受的应力均大幅提高,桩间距大于或等于5倍桩径后,桩顶垫层和桩间土先后达到极限状态,将产生显著的桩顶刺入变形和桩间土横向挤出变形,复合地基整体结构处于不稳定状态;垫层拉筋的受力沿横截面呈M形分布,峰值出现在两侧路肩附近位置的下方,与地基发生变形破坏的位置有较好的一致性.     

胶济客专非饱和土地基沉降特性试验研究

研究目的:由于非饱和土的复杂性,目前非饱和土理论还不完善,尚未形成成熟的非饱和土固结理论和沉降计算方法。地基沉降已成为高速铁路客运专线路基的主要控制因素之一,在掌握非饱和土物理力学特性基础上,揭示非饱和土地基沉降特性,对于在其上修建高速铁路客运专线根据工期情况选择更加合理、经济的地基处理措施具有重要意义。研究结论:胶济客专非饱和粉质黏土、粉土饱和度一般在46%～80%;路堤在填筑期可完成总沉降的75%以上,经过3～5个月的放置,可完成总沉降的90%左右;非饱和土应力-应变、应变-时间关系均符合双曲线模型,沉降预测推荐双曲线法;非饱和土地基上一般地段修建有砟轨道客运专线地基不处理,修建无砟轨道客运专线只对地基浅层5～8 m采用复合地基处理,对于高填方及过渡段加大复合地基处理深度。     

高速铁路柔性路基下CFG桩弯曲破坏研究

水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)复合地基因其成本低、桩体刚度大、沉降小,广泛应用在对工后沉降要求较高的高速铁路路基加固工程中,但是关于柔性路基下复合地基稳定性和破坏模式的研究尚不成熟。结合工程实例,采用理论分析和数值模拟的方法,研究了铁路柔性路基下CFG桩地基稳定性和破坏模式。研究表明:与复合地基剪切破坏准则和BS 8006-1:2000规范获得的稳定系数相比,基于弯曲破坏强度理论计算得出的CFG桩复合地基稳定系数最小;基于CFG桩弯曲破坏模式得出的最危险圆弧滑动面与不加CFG桩时不重叠;对于柔性路基下CFG桩加固的复合地基,当下伏地层土质较差时,可在路基外设置1～2排桩;CFG桩顶加筋垫层可以提高桩体承受侧向荷载的能力,从而提高桩网结构复合地基的稳定系数,降低弯曲破坏发生的概率。     

基于荷载传递理论的刚性桩复合地基沉降计算

研究目的:软土地区高速铁路路基地基处理一般采用刚性桩复合地基结构,但目前考虑桩土协同工作的刚性桩复合地基沉降计算方法仍存在不足。本文通过荷载传递理论描述桩与桩间土之间荷载转移规律,由最小二乘法拟合桩间土表面荷载引起的加固区附加应力抛物分布方程,尝试建立刚性桩加固区沉降计算模型,为刚性桩复合地基沉降变形验算及桩体平面设计提供理论依据。研究结论:(1)刚性桩加固区桩与桩间土之间存在荷载相互转移现象,桩侧同时分布正负摩阻力;(2)桩间土表面荷载引起的加固区附加应力为非线性分布,可采用五点最小二乘法拟合其抛物分布方程;(3)沉降模型关于京沪高铁试验段刚性桩复合地基沉降计算结果与实测值接近,计算偏差约15%;(4)Randolph理论关于桩侧和桩端刚度系数取值方法使桩土沉降差计算结果偏大,刚度系数取值的合理性需进一步研究总结。     

CFG桩桩板复合地基处理高速铁路地基的现场试验研究

通过对地基的分层沉降、超孔压、侧向变形及土压力现场测试,研究了CFG桩在桩顶和筏板之间设置15 cm厚碎石褥垫层进行高速铁路路基深厚松软土地基工后沉降控制的地基受力、变形规律。测试结果表明桩间土的压缩发生在桩长下部的一定范围之内;摩擦桩桩端会产生进入下卧层的刺入沉降;没有连通有效排水通道的深层透镜体砂层中的超孔压消散规律与邻近的黏土层是一致的,不能作为透水层;桩向下刺入下卧层,桩端附近的土体中产生较高的超孔压,在深层没有排水面时,此超孔压会向浅层的地层消散,从而会引起浅层地基土的超孔压也经历一个先增长后消散的变化过程。地基的侧向变形微乎其微及桩土应力比都表明这样的结构很类似桩基础。     

不同垫层结构形式复合地基的数值分析

复合地基的受力变形特性与垫层结构形式密切相关.采用ABAQUS软件,针对加筋碎石、水泥土垫层和混凝土板3种垫层结构形式和4种桩间距进行弹塑性数值分析.分析表明,混凝土板的桩顶附加应力较大,加筋碎石的沉降较大;3种垫层桩底平面沉降占总沉降的主要部分,沉降基本一致.桩间距s>2.0 m,碎石垫层的应力增长率显著减小,沉降显著增大;s>2.3 m,水泥土垫层和混凝土板应力增长率显著减小,沉降显著增大.计算结果可供设计复合地基垫层结构形式时研究参考.     

深厚压缩层地基条件下桩筏基础路基沉降特性研究

研究目的:研究深厚压缩层地基条件下桩筏基础路基沉降特性,提出沉降计算及参数选取方法,供高速铁路路基沉降控制设计参考.研究结论:单桩承载及沉降变形特性与群桩具有明显区别,通过测试得到的加固区沉降实际上是由于桩对下卧层的刺入引起的,在桩筏结构沉降分析中应优先选用Geddes法.     

高速铁路采空区桩板结构路基沉降数值模拟

桩板结构在国内多条高速铁路软土黄土路基中已得到广泛应用,但该结构用于处理路基采空区的研究成果不多。以合肥至福州高速铁路采空巷道上方车站桩板路基为研究对象,数值模拟分析路基的变形规律,为桩板结构处理高速铁路采空区地基设计施工提供有价值的参考。研究表明:路基沉降主要集中于地基浅层;桩身长的桩的沉降量要小于桩身短的沉降量;穿过采空巷道的桩和没有穿过采空巷道的桩两者沉降量相差不大;结构能够有效限制采空巷道顶板变形;采用桩+承台板结构作为采空巷道地基的工程处理方法是有效的。     

3种常用地基处理方法在黄土区高铁地基中的适用性研究

对分别采用柱锤冲扩桩、挤密桩和强夯处理的湿陷性黄土区高铁路基试验段地基开展堆载预压沉降变形观测及持续浸水试验,研究这3种地基处理方法在高速铁路建设中的适用性。结果表明:3种方法处理后的地基总沉降均主要来源于地基处理深度以下;柱锤冲扩桩和挤密桩处理的地基分别在堆载预压3个月和6个月时的剩余沉降量便可满足高铁对路基的沉降控制要求,而强夯处理的地基至堆载预压258d时的剩余沉降量仍然未能满足要求;3种地基处理方法均能较好控制持续浸水条件下地基处理深度范围内的沉降变形。可见,柱锤冲扩桩和挤密桩2种地基处理方法对沉降的控制效果好,适用于黄土区高铁的地基处理,并建议柱锤冲扩桩和挤密桩2种地基处理方法分别在下陷深度不超过20和15m的湿陷性黄土场地使用;强夯结合CFG桩的地基处理方法在湿陷黄土下限深度小于6m的场地使用。