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CFG桩复合地基因其可大幅度地提高天然土层的承载力,降低建筑物的基础沉降,并且具有良好的经济性和适用性,已经成为比较普遍的地基处理方法之一。然而将CFG桩复合地基应用于铁路路基,特别是应用到客运专线路基,还比较少。
CFG桩复合地基是一种刚性桩复合地基,它由CFG桩、桩间土、褥垫层和基础共同组成,基础根据刚度不同分为刚性基础和柔性基础。目前对刚性基础下复合地基性状所作的分析比较多,在理论和方法上相对比较成熟。客运专线路堤是柔性基础,柔性基础下复合地基的特性在理论和方法上都缺乏研究,因此,急需对CFG桩复合地基的承载性状和沉降(尤其是工后沉降)特性作深入研究,以便为客运专线高速铁路地基处理的设计和施工提供理论上的参考和指导。
本文借助于武广客运专线高速铁路CFG桩复合地基处理项目,针对目前存在的问题,对CFG桩复合地基的承载和沉降特性、褥垫层的作用机理和影响以及工后沉降的控制设计作了一定的研究。具体的研究内容如下:
首先,本文对CFG桩复合地基的承载力计算作了研究探讨。对于CFG桩复合地基而言,经过理论的分析和现场试验的验证表明,采用《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)给出的CFG桩复合地基承载力计算公式计算得到的复合地基承载力特征值要比荷载试验确定的复合地基实际承载力特征值小,说明用规范推荐的公式来计算复合地基承载力是比较保守的,是偏于安全的。
接着,本文对CFG桩复合地基的变形计算作了分析研究,指出CFG桩复合地基的变形是桩和桩间土在上部荷载作用下的动态协调至平衡的过程。CFG桩复合地基的变形由三部分组成:加固区的变形量、下卧层的变形量和褥垫层的变形量。其中,褥垫层的变形量通常被忽略。本文提出,褥垫层的沉降量是个应该被关注和重视的问题,是需要经过对实际的分析确定是否能被忽略的:当褥垫层厚度不大,且褥垫层材料的级配很好,变形模量高,密实度大,则褥垫层的变形量很小,此时可以忽略;反之则不能忽略,可以通过数值模拟的方法来近似计算出褥垫层的沉降量。常用的复合地基加固区变形量的计算方法有三种,文章分别对这三种方法作了详细分析和讨论,并对三种方法进行了详尽的比较,列出了各自的优缺点和适用性。其中,桩身压缩量法不适用于高粘结强度桩复合地基的沉降计算,实际中复合模量法用的比较广泛。复合地基下卧层沉降量计算一般采用分层总和法。CFG桩复合地基的沉降计算采用复合模量法是比较符合实际的。
本文第三章运用了有限元数值计算的方法模拟研究了褥垫层的作用性状及其对CFG桩复合地基影响。通过模型的分析和计算得出以下结论:(1)褥垫层厚度和变形模量的不同均会影响复合地基的承载性能和沉降变形;(2)随着褥垫层厚度的增加,桩土应力比减小,当褥垫层厚度超过300mm后,褥垫层的厚度对桩土应力比的影响急剧减小;当褥垫层厚度超过500mm后,褥垫层厚度的影响继续减小;(3)随着褥垫层模量的增加,桩土应力比增加,在褥垫层厚度较大的情况下(h=400mm),褥垫层模量对桩土应力比的影响不大;当褥垫层模量超过70MPa后,褥垫层模量的影响继续减小,桩土应力比的增长很小。根据有限元数值分析的结果,结合工程实践,考虑到技术上可靠,经济上合理,褥垫层厚度宜取150-300mm,当桩径大或桩距大时褥垫层厚度宜取高值;褥垫层材料变形模量在30-60MPa之间为优,宜用中砂、粗砂、级配砂石或碎石等,最大粒径不宜大于30mm。
本文第四章利用武广客运专线CFG桩复合地基的试桩试验结果验证了承载力和沉降的计算公式,其对比结果表明:利用规范提供的复合地基承载力和沉降计算公式计算的结果与现场试验的数据相比是偏于保守的,即偏安全的。因此,可以采用规范提供的公式来估算复合地基的承载力和沉降量。
本文第五章对复合地基的工后沉降作了研究,并介绍了控制CFG桩复合地基工后沉降的设计计算方法。CFG桩复合地基的工后沉降由CFG桩加固区未完成的主固结压缩量、下卧层未完成的主固结沉降量和整个土层的次固结压缩沉降量三部分组成,各部分的沉降均可由相应的公式求解得出,在设计计算中,我们可以用求解得到的工后沉降量与实际工程所允许的工后沉降量进行对比,若满足要求则设计合理可行。若不满足,则需分别调整CFG桩和褥垫层的各参数,然后重新计算,直至满足设计要求。
文章最后对所做的研究作了总结,提出了相应的研究结论,同时还对进一步的研究提出了建议。
总之,本文在总结前人研究成果的基础上,对CFG桩复合地基的承载性状、褥垫层及桩土应力比、复合地基沉降和工后沉降等作了进一步的探索和研究,总结出了客运专线高速铁路CFG桩复合地基的承载力和沉降的计算公式,同时还提出了工后沉降的控制设计方法。期望能为CFG桩复合地基在高速铁路软基处理的广泛应用提供一定的理论和实践参考。