1、第 4 5 卷 第 1 期2 0 2 3 年 1 月铁道学报JOUNAL OF THE CHINA AILWAY SOCIETYVol 45No 1January2 0 2 3文章编号:1001-8360(2023)01-0084-07基于软土加固区跟随下卧层变形的高速铁路刚性桩复合地基计算方法赵国堂1，刘俊飞2，赵磊3，赵如锋4(1 中国国家铁路集团有限公司，北京 100844;2 中国国家铁路集团有限公司 科技和信息化部，北京 100844;3 中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081;4 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)摘要:根据刚性桩复合地
2、基主要受力区与潜在工后变形土体在深度上的相对位置关系，提出刚性桩跨越中浅部潜在工后变形土体，使加固区跟随深部土体变形，是刚性桩复合地基控制工后变形的两个关键。刚性桩跨越中浅部潜在变形土体后，工后沉降变形将主要来源于下卧层。此时，加固区跟随下卧层变形成为深部变形向上传递的主要特征。建立桩间土单元模型，分析桩顶结构及桩间距、桩径等参数对刚性桩跨越中浅部工后变形土体的调节机制，指出桩底选择良好的承载地层，并且穿过潜在工后变形土体足够的长度是跨越中浅部潜在变形土体的重要保证;建立深部变形向上传递时，加固区桩、土相互作用及其变形效应的简化分析模型，阐述加固区跟随下卧层变形的力学机制与计算方法。关键词:高
3、速铁路;路基;工后沉降;不均匀沉降;刚性桩复合地基中图分类号:U238;U213.2文献标志码:Adoi:10.3969/j issn 1001-8360.2023.01.010收稿日期:2022-11-01;修回日期:2022-11-23基金项目:国家自然科学基金(51908552);中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划(P2021G053);中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2020YJ048)作者简介:赵国堂(1964)，男，安徽淮南人，研究员，博士。E-mail:Jhzhao2011 qq comCalculation Method of igid Pile Composit
4、e Foundation for High-speedailway Based on Soft Soil einforcement Zone FollowingDeformation of Underlying LayerZHAO Guotang1，LIU Junfei2，ZHAO Lei3，ZHAO ufeng4(1 China State ailway Group Co，Ltd，Beijing 100844，China;2 Technology and Information Department，ChinaState ailway Group Co，Ltd，Beijing 100844，
5、China;3 ailway Engineering esearch Institute，China Academy ofailway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，China;4 School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)Abstract:According to the relative position relationship between the potential post construction deform
6、ed soil mass andthe main bearing area of the rigid pile composite foundation in depth，two key steps were proposed to control the post-construction deformation of the rigid pile composite foundation，including the use of rigid piles to cross the potential postconstruction deformed soil mass in the mid
7、dle and shallow depth，and causing the reinforcement area to follow the de-formation of the deep deformed soil mass After the rigid piles crossing the potential deformed soil mass in the middleand shallow depth，the underlying layer will become the source of the post construction settlement deformatio
8、n，and thereinforcement area will deform with the underlying layer when the deep deformation of the rigid pile composite foundationis transmitted from bottom to top The element model of soil between piles was established to analyze the effect of pile topstructure，pile spacing，pile diameter and other
9、parameters of rigid pile composite foundation on the adjustment mecha-nism of pile top and pile bottom crossing the middle and shallow depth of the deformation soil A good bearing stratumshould be selected for pile bottom and sufficient length of rigid piles should be ensured to pass through potenti
10、al post-construction deformed soil A simplified analytical model was established to calculate the pile-soil interaction and de-formation effects when the deep deformation was transmitted upward through the reinforcement area of rigid pile compos-第 1 期赵国堂等:基于软土加固区跟随下卧层变形的高速铁路刚性桩复合地基计算方法ite foundation
11、 The mechanical mechanism and calculation method of the reinforcement area following the deformation ofthe underlying layer were describedKey words:high-speed railway;subgrade;post-construction settlement;uneven settlement;rigid pile composite founda-tion刚性桩复合地基是我国软土地区高速铁路无砟轨道路基地基处理的主要方法1-3，具有减小沉降效果
12、明显、施工工期易于掌握、施工工艺便于控制、造价较低等优势。高速铁路路基地基处理的核心目标是严格控制地基在铺轨以后产生的工后沉降，特别是不均匀沉降，以保持线路平顺。然而，天然地层并不均匀，其空间分布和物理力学性质具有天然的多样性和变异性，且复合地基结构多样、桩体与地层相互作用复杂。面对这种复杂性，如何合理配置复合地基结构和参数是高速铁路无砟轨道路基地基处理设计重点和难点。刚性桩复合地基的本质是桩体和地基土体共同直接承担上部结构传递的荷载4-5。在京津城际铁路、武广高速铁路、京沪高速铁路等我国较早一批高速铁路建设过程中，技术人员依托工程开展了大量研究，基本掌握了桩顶桩土荷载分配、加固区桩土受力与荷
13、载传递、复合地基沉降变形等机理和特征，建立了复合模量法、等代深基础法和 Boussinessq-Mindlin 联合解法等刚性桩复合地基沉降计算方法6-8，从路基工后沉降控制标准 15 mm 出发，形成了我国高速铁路地基处理技术。但是，轨道不平顺的本质是线路纵向的不均匀变形。路基施工静置期后期或轨道施工时，填筑路基变形已经稳定，刚性桩加固区变形基本完成，地基压缩变形区域将大幅收缩并集中在下卧层中竖向附加应力较大、土层厚度较大的软黏土或较软的黏性土体(软土)，成为工后沉降的主要变形区，也就是路基工后沉降的变形源9。由于这些土体的不均匀性，在铁路服役期内发生的固结和次固结变形也是不均匀的，这种不均
14、匀变形传递到轨道，将形成轨道不平顺。因此，研究轨道与路基相互作用，不仅要研究轨道结构荷载自上而下传递到下卧层形成工后沉降主要变形区的机制，还需要研究下卧层变形自下而上传递到钢轨对轨道平顺性的影响机制。笔者结合高速铁路工程实践，根据地基不均匀沉降变形向上传递过程中波长增加、幅值随之衰减以控制轨道不平顺的基本原理，提出了利用刚性桩加固技术将软土地基沉降区向深部转移以控制轨道不平顺的思想10。研究表明，天然地基深部不均匀变形自下而上向轨面传递可分为快速跟随变形、过渡变形、跟随沉降三个过程，而刚性桩复合地基下卧层的不均匀变形向上传递到桩底后，将快速进入跟随沉降状态，波长与幅值保持稳定9-10，即刚性桩
15、复合地基具有加固区跟随下卧层变形的特性。本文在高速铁路无砟轨道软土地基沉降区深部转移的不平顺控制思想的基础上，进一步探明刚性桩复合地基抑制工后变形发生、控制工后变形传递的机制，提出基于软土加固区跟随下卧层变形的刚性桩复合地基计算方法。1加固区跟随下卧层变形的刚性桩复合地基设计总体思路1.1潜在工后变形土体与刚性桩复合地基主要受力区固结变形和次固结变形是地基土体工后沉降的两个主要原因。工后固结变形主要出现在厚度较大且固结系数或渗透系数较小的黏性土层，其中淤泥或淤泥质土层还会产生次固结变形。次固结变形一般难以控制，对次固结变形较大的地层最好的办法仍是避免对其加载和扰动。剩余固结沉降与总沉降的比值
16、r可采用 Terzaghi 一维固结理论计算，即r=1 U(t)82exp 2cv4H2t()(1)式中:U(t)为铺轨或运营开始时的固结度;cv为土层固结系数;H 为土层单向排水厚度，当夹在两个砂土或粉土层之间若干黏性土层性质差别不大时可合并考虑;t 为自开始加载以来的时间。按照我国高速铁路新线建设通常的工期安排，路基填筑完成至无砟轨道施工一般间隔 12 a，按 1.5 a计算，并取 cv、H 的单位分别为 cm2/s、m，则铺轨后剩余沉降与总沉降的比值 pc为pc 0.81exp 11 670cvH2()(2)根据式(2)，土体的 H2/cv大于 5 580 或 8 340时，pc将分别大于 10%或 20%。这些土体是潜在工后变形土体，若承受的附加应力较大，铺轨后地基压缩变形区域将集中在此处，成为工后不均匀变形的变形源。埋深大的地层由于承受的自重应力更大、沉积历史更久，往往具有更低的压缩性。因此，多选择深处土体承载，抑制浅层土体变形，以减小工后沉降。刚性桩58铁道学报第 45 卷复合地基恰能起到把变形源有效地向深处“转移”的作用。刚性桩复合地基主要有桩网和桩筏两种结构形式11，常