高速铁路桩网结构路基变形与承载演化的子系统相互作用研究

Geosynthetic-Reinforced Pile-supported (GRPS) embankments are widely used to control settlements for high-speed railway. However, unexpected detachment between the geosynthetic-reinforcement (GR) and foundation soil occurred in some sections of GRPS embankments used in Chinese soft stratum. Some of the detached geotextile fractured, which severely threaten railway operation safety. Reason to this phenomenon is that generally adopted design procedure of GRPS embankments separates the calculation of tension in GR and subsoil settlement, therefore the interaction between the piles, reinforcement, fill and subsoil is omitted. This proposal is going analyze the GRPS embankment using sub-system approach, three sub-system is considered respectively as a developing soil arch model for pile-GR-fill system, a mesoscopic-macroscopic combined interface model for the reinforcement layer, and a differential settlement-consolidation-pile friction coupled model for pile and subsoil. The load distribution and settlement evolution will be investigated using a large scale model test by embedding matrix piezoelectric film sensor. The mesoscopic contact between geotextile/geomembrane and gravelly cushion layer, i.e. squeeze, interlocking, and etc., will be investigated using a new discrete element method to simulate deformable GR structure. Using the equations of equilibrium, contact and subsoil consolidation, all three sub-systems can be coupled using pile efficiency and differential deformation. The whole system equation can be solved by iterations and time forward method, such that the evolution of deformation and load distribution in the embankment with the time, and the serviceability of GPRS embankments can be evaluated.

桩网结构广泛应用于高速铁路路基的沉降控制。然而在软土地区几条高铁线运营后发现:一些区段桩网结构已经发生格栅与地基脱空现象，严重者已导致格栅断裂、路基沉降过大并危及列车行车安全。现行桩网结构的设计理论将沉降与格栅强度计算分开，无法考虑桩、网、地基、本体在沉降过程中的相互作用。为此本项研究将桩网结构路基分解为三个子系统模型：填土-桩-格栅子系统动态土拱效应模型、格栅-碎石垫层子系统的界面力学模型和桩-地基土子系统的沉降固结模型；采用整体模型试验，揭示路基荷载作用下桩-网-土荷载传递分担与地基沉降变形的动态演化过程；用离散元法模拟土工格栅在碎石垫层中的拔出，研究土工格栅与散体颗粒之间的摩擦、嵌固和挤压作用特征；根据三个子系统模型力的平衡方程、接触方程和地基土固结方程，以荷载分担比和差异沉降为关键未知量进行耦合求解，获得桩网结构在服役过程中变形与承载的动态计算方法，揭示其真实的工作状态。

针对桩网结构路基地基土过量沉降引起的加筋垫层脱空、断裂及产生的结构病害问题，本课题采用理论与试验方法，对路基结构子系统在沉降过程的变形和荷载演化规律以及相应的动态计算方法展开研究。首先，借助平面活动门试验和粒子图像测速技术，研究了动荷载下土拱效应的形态特征及发展演化规律，基于结构安定理论提出土拱效应动力演化模式，构建了合理拱轴线理论分析模型，提出了填土弹塑性区的发展与分布特征、地基响应曲线；借助三维多活动门装置和矩阵式薄膜压力分布测试技术，研究了不同沉降特征及地基土刚度特性下桩网结构路基加筋垫层的荷载分布规律；借助非球形颗粒的离散元数值模拟，研究了加筋垫层的变形规律、垫层两侧接触的演化规律。在此基础上，对桩网结构路基进行功能逻辑分析和系统失效分析，研究了桩网结构路基正常服役状态向变形/承载极限状态的状态转移判据，构建了桩网结构路基系统故障树，并提出了基于双等沉面方法的桩网结构路基竖向承载演化过程四阶段模型；以实际工程为案例，通过耦合求解各子系统模型，研究了桩网结构路基的服役状态，验正了动态计算方法的可行性。研究成果可为高速铁路路基结构设计和全寿命服役性能评价提供参考。. 重要结论包括：. （1）土拱渐进发展的主要原因是塌落区对于上部土拱的二次支撑效应；初始差异沉降较大的路堤对循环荷载更敏感，循环荷载会促进松动区的发展、贯通，最终形成竖向滑裂面，导致路堤塌陷。加筋垫层可通过增加二次支撑效应保持拱效应的稳定。. （2）加筋垫层荷载和变形随地基沉降持续变化：相邻桩顶相连而成的条带区比四桩中间的中心区承担更多上方荷载，垫层完全失去支撑后，条带区荷载最终呈“U”型分布，中心区荷载基本均布；垫层下方的接触区域减少，但接触部分的压力保持均布。. （3）将桩网结构路基竖向承载和变形的演化过程分为四阶段，建立的子系统模型可用于判别路基服役状态。