高频重载条件下加芯水泥土桩加固机理及变形特性研究

本项目拟采用现场试验、离心模型试验、三维有限元数值模拟分析以及理论分析相结合的方法研究高频重载条件下加芯水泥土桩处理高铁路基的加固机理和变形特性。首先选取试验段，开展加芯水泥土桩处理高铁路基的现场试验研究，通过埋设压力盒、孔压计、应力应变计等测试元件以及光纤传感技术研究混凝土芯桩、水泥搅拌桩和桩周土体三者在不同受力状态下的受力特点和变形的变化规律及其应力应变间相关关系；其次利用离心模型试验研究高频重载动荷载下加芯水泥土桩复合地基的力学特性和沉降变形变化规律；然后采用三维数值模拟分析方法研究加芯水泥土桩复合地基在动静荷载下各主要参数变化对其力学特性和沉降变形影响及其变化规律；最后以现场试验、离心模型试验和有限元分析结果为基础，开展加芯水泥土桩复合地基在高频重载下受力传递与沉降变形间本构关系以及工后沉降的理论分析，得到加芯水泥土桩处理高铁路基的加固机理和变形特性及其工后沉降控制措施。

本课题首先进行了9组PHC管桩与30组加芯水泥土桩的现场载荷试验，并量测了其中2组加芯水泥土桩芯桩应力分布，分析了水泥土桩与芯桩的桩长、桩径对承载力的影响，比较了其与PHC管桩侧摩阻力的大小，并对施工前后土层性质的变化进行了评价。其次，进行4组反映桩长、置换率等参数变化对加芯水泥土桩合型复合地基沉降变形影响的离心模型试验，通过量测路堤沉降、桩顶与土体的应力以及超孔隙水压力变化情况获得其沉降变形与受力情况，分析了加芯水泥土桩复合地基沉降变形与桩土应力分担的变化规律。再次，根据现场载荷试验结果建立二维轴对称有限元模型，探讨加芯水泥土桩的承载力与破坏模式的变化以及其在不同频率荷载作用下的受力与变形特性；根据离心模型试验结果，选取典型模拟分析单元从三维角度开展加芯水泥土桩复合地沉降变形的研究及其规律性的分析。最后，根据现场载荷试验与单桩有限元模拟结果，对加芯水泥土桩单桩承载力与沉降计算方法，加芯水泥土桩复合地基沉降计算方法以及芯桩、水泥土与土体三者之间应力比的计算方法进行了探讨。研究成果对于加芯水泥土桩处理软土地基的设计、施工和工后沉降的估算都具有重要的基础理论意义和实际应用价值。