软土地区高铁行车荷载下路基-桩网复合地基承力机制与耦合变形研究

The pile-net composite foundation has been widely applied in the road and railway construction in soft soil area in China, but its theoretical development is far from enough for this high-speed practical application, especially for the pile-net composite foundation that under high-speed railway embankment. Its bearing characteristics and time dependent settlement under high-speed railway traffic loading haven’t been systematically researched. Long-term settlement induced by the movement of high-speed train moving across large soft soil area has occurred in practice, and it is difficult to control. Thus, this project is aimed to the further improvement and supplement of existing design methods by considering the long-term dynamic effect. The bearing characteristic and settlement development of pile-net composite foundation in soft soil area are studied by numerical modeling and experimental simulation. For gaining a fully understand of the development of soil arching effect and the pile-soil-reinforcement interaction under long-term dynamic loads, the project will first study the soil embankment and the pile-net composite foundation separately, and then as a coupled model. The conclusion is expected to provide theoretical bases and technical supports for the long-term settlement control of GRPS foundation in soft soil area.

目前桩网复合地基在软土地区应用广泛，但其在动荷载承力机制与耦合变形理论研究方面却落后于工程实践，特别对于需要承担高铁行车荷载的路基系统。行业内对于桩网复合地基的承力模式和耦合变形随时间的发展规律缺乏系统的认识和评价，导致了在长期变形控制上的困难。工程实践发现软土地区高铁运营后地基基础变形沉降的长期效应已经很明显。本项目拟以更新完善现今软土地区桩网复合地基对于动荷载长期效应的研究为主要目标，对高铁行车荷载下桩网复合地基的承力机制和耦合变形问题进行数值模拟和现场、室内试验研究，建立能够考虑动荷载作用下长期变形沉降效应的数值模型和简化解析设计模型。研究将对土质路基和桩网复合地基进行先分离后综合的探究，着重考虑土拱效应在长期动力荷载作用下的衰减规律和桩承式加筋基础中桩-筋-土的相互作用（加筋效应和桩承载力模式变化）。研究成果可为软土地区高铁路基下桩网复合地基的长期变形沉降控制提供技术保障。

目前桩网复合地基在软土地区应用广泛，但其在动荷载承力机制与耦合变形理论研究方面却落后于工程实践，特别对于需要承担高铁行车荷载的路基系统。行业内对于桩网复合地基的承力模式和耦合变形随时间的发展规律缺乏系统的认识和评价，导致了在长期变形控制上的困难，工程实践发现软土地区高铁运营后地基基础变形沉降的长期效应已经很明显。.通过现场测试分析土体动力响应的衰减特征与频域特征，以软土的刚度退化为切入点，通过空心圆柱试验，研究了上海软黏土在高铁行车循环荷载下的动力特性与累积变形特征，从而为桩周土的刚度退化提供了基本力学参数；在以上基础上，通过桩-网复合地基的单元试验，即单桩试验，对单桩系统在长期动力作用下的桩顶位移和桩端应力频响规律进行了研究，同时通过单桩非线性频响的解析模型，发现单桩频响位移和应力的增加随着桩周土刚度的退化呈现加速增长的趋势；利用有限元和无限元相结合的方式，建立了考虑高铁轨道-路基-桩-网复合地基整体系统的全局数值模型，并通过解析模型的计算结果验证，从而得到桩-网复合地基在高铁荷载下的动力响应特征；设计高铁桩-网复合地基模型长期振动室内模型试验，得到了桩-网复合地基内的应力场分布变化和位移变化规律，阐述高铁路基中有利于桩-土荷载合理分配的土拱在长期动荷载作用下的退化过程，以及桩-网复合地基系统的承力机制的改变；通过大型离心机模型试验，设计并模拟了可考虑大变形下的长期动力对高铁轨道-路基-桩-网复合地基整体系统的作用，观察桩-网复合地基的力学特征；最后利用灰色理论模型，建立了时域条件下高铁路基长期变形预测方法。在研究的过程中，综合分析了高铁桩-网复合地基承力机制的变化对上部结构的影响以及整体耦合变形特征，进而探讨了桩-网复合地基与上部结构的相互作用，为合理预测和控制软土地区高铁桩-网复合地基的变形沉降提供理论依据和技术保障。