鐵路軟土路基管樁加筏板復(fù)合地基沉降規(guī)律研究

1、山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文摘 要近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路的修建越來(lái)越受到國(guó)家的重視，尤其是高速客運(yùn)鐵路，最終建立一個(gè)龐大的高速鐵路客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)體系已經(jīng)成為中國(guó)鐵路發(fā)展的必然結(jié)果。鐵道部的鐵路中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中指出，到2020年我國(guó)鐵路將建成“四縱四橫”的鐵路客運(yùn)專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)，而這些高速鐵路客運(yùn)網(wǎng)主要集中在東北、華北以及東部沿海地區(qū)，在這些地區(qū)中，軟土分布的十分廣泛。由于軟土自身的特點(diǎn)，在軟土地基上修建高速鐵路時(shí)，軟土地基將會(huì)出現(xiàn)較大的沉降問(wèn)題，嚴(yán)重的影響到列車(chē)的正常運(yùn)行。為了保證高速列車(chē)的正常運(yùn)行必須對(duì)軟土地基采取合適的加固措施進(jìn)行加固處理。本課題主要研究了客運(yùn)專(zhuān)線軟土路基管樁加筏板復(fù)合地

2、基的沉降規(guī)律。首先，對(duì)本文的研究問(wèn)題的提出、意義做了概述，總結(jié)了本文的主要研究?jī)?nèi)容及國(guó)內(nèi)外高鐵客運(yùn)專(zhuān)線軟土地基沉降規(guī)律的研究現(xiàn)狀。其次，介紹了一般軟土地基沉降的計(jì)算方法，比如分層總和法、規(guī)范法、彈性力學(xué)法等；介紹了復(fù)合地基沉降的計(jì)算方法，包含地基加固區(qū)沉降量的計(jì)算方法和下臥層沉降量的計(jì)算方法，并對(duì)復(fù)合地基沉降計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。再次，概況了地基沉降影響的兩大類(lèi)因素，即自然因素和人為因素，介紹了軟土地基沉降因素敏感性計(jì)算的原理及有限元分析軟件ANSYS。最后，通過(guò)對(duì)某客運(yùn)專(zhuān)線軟土路基管樁加筏板復(fù)合地基沉降規(guī)律的研究，以及對(duì)路基深層沉降的因素敏感性分析、計(jì)算和深層沉降監(jiān)測(cè)分析，找出了彈

3、性模量、粘聚力、軟土層的厚度、管樁加筏板等影響路基沉降的因素和規(guī)律，為評(píng)估地基最終沉降量完成時(shí)間提供試驗(yàn)依據(jù)，并得出了結(jié)論。路基的分層沉降監(jiān)測(cè)是該課題的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，這既保證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性又為路基的施工提供了依據(jù)，為路基施工提供了依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)客運(yùn)專(zhuān)線復(fù)合路基的沉降規(guī)律研究還很不成熟，本課題研究的路基深層沉降監(jiān)測(cè)，既滿足了實(shí)際工程的順利施工，保證了質(zhì)量和工期等各項(xiàng)要求，又取得了良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，該課題的研究成果還為類(lèi)似工程提供了很好的借鑒意義。關(guān)鍵詞：客運(yùn)專(zhuān)線，軟土地基，管樁，筏板，復(fù)合地基，沉降Railway settlement law of soft soil founda

4、tion piles composite foundation raft plusZhao Xin （Structural Engineering）Directed by Jiang HongshengABSTRACTIn recent years, with the rapid development of national economy, the construction of railways more and more national attention, especially high-speed passenger rail and eventually build a hug

5、e network of high-speed passenger rail system has become an inevitable result of China's railway development. Ministry of Railways, "Railway term development plan" that, by 2020 China's railway will be built "four vertical and four horizontal" railway passenger line netwo

6、rk, and these high-speed passenger rail network is mainly concentrated in the northeast, north and eastern coastal areas, in these regions, the distribution of a wide range of soft soil. Because of the characteristics of soft soil itself, when the construction of high-speed railway on soft ground, s

7、oft ground will be a larger settlement problem seriously affect the normal operation of the train. In order to ensure the normal operation of high-speed trains must take appropriate measures to reinforce soft soil reinforcement processing. This paper studies the passenger line plus piles of soft soi

8、l foundation raft composite foundation settlement laws.First of all, the research of this paper is put forward, meaning to do the overview, the paper summarizes the main research contents and high-speed rail passenger dedicated line at home and abroad, the status of study on soft soil foundation set

9、tlement laws. Secondly, this paper introduces the general method for calculating the settlement of soft soil, such as stratified summation method, standard method, the elastic mechanics method, etc.; Introduces the calculation method of composite foundation settlement, including the foundation settl

10、ement calculation method of reinforced area and the lower layer and the calculation method of settlement and the settlement of composite foundation and the advantages and disadvantages of the calculation methods are briefly analyzed. Again, the general situation of the foundation settlement influenc

11、e factors of the two kinds of natural factors and human factors, this paper introduces the principle of soft soil foundation settlement factors sensitivity calculation and finite element analysis software ANSYS. Finally, through the soft soil subgrade of passenger dedicated line pipe pile and raft c

12、omposite foundation settlement rule, and factors for roadbed settlement of deep sensitivity analysis, calculation and deep settlement monitoring analysis, finding out the elastic modulus, cohesive force, the thickness of soft soil, pile and raft and other factors, which affect the roadbed settlement

13、 and rules, to assess provide experiment basis for completing the final settlement time, and the conclusion. Layered settlement monitoring of roadbed is the subject of an innovative, this not only ensure the reliability of the monitoring data and provides basis for the construction of the roadbed, p

14、rovide the basis for subgrade construction. At present, the domestic passenger dedicated line composite subgrade settlement regularity study also is not very mature, this topic research the deep roadbed subsidence monitoring, satisfy the smooth construction of the practical engineering, the requirem

15、ents to ensure the quality and time limit for a project, and achieved good technical, economic and social benefits, the subject of research also provides a good reference for similar projects. Keywords: passenger dedicated line, soft soil, pile, raft and composite foundation, the settlement 目 錄摘 要&#

16、183;·················································&#

17、183;··················IABSTRACT······························

18、;···································II第1章 緒論1.1問(wèn)題的提出 ············

19、··············································11.2國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀··

20、··················································

21、·21.3本文主要研究?jī)?nèi)容···············································

22、······3第2章 現(xiàn)階段地基的沉降計(jì)算理論2.1一般軟土地基的沉降計(jì)算方法······································

23、83;····52.2復(fù)合地基的沉降計(jì)算方法···········································

24、····8第3章 地基沉降影響因素分析3.1地基沉降影響因素·········································

25、3;··········123.2軟土地基沉降因素敏感性計(jì)算原理····································&#

26、183;··123.3有限元分析軟件ANSYS簡(jiǎn)介···········································13第4章 工

27、程實(shí)測(cè)實(shí)例分析4.1工程概況···············································

28、3;·············144.2路基深層沉降監(jiān)測(cè)方法··································&

29、#183;··············174.3路基深層沉降的因素敏感性分析································

30、·········24第5章 成果及展望5.1 成果······································&

31、#183;·························465.2 展望·······················

32、;·········································47參考文獻(xiàn)········

33、;··················································

34、;······48后 記···········································

35、·························51攻讀碩士學(xué)位期間論文發(fā)表及科研情況······················

36、;············5151山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章 緒論1.1問(wèn)題的提出近年來(lái)，隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路發(fā)揮的作用越來(lái)越來(lái)，尤其是高速鐵路的修建越來(lái)越受到國(guó)家的重視，最終建立一個(gè)龐大的高速鐵路客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)體系已經(jīng)成為中國(guó)鐵路發(fā)展的必然結(jié)果。依據(jù)鐵道部制定的鐵路中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃1 ，到2020年，中國(guó)將會(huì)建成一個(gè)“四縱四橫”的鐵路客運(yùn)專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)體系，那時(shí)中國(guó)高鐵客運(yùn)專(zhuān)線將會(huì)達(dá)到1.2萬(wàn)公里的總里程數(shù)。現(xiàn)在高鐵客運(yùn)專(zhuān)線已經(jīng)成為交通現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一，而建立高鐵客運(yùn)

37、專(zhuān)線具有一定的國(guó)際意義，同時(shí)也具有劃時(shí)代的意義。國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）對(duì)高速鐵路規(guī)定的定義如下2：“高速鐵路為允許速度達(dá)到250 公里/時(shí)的新建客運(yùn)專(zhuān)線或允許速度達(dá)到200 公里/時(shí)的既有客運(yùn)專(zhuān)線”。高速鐵路運(yùn)輸與公路運(yùn)輸、航空運(yùn)輸相比具有一定的優(yōu)勢(shì)，比如：安全性高、舒適度高、經(jīng)濟(jì)效益好、環(huán)境污染小、速度快、運(yùn)輸量大。通常情況下，我們所說(shuō)的軟土是淤泥和淤泥質(zhì)土的總稱(chēng)。軟土主要是由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質(zhì)所組成的土。主要具有以下物理力學(xué)特征：變形大、承載力小、抗剪強(qiáng)度低、天然含水量高、天然孔隙比大、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、 靈敏度高、擾動(dòng)性大等。因?yàn)檐浲恋囊陨咸攸c(diǎn)，所以為了

38、避免軟土地基在高鐵路基荷載用下出現(xiàn)坍塌或沉陷，通常在有軟土分布范圍內(nèi)修建高鐵時(shí)對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理。路基工程作為是高速鐵路的重要工程類(lèi)型，具有承受軌道荷載與列車(chē)荷載的作用。路基的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性、變形對(duì)列車(chē)的正常運(yùn)行都有影響。對(duì)于高速行駛的列車(chē)，變形的影響尤為重要，因此高速客運(yùn)專(zhuān)線軌下設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是控制變形。目前，高速鐵路路基的設(shè)計(jì)在許多方面已深化和改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路3，過(guò)去是把控制路基強(qiáng)度作為路基工程的主要要求，現(xiàn)在，通常情況下，在路基強(qiáng)度破壞之前，路基就出現(xiàn)了不能容許的有害變形。所以現(xiàn)在把控制路基的變形作為路基工程的主要要求。由此可見(jiàn)，路基的沉降變形對(duì)于高鐵客運(yùn)專(zhuān)線起著重要作

39、用。路基在填筑過(guò)程中至鋪軌前所產(chǎn)生的沉降為施工沉降4，把鋪軌后產(chǎn)生的沉降稱(chēng)為工后沉降?？梢酝ㄟ^(guò)填補(bǔ)加高的方式來(lái)解決施工沉降，對(duì)于工后沉降而言，抬道補(bǔ)碴進(jìn)行調(diào)整是唯一的途徑，這對(duì)于鐵路的運(yùn)行能力和養(yǎng)護(hù)的工作量有直接影響。一般認(rèn)為路基工后沉降分為三個(gè)部分5：壓縮變形、塑性變形和沉降變形。所謂壓縮變形是指路基填土由于自身的重力而產(chǎn)生的變形，通過(guò)選用優(yōu)質(zhì)的填料并按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行填筑壓實(shí)以后，把壓縮變形控一般不會(huì)超過(guò)路堤高度的0.5%，一般情況下完成的時(shí)間在一年以?xún)?nèi)。塑性變形是在高鐵運(yùn)行過(guò)程中，由于列車(chē)運(yùn)行所產(chǎn)生的基床累積變形，它與車(chē)輛的軸重、運(yùn)載量、行車(chē)密度、行車(chē)速度以及基床填筑質(zhì)量有關(guān)，通過(guò)日常的維

40、修可以解決塑性變形。沉降變形是指路基在列車(chē)荷載、軌道結(jié)構(gòu)和路堤填土重量共同作用下產(chǎn)生的變形，它是路基工后沉降的主要組成部分，變形的完成需要較長(zhǎng)的時(shí)間。在地基條件較差時(shí)，特別是飽和軟粘土?xí)r，具有變形量大、變形時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，有的變形時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)幾十年。所以控制整個(gè)路基工后沉降的關(guān)鍵是沉降變形這一部分。我國(guó)鐵路中長(zhǎng)期規(guī)劃中指出，建立省會(huì)城市及大中城市間的快速客運(yùn)通道，以及環(huán)渤海地區(qū)、長(zhǎng)江三角洲地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)3個(gè)城際快速客運(yùn)系統(tǒng)，建設(shè)客運(yùn)專(zhuān)線1.2萬(wàn)公里以上1。以上這些地區(qū)軟土的分布十分廣泛，因?yàn)檐浲辆哂袕?qiáng)度低、壓縮性高、孔隙比大等特點(diǎn)，在這些軟土分布廣泛的地基上修建高速客運(yùn)專(zhuān)線時(shí)，地基會(huì)出現(xiàn)十

41、分明顯的沉降問(wèn)題，由于填土自身的重量以及列車(chē)的荷載，地基會(huì)產(chǎn)生較大的沉降變形，尤其是不均勻沉降。這些對(duì)列車(chē)行駛軌道的穩(wěn)定和平順有嚴(yán)重的影響，也為高速客運(yùn)列車(chē)的行車(chē)帶來(lái)非常大的困難。為了控制路基的工后沉降以及工后沉降的速率，必須采取行之有效的地基加固措施，進(jìn)而保證高速客運(yùn)列車(chē)的正常運(yùn)行。在保證高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線正常使用的情況下，為了控制高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線的工程造價(jià)，需要選擇合適的地基處理措施。因此，在修建高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線時(shí)，首先要正確的掌握軟土的性質(zhì)及其危害，結(jié)合具體的工程地質(zhì)情況，從安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等多方面考慮，綜合確定對(duì)軟土地基進(jìn)行處理的有效措施，以此解決軟土地基中存在的地基穩(wěn)定性問(wèn)題和沉

42、降變形問(wèn)題。這已經(jīng)成為我國(guó)高速鐵路路基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，專(zhuān)家、學(xué)者研究的一個(gè)重要課題。1.2國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外的研究現(xiàn)狀日本是研究高速鐵路技術(shù)較早的國(guó)家之一，早在1959年日本就開(kāi)始著手建設(shè)“新干線”，該線路的建設(shè)不僅起到了連接?xùn)|瀛四島的主要城市的作用，而且為其他高速鐵路的建設(shè)積累了許多值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)；德國(guó)的鐵路規(guī)范第M836.0502節(jié)規(guī)定，當(dāng)高速鐵路的軌下基礎(chǔ)不滿足路基的沉降變形和穩(wěn)定要求時(shí)，必須對(duì)路基基礎(chǔ)進(jìn)行加固或改善678。世界各國(guó)在高速鐵路的修建過(guò)程中對(duì)路基沉降的控制都十分重視，比如日本在高速鐵路建設(shè)初期，將工后總沉降定為10厘米，年沉降量定為3厘米，然而在實(shí)際的修建過(guò)程中，日

43、本卻將工后總沉降控制在3厘米，對(duì)無(wú)碴軌道工后沉降的控制有著更為嚴(yán)格的要求9。路基的工后沉降在德國(guó)的鐵路規(guī)范中受到嚴(yán)格的控制，德國(guó)的規(guī)范中規(guī)定，在列車(chē)正常運(yùn)行后，路基的工后總沉降量應(yīng)保證在l厘米以?xún)?nèi)，其工后沉降速率應(yīng)保證在每年2毫米以?xún)?nèi)，同時(shí)應(yīng)該避免短距離內(nèi)不均勻沉降的出現(xiàn)，而在橋臺(tái)附近不應(yīng)有任何不均勻沉降 10 11。1.2.2國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀近年來(lái)，在高速鐵路技術(shù)方面我國(guó)取得了較快的發(fā)展，將研發(fā)出的軌枕埋入式軌道結(jié)構(gòu)、板式軌道結(jié)構(gòu)、彈性支承塊式軌道結(jié)構(gòu)成功的運(yùn)用到秦沈客運(yùn)專(zhuān)線、西康客運(yùn)專(zhuān)線等高速客運(yùn)專(zhuān)線1213。我國(guó)對(duì)無(wú)砟軌道的研究幾乎和國(guó)外是同時(shí)起步的，早在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始著手研究。秦

44、沈客運(yùn)專(zhuān)線是我國(guó)修建的第一條高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線，在404千米的線路中有188千米采用的是板式無(wú)砟軌道，被稱(chēng)為我國(guó)無(wú)砟軌道的“先導(dǎo)段”。該鐵路客運(yùn)專(zhuān)線在2003年已經(jīng)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，列車(chē)時(shí)速達(dá)到每小時(shí)200公里，在當(dāng)時(shí)的情況下是很了不起的。截止到今天，我國(guó)已經(jīng)建成通車(chē)的有京滬、京津、京廣、武廣等客運(yùn)專(zhuān)線，正在建設(shè)中的有成渝、京福、渝黔、南廣等客運(yùn)專(zhuān)線，而這些線路設(shè)計(jì)速度在每小時(shí)250公里至350公里之間。為了滿足高速行車(chē)的安全性和舒適性，這些客運(yùn)專(zhuān)線大多采取無(wú)砟軌道形式。為了減小線下工程沉降給高速列車(chē)運(yùn)行帶來(lái)的有害影響，通常是在設(shè)計(jì)、施工中嚴(yán)格控制線下結(jié)構(gòu)工后的沉降來(lái)保證整個(gè)線路整體的平順性。在控制路基

45、工后沉降時(shí)，往往是從設(shè)計(jì)一開(kāi)始就采取必要的加固措施對(duì)軟土路基段進(jìn)行加固，同時(shí)可以進(jìn)行加載預(yù)壓，保證路基從施工完畢到鋪?lái)钠陂g有充足的預(yù)壓沉降時(shí)間。在這個(gè)期間內(nèi)，對(duì)整個(gè)線路實(shí)行沉降觀測(cè)，嚴(yán)密監(jiān)控路基的變形。早在2002年，我國(guó)鐵道部就設(shè)立研究課題系統(tǒng)的研究無(wú)砟軌道技術(shù)，還在開(kāi)通的客運(yùn)專(zhuān)線中設(shè)立無(wú)砟軌道綜合試驗(yàn)段，積極采取各種方式研究無(wú)砟軌道技術(shù)。無(wú)砟軌道對(duì)路基的沉降變形，尤其是不均勻沉降變形要求非常嚴(yán)格。通過(guò)調(diào)整扣件來(lái)恢復(fù)無(wú)砟軌道的幾何形狀是調(diào)整無(wú)砟軌道永久變形的唯一手段，由于扣件調(diào)整量非常有限，只能依靠嚴(yán)格的控制線下工程的沉降量來(lái)解決，這就對(duì)路基提出了更高的要求。現(xiàn)階段，我國(guó)在客運(yùn)專(zhuān)線軟土路基沉

46、降的研究方面較少。1.2.3軟土地基處理措施為了在保證軟土地基穩(wěn)定性的前提下控制路基的工后沉降，一般情況下需要對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理來(lái)改變地基土的性狀。軟土地基處理的方法眾多，分類(lèi)也不統(tǒng)一。依據(jù)地基處理發(fā)展的時(shí)間可以做如下分類(lèi)：（1）古老技術(shù)：灰土墊層基礎(chǔ)、短樁復(fù)合地基；（2）比較成熟的技術(shù)：高壓噴射注漿法、振沖法、強(qiáng)夯法、深層攪拌法；（3）近20年發(fā)展起來(lái)的技術(shù)：包括真空堆在預(yù)壓法、CFG剛性樁、夯實(shí)水泥土樁法、超輕質(zhì)填料法等；（4）近年來(lái)發(fā)展的新技術(shù)：有強(qiáng)夯置換碎石樁法、石灰樁法和深層攪拌法多元復(fù)合地基應(yīng)用、CFG樁和深層攪拌法多元復(fù)合地基、 CFG樁和石灰樁多元復(fù)合地基應(yīng)用等。地基處理方

47、法眾多，在選擇時(shí)既要符合工程要求還要經(jīng)濟(jì)，這要求必須深入的研究地基處理的依據(jù)、目的等，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際情況綜合考慮，因地制宜的采用合理的處理措施，只有這樣才能達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效果，同時(shí)盡可能的縮短工期。高速鐵路常用的軟土地基加固措施1415有：強(qiáng)夯法、堆載預(yù)壓法、換填法、現(xiàn)澆混凝土管樁法、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁法、CFG樁法等。1.3本文主要研究?jī)?nèi)容本文結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例，以現(xiàn)有的規(guī)范為依托，對(duì)客運(yùn)專(zhuān)線軟土路基管樁加筏板復(fù)合地基沉降規(guī)律進(jìn)行研究。本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：（1）現(xiàn)階段的地基沉降計(jì)算；（2）軟土路基沉降的影響因素；（3）通過(guò)工程實(shí)測(cè)實(shí)例，進(jìn)行軟土地基管樁加筏板復(fù)合地基沉降規(guī)律的研究，

48、優(yōu)化施工方案。第2章 現(xiàn)階段地基的沉降計(jì)算理論普通土是由三相體系組成，分別是土的固體顆粒（固相）、土中水（液相）、土中氣體（氣相）組成的，飽和土和干土是兩相體系。在土的三相體系中，土的固體顆粒構(gòu)成土的骨架，其大小、形狀、礦物成分以及大小搭配情況對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)有著明顯的影響；土中的水分為自由水和結(jié)合水兩種；土中氣體存在于土孔隙中未被水占據(jù)的部分，分為與大氣連通的非封閉氣體和與大氣不連通的封閉氣體。三相相對(duì)含量的變化直接影響到土的軟硬、干濕、疏密等。土在壓力作用下體積縮小的特性被稱(chēng)為土的壓縮性。在土的三相組成中，土的固體顆粒的壓縮量和土中水的壓縮量非常小，不足總壓縮量的1/400，可以忽略不計(jì)

49、。土的壓縮主要是由土中氣體的壓縮、排出和土中水的排出，與此同時(shí)，土的固體顆粒相應(yīng)發(fā)生移動(dòng)，重新排列，靠攏擠緊，從而土孔隙體積減小，所以在通常情況下，土的壓縮被認(rèn)為只是由于孔隙體積減小的結(jié)果，而飽和土僅是土中水的排出。2.1一般軟土地基的沉降計(jì)算方法由于軟土自身的工程特性，對(duì)于軟土地基來(lái)講，沉降量大和完成地基沉降所需要的時(shí)間長(zhǎng)是兩個(gè)明顯的特點(diǎn)。地基的變形是土力學(xué)重點(diǎn)研究的一個(gè)課題。截止目前為止，已經(jīng)形成多種軟土地基變形的計(jì)算方法，常用的有分層總和法、規(guī)范法、彈性力學(xué)公式、有限單元法。2.1.1分層總和法分層總和法做了兩個(gè)假定：（1）地基是均質(zhì)、各向同性的半無(wú)限線性變形體，可按彈性理論計(jì)算土中應(yīng)力

50、；（2）在壓力作用下，地基土不產(chǎn)生側(cè)向變形，可采用側(cè)限條件下的壓縮性指標(biāo)。為了彌補(bǔ)由此假定所引起的計(jì)算誤差，通常是取基底中心點(diǎn)下的附加應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，以基底中心點(diǎn)的沉降代表地基的平均沉降。 在厚度為H的均勻土層上面施加連續(xù)均勻荷載p，見(jiàn)圖2-1a，這時(shí)土層只能在豎直方向發(fā)生壓縮變形，而不可能有側(cè)向變形，這同側(cè)限壓縮試驗(yàn)中的情況基本一樣，屬一維壓縮問(wèn)題。施加外荷載之前，土層中的自重應(yīng)力為圖2-1b中OBA；施加p之后，土層中引起的附加應(yīng)力分布為OCDA。對(duì)整個(gè)土層來(lái)說(shuō)，施加外荷載前后存在于土層中的平均豎向應(yīng)力圖2-1土層一維壓縮圖示分別為p1=H/2和p2=p1+p。從土的壓縮試驗(yàn)曲線（圖2-1c

51、）可以看出，豎向應(yīng)力從p1增加到p2，將引起土的孔隙比從e1減小為e2。因此，可得一維條件下土層的壓縮變形s與土的孔隙比e的變化之間存在如下關(guān)系：（2-1） 這就是土層一維壓縮變形量的基本計(jì)算公式。式（2-1）可改寫(xiě)成： （2-2）式中： 壓縮系數(shù)；體積壓縮系數(shù)；Es壓縮模量；H土層厚度；A附加應(yīng)力面積，A=pH。分層總和法在計(jì)算時(shí)先將地基土分為若干土層，按照土層一維壓縮變形量的計(jì)算公式分別計(jì)算各土層的壓縮量，然后累計(jì)起來(lái)，即為總的地基沉降量。分層總和法計(jì)算地基沉降存在以下缺點(diǎn)：（1）由于分層總和法在計(jì)算假定與土體的實(shí)際情況并不相符，會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定的影響。假定的地基土沒(méi)有側(cè)限變形，這會(huì)導(dǎo)致

52、最終的計(jì)算結(jié)果比實(shí)際要偏?。唬?）由于采用基底中心點(diǎn)下的附加應(yīng)力和沉降進(jìn)行計(jì)算，這會(huì)導(dǎo)致最終的計(jì)算結(jié)果比實(shí)際要偏大；（3）當(dāng)基礎(chǔ)埋置較深時(shí)，應(yīng)考慮開(kāi)挖基坑時(shí)地基土的回彈，建筑物施工時(shí)又產(chǎn)生地基土再壓縮的情況；（4）在計(jì)算附加應(yīng)力時(shí)通常要進(jìn)行查表，采用內(nèi)插法確定附加應(yīng)力系數(shù)以及查表過(guò)程中容易引起失誤，同時(shí)采取角點(diǎn)法分割荷載相對(duì)較麻煩；（5）在確定不同應(yīng)力對(duì)應(yīng)下的土層孔隙比時(shí)要查壓縮曲線圖，既繁瑣誤差又大；（6）在進(jìn)行劃分土層時(shí)因人而異。2.1.2建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500072011）中規(guī)定的沉降計(jì)算方法建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500072011）中規(guī)定的沉降方法（以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范法）是分層

53、總和法的一種簡(jiǎn)化形式，該方法采用了“應(yīng)力面積”的概念，因而也稱(chēng)為應(yīng)力面積法。規(guī)范法沿用分層總和法的假定條件，并引入平均附加應(yīng)力系數(shù)和地基沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。在計(jì)算地基變形時(shí)，地基內(nèi)的應(yīng)力分布，可采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論。其最終變形量可按下式進(jìn)行計(jì)算： （2-3）其中： s地基最終變形量（mm）；s，按分層總和法計(jì)算出的地基變形量（mm）；s沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)地區(qū)沉降觀測(cè)資料及經(jīng)驗(yàn)確定，無(wú)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)變形計(jì)算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當(dāng)量值、基底附加壓力按表取值；n地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；p0相應(yīng)于作用的準(zhǔn)永久組合時(shí)基礎(chǔ)底面處的附加壓力(kPa)；Esi基礎(chǔ)底面下第i層土的壓

54、縮模量（MPa），應(yīng)取土的自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和的壓力段計(jì)算；zi、zi-1基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面的距離（m）；基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。2.1.3彈性力學(xué)方法彈性力學(xué)方法計(jì)算地基沉降是以Boussinesq的豎向位移解為依據(jù)進(jìn)行的，通過(guò)在荷載作用的面積范圍內(nèi)進(jìn)行積分最終得到地基的沉降量計(jì)算公式。彈性力學(xué)方法假定地基是均質(zhì)的、半無(wú)限、線性的變形體。運(yùn)用彈性力學(xué)方法計(jì)算地基沉降量，其結(jié)果的準(zhǔn)確程度取決于地基土的彈性模量E（或變形模量E0）。在計(jì)算過(guò)程中，通常假定地基土的彈性模量在整個(gè)地基土層中是一成不變的，當(dāng)?shù)鼗耐翆泳鶆驎r(shí)這種

55、假定才與實(shí)際情況相一致，實(shí)際情況是地基土的彈性模量是隨著地基土的深度而變化的。彈性力學(xué)方法與其他計(jì)算方法的最大不同之處在于壓縮土層厚度上，彈性力學(xué)方法的壓縮土層厚度在理論上是無(wú)限大的。很顯然，這種假定與實(shí)際是明顯不符的。采用彈性力學(xué)方法計(jì)算出的地基沉降量跟實(shí)際沉降量相比要偏大，同時(shí)該方法也沒(méi)有考慮相鄰基礎(chǔ)之間的相互影響，但是這種方法計(jì)算簡(jiǎn)單，通常采用這種方法進(jìn)行沉降估算。2.1.4其他方法在地基沉降計(jì)算中還通常使用經(jīng)驗(yàn)推算的方法，例如雙曲線法、指數(shù)法和Osaka法等161718。這些方法是基于地基實(shí)測(cè)變形跟時(shí)間過(guò)程曲線的推算，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，找出變形與時(shí)間的近似擬合公式，通過(guò)得到的這個(gè)擬

56、合公式來(lái)預(yù)測(cè)地基的工后沉降及最終的地基沉降量。數(shù)值分析的方法也被應(yīng)用于地基沉降計(jì)算中，這類(lèi)方法是以太沙基固結(jié)理論作為理論基礎(chǔ)進(jìn)行的，通過(guò)土體的本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析，例如有限元法。雖然這種方法在理論上較為嚴(yán)謹(jǐn)，但是由于土體的本構(gòu)模型的選擇比較困難，同時(shí)涉及到的計(jì)算參數(shù)不容易獲取，所以在實(shí)際工程中數(shù)值分析的方法沒(méi)有得到較為普遍的應(yīng)用192021 2.2復(fù)合地基的沉降計(jì)算方法復(fù)合地基的沉降量S一般情況下是由地基加固區(qū)沉降量S1和下臥層沉降量S2兩部分組成。圖2-2是復(fù)合地基沉降變形的示意圖，圖中h為復(fù)合地基的加固區(qū)厚度，Z為復(fù)合地基總的壓縮層厚度。復(fù)合地基沉降量用公式可以表達(dá)為：S=S1+S2 （2

57、-4）圖2-2 復(fù)合地基沉降變形示意圖2.2.1復(fù)合地基加固區(qū)沉降量的計(jì)算在實(shí)際工程中，一般是采用復(fù)合模量法、應(yīng)力修正法以及樁身壓縮量法進(jìn)行計(jì)算。（1）復(fù)合模量法復(fù)合模量法是把地基加固區(qū)中的增強(qiáng)體和地基土體視為一個(gè)復(fù)合土體，通過(guò)面積加權(quán)平均法或者建筑地基處理技術(shù)規(guī)范給出的方法計(jì)算出復(fù)合模量Ecs，然后采用分層總和法計(jì)算出加固區(qū)沉降量S1的值。計(jì)算公式為 （2-5）式中：i第i層復(fù)合土體上增加的附加應(yīng)力值；Hi 復(fù)合土層中第i層的厚度；復(fù)合壓縮模量。（2）應(yīng)力修正法應(yīng)力修正法是忽略了地基加固區(qū)中的增強(qiáng)體，計(jì)算出復(fù)合地基樁間土上的荷載Ps后，參照樁間土的壓縮模量，運(yùn)用分層總和法計(jì)算出加固區(qū)沉降量S

58、1的值。復(fù)合地基樁間土荷載計(jì)算公式為： （2-6）式中：P復(fù)合地基平均荷載密度； n和m 分別為復(fù)合地基樁土應(yīng)力比和復(fù)合地基置換率； 應(yīng)力修正系數(shù)。（3）樁身壓縮量法樁身壓縮量Sp的計(jì)算公式為： （2-7）式中：應(yīng)力集中系數(shù)，； l 樁長(zhǎng)，為復(fù)合地基加固區(qū)厚度h； Ep樁體的壓縮模量； Pbo樁底端的承載力密度。復(fù)合地基加固區(qū)沉降量S1計(jì)算公式為：S1=Sp+ （2-8）其中為樁在下臥層中的刺入量。當(dāng)=0時(shí)，樁身壓縮量Sp即為S1的值。2.2.2復(fù)合地基下臥層沉降量的計(jì)算復(fù)合地基下臥層沉降量的計(jì)算方法有應(yīng)力擴(kuò)散法、當(dāng)量層法以及等效實(shí)體法。（1）應(yīng)力擴(kuò)散法下臥層上的荷載Pb使用以下公式計(jì)算： （

59、2-9）式中：p作用在復(fù)合地基上的荷載密度； D荷載在復(fù)合地基上的作用長(zhǎng)度；B作用寬度；應(yīng)力擴(kuò)散角。（2）當(dāng)量層法當(dāng)量層法是把復(fù)合地基轉(zhuǎn)換為均質(zhì)地基，把加固區(qū)看做是一個(gè)整體層，將其換算成和下臥層壓縮模量相同的當(dāng)量土層，假設(shè)荷載作用于當(dāng)量土層的頂面。（3）等效實(shí)體法等效實(shí)體法是把復(fù)合地基的加固區(qū)視為一個(gè)等效實(shí)體，假設(shè)下臥層與復(fù)合地基有相同的荷載作用面。在等效實(shí)體四周有側(cè)摩阻力，下臥層上的荷載Pb使用以下公式計(jì)算： （2-10）式中：f側(cè)摩阻力密度； B荷載作用面寬度； D荷載作用面長(zhǎng)度。2.2.3建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的復(fù)合地基的最終變形計(jì)算建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500072011）中給

60、出了復(fù)合地基的最終變形量公式為：S=spS, (2-11)其中，S為復(fù)合地基的最終變形量，單位為毫米；sp為復(fù)合地基沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；S，為復(fù)合地基計(jì)算變形量，單位為毫米，可以按照公式（2-3）進(jìn)行計(jì)算。復(fù)合地基變形計(jì)算時(shí)，復(fù)合土層的壓縮模量可按下列公式計(jì)算：Espi=·Esi （2-12）=fspk/fak （2-13）式中：Espi第i層復(fù)合土層的壓縮模量（Mpa）； 復(fù)合涂層的壓縮模量提高系數(shù)；fspk復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；fak基礎(chǔ)底面下天然地基承載力特征值（kPa）。2.2.4復(fù)合地基沉降變形計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析（1）復(fù)合地基加固區(qū)沉降變形計(jì)算方法優(yōu)缺點(diǎn)分析由于復(fù)

61、合模量法是在等應(yīng)變條件下得出的，將加固區(qū)視為均質(zhì)進(jìn)而通過(guò)樁體和樁間的面積比得到復(fù)合模量，再求出加固區(qū)沉降量。這種方法適用于基礎(chǔ)和下臥層是剛性的，但通常情況下下臥層一般會(huì)有壓縮性，這導(dǎo)致了樁體在下臥層中有一定的刺入量而造成等應(yīng)變條件失效；應(yīng)力修正法中樁土模量比、樁長(zhǎng)、時(shí)間等影響因素會(huì)對(duì)樁土的應(yīng)力比n有影響，這會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在較大的誤差。樁身壓縮量法中的樁土應(yīng)力比n難以確定，而樁側(cè)摩阻力的測(cè)試較為困難，所以這種計(jì)算方法也存在較大誤差。（2）復(fù)合地基下臥層沉降變形計(jì)算方法優(yōu)缺點(diǎn)分析應(yīng)力力擴(kuò)散法和當(dāng)量層法均忽略了樁基的影響，僅僅是針對(duì)下臥層上覆附加應(yīng)力進(jìn)行了簡(jiǎn)化計(jì)算；在等效實(shí)體法中，樁身側(cè)摩阻力的分

62、布情況難以確定，這些都造成最終的計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。綜上所述，現(xiàn)階段復(fù)合地基的計(jì)算方法都存在一定的不足之處，對(duì)軟土復(fù)合地基沉降計(jì)算有待于進(jìn)一步的研究。第3章 地基沉降影響因素分析3.1地基沉降影響因素地基沉降的影響因素是多方面的，總體來(lái)講可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是自然因素，一類(lèi)是人為因素。3.1.1影響地基沉降的自然因素地基的土質(zhì)對(duì)于地基沉降有顯著的影響。當(dāng)土層分布不均勻，土質(zhì)差異較大時(shí)，土的物理性質(zhì)會(huì)存在較大差異，比如孔隙率、滲透性，這會(huì)導(dǎo)致不同的土層出現(xiàn)不同的壓縮，進(jìn)而導(dǎo)致不均勻沉降。土的力學(xué)性質(zhì)的差異也會(huì)導(dǎo)致沉降，比如彈性模量、泊松比、粘聚力等。很多工程實(shí)踐證明，地下水位也是地基沉降的一個(gè)因

63、素。地下水的滲流及水位的變化對(duì)于土體承載力影響很大，對(duì)工程非常不利。另外，地基沉降與土體歷史上所受的應(yīng)力變化有重要的關(guān)系。3.1.2影響地基沉降的人為因素為了掌握施工場(chǎng)地土質(zhì)的情況，要進(jìn)行地基勘探并作出報(bào)告。有些單位為了節(jié)省資金，不認(rèn)真進(jìn)行地基勘探，借鑒相鄰建筑物的地質(zhì)報(bào)告，有的即使進(jìn)行鉆探但是在鉆探過(guò)程中出現(xiàn)鉆孔歪斜等問(wèn)題，這些都會(huì)導(dǎo)致不均勻沉降，嚴(yán)重的會(huì)造成建筑物的毀壞，造成難以挽回的損失。地質(zhì)勘查報(bào)告的真實(shí)性尤為關(guān)鍵，報(bào)告中反應(yīng)出的不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)會(huì)給設(shè)計(jì)人員造成誤導(dǎo)，嚴(yán)重的影響后期的順利施工。所以提高從業(yè)人員業(yè)務(wù)水平，加強(qiáng)從業(yè)人員責(zé)任感至關(guān)重要。從建筑設(shè)計(jì)方面來(lái)講，在地基土壓縮性明顯不同的部

64、位、地基處理方法不同的部位設(shè)置沉降縫是非常有益的。地基土在基礎(chǔ)施工前被擾動(dòng)也會(huì)造成沉降。3.2軟土地基沉降因素敏感性計(jì)算原理軟土地基的沉降跟多種因素有關(guān)，比如：軟土層的厚度、各層土體的參數(shù)、加固措施等等?？梢詫④浲恋鼗某两礢視為諸多因素的一個(gè)函數(shù)，即 S= f（X1，X2，X3，X n） （3-1） 由于軟土地基的影響因素較為復(fù)雜，而且軟土地基的沉降量較大，采取加固十分困難。為了達(dá)到有效加固、減小沉降、滿足工程施工要求的目的，必須找出對(duì)軟土地基沉降影響較大的因素、有效減小沉降的因素，進(jìn)行因素敏感性分析不失為一種很好的辦法。軟土地基沉降因素敏感性分析主要是研究影響軟土地基沉降的各因素與相應(yīng)的沉

65、降量之間的相關(guān)關(guān)系。它由各因素的相對(duì)變化率與路基沉降量的相對(duì)變化率之間的比值來(lái)進(jìn)行衡量，即第i個(gè)影響因素的敏感度q i可表示如下 （3-2）式中：影響因素 X i 的相對(duì)變化率； 為路基沉降量 S的相對(duì)變化率。敏感性分析通常按照以下過(guò)程進(jìn)行：先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果或工程類(lèi)比結(jié)果來(lái)選取一套基準(zhǔn)參數(shù)，利用彈塑性有限元法計(jì)算出基準(zhǔn)條件下的路基沉降量S；然后將影響因素中的一個(gè)參數(shù)在基準(zhǔn)值附近變化，而保持其它因素水平不變，計(jì)算此情況下的路基沉降量S；最后根據(jù)公式（3-2）求得各因素的敏感度。3.3有限元分析軟件ANSYS簡(jiǎn)介ANSYS軟件是世界上作答的有限元分析軟件公司ANSYS公司開(kāi)發(fā)的一種大型通用有限元

66、分析軟件，能夠與多種軟件共享和交換數(shù)據(jù)，被廣泛的應(yīng)用于眾多工業(yè)領(lǐng)域，比如土木工程、航空航天、汽車(chē)業(yè)等。ANSYS軟件由前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊三部分組成，用戶(hù)可以通過(guò)前處理模塊構(gòu)造有限元模型，分析計(jì)算模塊具有靈敏度分析和優(yōu)化肥西的能力，通過(guò)后處理模塊可以將計(jì)算結(jié)果直觀、清晰的表達(dá)出來(lái)。ANSYS在土木工程中可以應(yīng)用在承受荷載能力與變形分析、結(jié)構(gòu)的地震感應(yīng)、由溫度誘發(fā)荷載所導(dǎo)致的變形和結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性等多個(gè)方面。在實(shí)際工程中，可以利用該軟件，對(duì)影響地基沉降的軟土層的彈性模量、土層厚、樁的長(zhǎng)度等因素進(jìn)行敏感性計(jì)算分析。第4章 工程實(shí)測(cè)實(shí)例分析4.1工程概況4.1.1場(chǎng)地位置及地形地貌該鐵

67、路客運(yùn)專(zhuān)線DK81+623.74DK84+686.7段位于嘉興市，為嘉興南站所在路段。該段路基位于長(zhǎng)江三角洲沖積平原，地貌類(lèi)型屬濱海平原地區(qū)，地勢(shì)低平，地面高程3.2米3.6米之間（吳淞高程），由于數(shù)千年來(lái)人類(lèi)的墾殖開(kāi)發(fā)，平原被縱橫交錯(cuò)的塘浦河渠所分割，田、地、水交錯(cuò)分布，旱地栽桑、水田種糧、湖蕩養(yǎng)魚(yú)的立體地形結(jié)構(gòu)，人工地貌明顯，水鄉(xiāng)特色濃郁。4.1.2地層巖性該段路基地層由淤泥質(zhì)黏土、硬可塑黏土、軟可塑黏土、中密飽和粉土及粉砂等組成，地表以下為深厚第四系土層，其中表層多為第四系全新統(tǒng)淤泥質(zhì)黏土。本路基段的地層代號(hào)及巖性有：（1）1 Q4al+m黏土：褐黃色，硬可塑，（）；（2）1 Q4m淤泥

68、質(zhì)黏土：灰色，流塑，（）；（3）1 Q4m+al黏土：灰黃色夾灰綠色，硬可塑，（）；（3）11 Q4al+m粉土、粉砂：灰色，稍密，飽和，（）；（3）2 Q4m淤泥質(zhì)黏土、粉砂：灰色，稍密，飽和，（）；（4）1 Q3al+l黏土：灰綠色，硬可塑，（）；（4）1-1 Q3al+m粉土：灰色，中密，飽和，（）；（4）1-3 Q3al+m粉質(zhì)黏土：褐黃色,軟可塑，（）；（4）2 Q3m粉質(zhì)黏土：褐黃色,軟可塑，（）；（4）3-1 Q3al+l粉土、粉砂：灰色，中密，飽和，（）；（5）2 Q3m黏土：灰色，軟可塑，（）；（5）3-1 Q3al+l粉土、粉砂：灰色，中密，飽和，（）；（6）3-2 Q3l

69、h黏土：灰褐色，軟可塑，（）；（6）3-3 Q3al粉土、粉砂：灰綠色，中密，飽和，（）；（6）3-4 Q3al粉細(xì)砂：灰色，中密，飽和，（）。4.1.3水文氣象條件地表水主要為溝渠河塘。地下水為孔隙潛水，地下水埋深0.52.0m，水量豐富。根據(jù)臨近場(chǎng)地鉆孔所取水樣化驗(yàn)結(jié)果，地表水、地下水無(wú)化學(xué)侵蝕性，氯鹽環(huán)境作用等級(jí)為L(zhǎng)1。設(shè)計(jì)洪水位H100=2.59m。該區(qū)域地處北亞熱帶南緣，屬東亞季風(fēng)區(qū)，冬夏季風(fēng)交替，四季分明，氣溫適中，雨水豐沛，日照充足，具有春濕、夏熱、秋燥、冬冷的特點(diǎn)，因地處中緯度，夏令濕熱多雨的天氣比冬季干冷的天氣短得多。年平均氣溫15.9攝氏度。年平均降水量1168.6毫米。年

70、平均日照2017.0小時(shí)。4.1.4工程措施(1)地基表層處理路堤填筑施工前應(yīng)對(duì)地表排水、疏干、清基，房建拆遷地段應(yīng)挖除表面硬化地面，整平地面。(2)地基加固處理地基采用預(yù)應(yīng)力管樁+C30鋼筋混凝土筏板+筏板下設(shè)0.10m厚素混凝土加固，樁徑0.40m，樁長(zhǎng)2848.0m，按正方形布置。筏板地段采用C30鋼筋混凝土澆筑，筏板厚0.50m。筏板縱向節(jié)長(zhǎng)14.38m，筏板根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況截取及配筋；筏板與筏板，筏板與其它構(gòu)筑物之間設(shè)伸縮縫，縫內(nèi)填塞瀝青麻筋。筏板兩端管樁樁頂設(shè)6.6*1.6*0.35m樁帽加0.60m厚碎石墊層加二層土工格柵，樁長(zhǎng)19.030.0m，間距2.40m，正方形布置，管樁樁頂采用1.6m*1.6m*0.35m（厚）的樁帽，上面鋪兩層雙向土工格柵加0.6m厚的碎石墊層。土工格柵的抗拉強(qiáng)度不小于100KN/m。