高速交通荷载下现浇X形桩复合地基桩-土动力相互作用机理研究

Post-construction settlement control of high-speed railway on the soft ground is one of technical problems need to be solved urgently. X-section cast-in situ pile composite foundation has been successfully used in highway and railway soft ground. However, the theoretical study is obviously behind engineering application. The pile-soil dynamic interaction mechanism of X-section cast-in situ pile under high-speed traffic load study is still blank. Base on high-speed railway embankment soft ground treatment project, the main task of this project is as follows: (1) Transparent soil model tests on soil structure disturbance and stress relaxation effect under pile driving are carried out. Then pile-soil creep load transfer calculation model can be established. (2) Large-scale model test and numerical analyses on dynamic coupling interaction of track, embankment, roadbed, and pile-geogrid composite foundation under high-speed traffic dynamic load are taken out. The coupled vibration equations of track, embankment, roadbed, and pile-geogrid composite foundation system are established, simultaneous, decoupling, and then try to find analytical solution. (3) Post-construction settlement prediction method is established, with considering soil structural disturbance and stress relaxation under dynamic load, soil arching effect, and coupled effect. The theory can be improved and innovation theories on pile-soil dynamic interaction mechanism, and post-construction settlement prediction method under high-speed traffic dynamic load. It also has important practical values and economic benefits for high-speed railway embankment on soft ground design and construction.

高速铁路软弱土地基工后沉降控制是一个急需解决的技术难题，现浇X形桩复合地基技术已成功应用于高速公路、铁路软基处理工程，但其理论研究明显落后于工程应用，尤其是高速交通荷载下现浇X形桩桩-土动力相互作用机理研究尚属空白。本项目拟依托高铁软基处理工程，开展现浇X形桩沉桩过程桩侧软弱土结构性扰动与应力松弛效应透明土模型试验，建立桩-土荷载传递蠕变计算模型；开展高速交通荷载下轨道-路床-路基-桩网复合地基动力耦合相互作用的大比尺模型试验和数值分析，建立列车-介质动力耦合的振动方程组，联立、解耦并编程求解；考虑动载下桩-软弱土的结构性扰动与应力松弛、土拱效应及介质耦合作用，建立路堤沉降计算方法与工后沉降预测方法。研究成果将丰富并创新高速交通荷载下现浇X形桩-网复合地基中桩-土动力相互作用机理与路堤工后沉降预测理论，对指导高速铁路软弱土地基处理工程设计、施工具有重要的实用价值和经济效益。

高速铁路软弱土地基工后沉降控制是一个急需解决的技术难题，现浇X形桩复合地基技术具有单位材料承载力高等优点，目前已成功应用于高速公路、铁路软基处理工程，但其理论研究明显落后于工程应用，尤其是高速交通荷载下现浇X形桩桩-土动力相互作用机理研究尚属空白。依托本项目开展并获得了如下几点研究成果：. （1）基于熔融石英砂与折射率一致的孔隙液体，成功制配了人工合成透明土材料，开展新型材料的岩土工程特性，并与天然土体进行对比分析，验证其实用性和可靠性；续而，研发了适用于现浇X形桩沉桩全过程模拟的透明土模型试验系统，为岩土工程可视化研究提供技术支撑。基于透明土模型试验系统，开展现浇X形桩沉桩过程桩侧软弱土结构性扰动与应力松弛效应等沉桩效应的系列试验研究，建立考虑沉桩挤土效应的X形桩竖向极限侧摩阻力计算方法，为制定国家行业标准《现浇X形桩复合地基技术规程》提供技术支撑。. （2）基于5m×4m×7m的大型模型试验槽，搭建循环动荷载下轨道-路床-路基-X形桩筏复合地基动力耦合相互作用的试验装置，揭示了振动速度与动土压力的大小分布特征及衰减变化规律；X形桩身轴力发挥的时间效应，建立了归一化桩身轴力与归一化荷载循环次数之间的对数函数经验模型；建立了归一化工后沉降与荷载循环次数之间的双曲线经验模型，并验证了该经验模型的可行性。. （3）建立了高速铁路列车移动荷载下轨道-路床-路基-X形桩网复合地基动力耦合相互作用的三维有限元数值模型，编写移动荷载程序并导入数值软件、调试网格形式以适应不同行车速率，形成高速铁路列车移动荷载下X形桩承式路堤动力响应特性的数值分析方法。揭示了高速铁路列车移动荷载下软土地基处治前后轨道-路床-路堤-软土地基系统的共振频率变化规律。建立了高速铁路列车移动荷载下桩-土动应力比的计算公式；该公式可以直观体现移动荷载下桩-土荷载分担规律。. 依托本项目研究，发表标注本项目基金号（51278170）学术论文38篇（其中SCI收录15篇、EI收录23篇），授权国家发明专利4项，软件著作权登记4项，培养博士研究生3名、硕士研究生3名。研究成果将丰富并创新高速交通荷载下现浇X形桩桩-土动力相互作用机理与路堤工后沉降预测理论，对指导高速铁路软弱土地基处理工程设计、施工具有重要的应用价值和社会经济效益。