高速铁路XCC桩-板结构承载特性与变形机理研究

In the projects of high-speed railway in China, piled raft is one of the most important techniques for preventing settlement. Since the ultimate bearing capacity of XCC single pile is obviously increased compared with that of circular pile of the same cross-sectional area, it is significant and economic to study the bearing capacity and deformation mechanism of XCC piled raft. Based on the investigations, XCC piled raft can be used to control the settlement of high-speed railway. The following studies and corresponding methodologies are included: (1) the bearing capacity and long-term deformation mechanism of XCC piled raft subjected to static and dynamic loading conditions is revealed by centrifuge model texts; (2) the geometrical effects and factors of XCC piled raft are investigated by carrying out numerical simulations, providing references for design in loading conditions, configurations, soil properties and the ratio of length to pile radius; (3) coupled theoretical analysis is conducted on pile-raft-soil system subjected to high-speed train loads, considering the pile-raft-soil coupled vibration effect, the load sharing of pile and raft and the geometrical effects; (4) based on the centrifugal and theoretical analyses, the equations are derived to calculate the settlement of XCC piled raft dependent on X-shaped geometry.

我国高速铁路建设正飞速发展，桩-板结构沉降控制是高铁建设中的关键技术之一。由于XCC单桩极限承载力较等截面面积的圆形桩有明显提高，因此对经济高效的XCC桩-板结构承载变形机理进行研究，可为其应用于高铁路基沉降控制提供理论依据，具有重要工程意义和经济效益。本课题主要开展以下研究：通过开展XCC桩-板结构的离心机静、动载模型试验，揭示XCC桩-板结构在静、动荷载下的承载特性和长期沉降变形机理；开展XCC桩-板结构在不同荷载形式、结构形式、土层类型和长径比等因素下的数值模拟研究，揭示高速铁路XCC桩-板结构的异形效应和影响因素，为XCC桩-板结构的优化设计提供参考依据；进行高速列车荷载作用下桩-板-土耦合理论研究，即考虑桩-板-土耦合振动效应、桩-板荷载分担和异形效应等共同作用下XCC桩-板结构的振动响应理论；基于上述理论解和机理分析，建立考虑截面形状的XCC桩-板结构沉降变形计算方法。

我国高速铁路建设正飞速发展，桩-板结构沉降控制是高铁建设中的关键技术之一。由于XCC单桩极限承载力较等截面面积的圆形桩有明显提高，因此对经济高效的XCC桩-板结构承载变形机理进行研究，可为其应用于高铁路基沉降控制提供理论依据，具有重要工程意义和经济效益。本课题主要研究内容和关键结论如下：（1）利用香港科技大学（HKUST）土工离心机，开展竖向荷载下XCC 单桩和桩-板结构与等截面面积圆形单桩和桩-板结构离心机对比模型试验，得到了单桩和桩-板结构的荷载-沉降、桩-板荷载分担、桩身轴力、桩侧摩阻力分布等结果，揭示高速铁路XCC 桩-板结构的荷载传递机理和“异形效应”。利用有限元软件ABAQUS，建立三维有限元数值模型，进一步分析结构形式、土体特性和X形桩截面形状等因素的影响，揭示XCC 桩-板结构“异形效应”的内在机理；（2）开展堆载、堆载与轴向荷载共同作用下异形截面X形桩、方形状、H形桩、Y形桩和圆形桩的离心机模型试验，得到了桩顶沉降、桩-土相对位移、桩侧负摩阻力以及负摩阻力消散过程等结果。利用有限元软件ABAQUS，建立三维有限元数值模型，通过桩周应力和沉降分布得到“异形效应”对桩周负摩阻力的产生及消散过程的影响；（3）基于桩周土应力平衡分析，推导得到考虑异形效应和桩-土剪切效应的桩身荷载传递计算方法。基于XCC桩-板-土作用机理，推导出考虑X形截面形状的加固区和下卧层中附加应力场和位移场计算方法，得到高速铁路XCC桩-板结构工后沉降计算程序。