复杂荷载条件下PCC桩-网复合地基的动力响应与变形机理研究

As the rapid process of high-speed railway construction in China, the settlement control of soft soil foundation becomes one of the key technologies for subgrade construction. Nowdays, the PCC pile supported reinforced embankment technology has been successfully applied to reinforce soft foundation of high-speed railway. However, the theoretical analysis is far behind the engineering application, especially the bearing capacity mechanism of PCC pile supported reinforced embankment under complex high-speed train loading is still unknown. In this project,. the load transfer mechanism will be obtained by large-scale mode tests. The dynamic behavior of PCC pile supported reinforced embankment under high-speed train loading will be obtained by field tests. The pile-soil coupling vibration characteristic, stiffened platform and tensioned membrane effect, soil arching effect will be studied, and the related theory will be established. The analytical solution of coupling vibration of PCC pile-soil around pile-soil plug-cushion-embankment system will be deduced by theoretical analysis. Test results are adopted to verify the analytical method. The transient and long-term vibration responses of PCC pile supported reinforced embankment will be studied. The mechanism of long-term consolidation deformation will be researched, and the long-term deformation analytical solution will be established. The achievements can provide scientific basis for design, construction and safety maintenance of high-speed railway.

我国高速铁路建设正飞速发展，软基沉降控制是高速铁路路基建造的关键技术之一。PCC桩-网复合地基技术已成功应用于高速铁路软土地基加固，但其理论研究远远落后于工程应用，尤其在高速列车复杂动荷载作用下的机理研究尚属空白。本课题通过大型模型试验，研究高速列车复杂荷载下PCC桩-网复合地基荷载传递机理，揭示桩-土耦合振动特性、垫层刚性承台效应或拉膜效应特性、土拱效应特性；结合依托工程进行高速列车荷载作用下PCC桩-网复合地基动力响应现场试验，得到现场动力响应规律；建立多点、多向、移动等复杂动荷载作用下PCC桩-土-垫层-路堤耦合振动的理论模型并求解得到理论解，与试验结果进行对比验证，计算分析PCC桩-网复合地基的瞬态振动响应；进行长期循环荷载作用下PCC桩-网复合地基动力响应的计算分析，揭示地基长期固结变形机理，建立地基长期变形计算方法。研究成果可为我国高速铁路建设设计施工和安全维护提供科学依据。

采用模型试验、现场试验、解析理论和数值模拟等研究方法对高速铁路PCC桩复合地基在复杂荷载条件下的动力响应和变形机理问题开展了系统研究。主要成果包括：自主研发了复杂荷载作用下桩基模型试验装置，开展了竖向和水平荷载共同作用下PCC桩承载特性模型试验和数值模拟研究，揭示了复杂荷载作用下PCC桩的荷载传递机理。开展了高速列车荷载作用下桩-网复合地基的大比尺模型试验，揭示复杂动荷载条件下桩-桩间土-桩芯土耦合振动特性、垫层效应，路堤土拱作用机理。依托连盐铁路软基加固工程，开展了PCC桩-网复合地基工作特性的现场试验研究，得到了连盐铁路PCC桩-网复合地基的沉降变形规律。基于经典的平面应变假定，将土体假设为若干个相互独立的薄层，对饱和土地基中现浇大直径管桩水平振动频域特性进行了理论研究。研究了粘弹性地基上褥垫层在受到高速列车荷载作用下的动态响应问题，得到了褥垫层动力响应的解析表达式。建立了复杂荷载作用下饱和土体与PCC桩的耦合振动理论。考虑桩-路基-桩耦合作用，建立了高速铁路PCC桩群桩振动理论。建立了桩-土-加筋垫层-路堤耦合振动三维有限元数值分析模型，揭示了高速铁路列车荷载作用下PCC桩-网复合地基动力响应特性和振动速度响应的传播衰减规律。开展了高速列车多点移动荷载下高速铁路路基动力响应研究，得到了列车实际运营条件下桩基-路堤-轨道结构的瞬态动力响应规律。考虑桩芯土内摩擦作用推导了管桩双桩相互作用因子，建立了大直径管桩群桩沉降的计算方法。开展了高速列车荷载长期作用下桩-网复合地基长期变形规律研究，建立了高速列车长期循环荷载作用下桩-网复合地基长期沉降变形预测公式。本项目研究成果为PCC桩等刚性桩复合地基技术在高速铁路路基加固中的应用提供了科学依据。