高速列车荷载作用下桩-筏复合地基动力承载特性及变形机理研究

Rapid development of high-speed railway has contributed to large construction of the railway network in China，more and more railway nets have been constructed all over the country. When the high-speed railway cross bad geological areas, for the reason of post-construction settlement controlling and economic consideration, the pile raft composite foundation technology has been used in Beijing-Tianjin, Wuhan-Guangzhou, Beijing-shanghai high speed railway. So far, most of researches focus on settlement and stability of pile raft composite foundation under subgrade load. However, the experimental, theoretical and numerical researches of dynamic interaction mechanism, bearing capacity and deformation mechanism are not very mature. So, for pile-raft composite foundation, reasonable definitions of dynamic coupling interaction, pile-soil load distribution, are the key research problems of dynamic interaction, load transfer mechanism and post-construction settlement mechanism under train load in high speed railway. In this project, by using of model test and numerical simulation, the vibration response law, dynamic bearing characteristics and deformation mechanism of pile-raft composite foundation under high-speed train load are revealed, and the reinforcement mechanism and effect are verified.

随着我国经济的快速发展，高速铁路网覆盖面越来越广，难免会穿越软土等不良地质地区，为了满足工后沉降控制和经济性要求，桩-筏复合地基技术在京津、武广、京沪等高速铁路被用来加固软土地基。目前，多数的研究集中在路堤荷载下桩-筏复合地基的沉降变形和稳定性问题方面，对于高速列车移动荷载作用下铁路轨道-道床-路堤-桩-筏复合地基动力相互作用、动力承载特性及变形机理等方面的试验、理论和数值研究相对较少。因此，合理确定轨道-道床-路堤-桩-筏复合地基动力耦合相互作用、桩土荷载分担等，成为研究高速铁路列车荷载下轨道-道床-路堤-桩-筏-土动力相互作用、动荷载传递机理和工后沉降变形机理的关键问题。本项目通过模型试验和数值模拟手段揭示桩-筏复合地基在高速列车荷载作用下的振动响应规律、动力承载特性以及变形机理，验证其加固机制和效果。

高速铁路软弱土地基在列车荷载下的工后沉降控制是亟需解决的技术问题，桩-筏复合地基具有承载力高等优点，且已在高速公路、铁路、市政路等软基处理工程中得到广泛应用，但铁路列车荷载下的桩-筏复合地基的动力承载特性、变形机理等尚缺乏深入的研究。依托本项目开展研究并获得了如下几点成果：.（1）依托大型模型槽，建立了轨道-路堤-桩-筏复合地基大比尺模型试验加载系统，开展短时和长期列车动力荷载加载试验研究，揭示了高速铁路桩-筏复合地基系统中振动速度、位移、动应力响应及分布衰减规律，建立了振动响应变化和衰减的经验拟合公式；揭示了长期列车振动荷载下桩-筏复合地基沉降变化规律。（2）建立了桩-筏复合地基动力加载数值计算模型，利用模型试验结果进行对比验证，揭示了桩-筏复合地基振动响应的分布与传播规律，验证了动力加载数值计算模型的可靠性和准确性。（3）建立了高速列车移动荷载下轨道-路基-桩-筏复合地基动力耦合三维有限元数值模型，利用程序编程二次开发出仿真列车移动荷载的加载模式，从时域和频域揭示了高速铁路轨道线下桩-筏复合地基的振动响应特性及变化规律。（4）基于模型试验、数值模拟结果的对比分析，提出了振动响应位移、速度、动应力分布及衰减经验公式，揭示了桩-筏复合地基振动传播机理和衰减规律，可进行高速铁路桩-筏复合地基振动响应预测；建立了列车荷载下软土桩-筏复合地基长期沉降变形预测公式，可进行桩-筏复合地基沉降预测。.研究成果将丰富和创新高速铁路软土地区高速铁路列车荷载作用下桩-筏复合地基动力承载特性、沉降变形机理以及预测理论，对指导高速铁路软弱土地基加固设计、施工以及工后沉降控制具有重要的理论应用价值和社会经济效益。.