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截至2017年底,我国高速铁路运营里程已突破2.5万公里;到2025年,将进一步扩大至3.8万公里。随着高速铁路运营里程的快速增长,保障高速铁路安全至关重要。在我国高速铁路网密集分布的东部沿海地区多分布有工程性质差的软土,目前大多采用桩网结构作为高速铁路工程中的软土地基加固方式,其抵抗水平向变形的能力弱于桩基础。随着城市的不断发展,既有穿城高速铁路周边的工程活动不可避免。工程活动会带来邻近加载,产生地基附加应力,使得桩网结构路基发生变形,进而危害列车运营安全。目前对于邻近加载引起桩网结构路基的水平向变形的影响规律及其影响因素的研究甚少。本文通过离心模型试验方法和图像化处理,对邻近加载工程对既有线桩网结构路基的水平影响展开研究,明确邻近加载对既有铁路桩网结构的造成的水平变形特性,阐述桩网结构体系内水平变形的变化规律与典型模式,分析桩网结构路基水平变形的影响因素及规律。主要研究内容和结论如下:
(1)根据相似理论与太沙基固结理论进行了试验设计与模型制作,针对邻近加载引起的桩网结构路基水平变形进行了10组离心模型试验,获取了不同邻近加载工况下桩网结构路基的变形情况。在邻近加载作用下,桩网结构路基整体产生背离加载向的水平变形;同一加载工况中,各排桩水平变形趋势一致,量值随邻近加载距离增大以及深度增大而减小,水平变形差异主要位于上中段桩体;前排桩基可有效阻拦邻近加载产生的水平土压力与位移在地基中的发展。
(2)对离心模型试验获得的结果进行数据提取与加载工况的影响因素分析,总结了桩网结构路基水平变形的影响因素及规律:在加载距离较近、加载量较大、加载宽度较宽时,桩网结构路基的水平变形量更大。路基桩体距离加载位置越近,加载工况的变量变化对其水平变形的影响越大,且桩体上部2/3更加显著。在邻近荷载由40kPa增加至120kPa的过程中,水平位移基本呈线性增加,而在邻近荷载由120kPa增加至160kPa的过程中,荷载超过地基极限承载力,加载处发生明显的剪切破坏,加载位置沉降骤然增大,进而使水平变形骤然增大。加载宽度对桩基水平变形的影响相对较小。
(3)选取一组工况,对桩网结构路基水平变形的典型模式及随时间变化的规律进行分析。在加载后的不同时间,同一水平位置上不同深度的水平变形趋势基本保持一致。可根据距加载位置距离的远近,将不同水平位置上的水平变形分布形式划分为“弓形”、“过渡型”和“悬臂梁形”。坡脚外2m土体呈较为明显的“弓形”分布形式,1#桩呈“过渡型”的水平变形分布形式,距离加载位置相对较远的2-5#桩,呈“悬臂梁形”的水平变形分布形式。加载处沉降在加载后前60天内发展较快,至加载后330天后时已基本完成。对比试验观测到的沉降数据与根据规范计算最终地基变形量,验证试验结果的可靠性。施加邻近加载后,可假定加载后750天时的水平变形即为邻近加载对既有路基产生的最终影响。邻近加载施加后,水平位移同样在加载后前30天发展较快,加载后150天-270天间为一逐渐增加的平缓期,加载360天后,即可认为邻近加载对桩网结构路基的影响即几乎完成。对比变形的发展趋势,还可发现相比较于加载位置中心处地表沉降发展趋势而言,桩顶处水平变形的发展趋势更为平缓。
(4)设计Matlab应用于离心试验结果图像的二次处理方法,将离心试验所得图像处理得到整体位移云图,呈现整个土体位移场的变化。根据所得的位移云图,可知在不同加载时间及不同加载工况条件下,桩土间相对位移均主要体现在桩网结构路基中距离加载位置最近的1#、2#桩,对于距离加载位置较远的后排桩,桩土间相对水平位移趋于不明显;在观测断面上,桩体与桩间土的水平位移存在连续一致性。随着土体深度的增加,同一深度下的水平位移减小,水平位移沿水平方向的变化趋于平缓,桩土间相对位移现象也趋于不显著。
(1)根据相似理论与太沙基固结理论进行了试验设计与模型制作,针对邻近加载引起的桩网结构路基水平变形进行了10组离心模型试验,获取了不同邻近加载工况下桩网结构路基的变形情况。在邻近加载作用下,桩网结构路基整体产生背离加载向的水平变形;同一加载工况中,各排桩水平变形趋势一致,量值随邻近加载距离增大以及深度增大而减小,水平变形差异主要位于上中段桩体;前排桩基可有效阻拦邻近加载产生的水平土压力与位移在地基中的发展。
(2)对离心模型试验获得的结果进行数据提取与加载工况的影响因素分析,总结了桩网结构路基水平变形的影响因素及规律:在加载距离较近、加载量较大、加载宽度较宽时,桩网结构路基的水平变形量更大。路基桩体距离加载位置越近,加载工况的变量变化对其水平变形的影响越大,且桩体上部2/3更加显著。在邻近荷载由40kPa增加至120kPa的过程中,水平位移基本呈线性增加,而在邻近荷载由120kPa增加至160kPa的过程中,荷载超过地基极限承载力,加载处发生明显的剪切破坏,加载位置沉降骤然增大,进而使水平变形骤然增大。加载宽度对桩基水平变形的影响相对较小。
(3)选取一组工况,对桩网结构路基水平变形的典型模式及随时间变化的规律进行分析。在加载后的不同时间,同一水平位置上不同深度的水平变形趋势基本保持一致。可根据距加载位置距离的远近,将不同水平位置上的水平变形分布形式划分为“弓形”、“过渡型”和“悬臂梁形”。坡脚外2m土体呈较为明显的“弓形”分布形式,1#桩呈“过渡型”的水平变形分布形式,距离加载位置相对较远的2-5#桩,呈“悬臂梁形”的水平变形分布形式。加载处沉降在加载后前60天内发展较快,至加载后330天后时已基本完成。对比试验观测到的沉降数据与根据规范计算最终地基变形量,验证试验结果的可靠性。施加邻近加载后,可假定加载后750天时的水平变形即为邻近加载对既有路基产生的最终影响。邻近加载施加后,水平位移同样在加载后前30天发展较快,加载后150天-270天间为一逐渐增加的平缓期,加载360天后,即可认为邻近加载对桩网结构路基的影响即几乎完成。对比变形的发展趋势,还可发现相比较于加载位置中心处地表沉降发展趋势而言,桩顶处水平变形的发展趋势更为平缓。
(4)设计Matlab应用于离心试验结果图像的二次处理方法,将离心试验所得图像处理得到整体位移云图,呈现整个土体位移场的变化。根据所得的位移云图,可知在不同加载时间及不同加载工况条件下,桩土间相对位移均主要体现在桩网结构路基中距离加载位置最近的1#、2#桩,对于距离加载位置较远的后排桩,桩土间相对水平位移趋于不明显;在观测断面上,桩体与桩间土的水平位移存在连续一致性。随着土体深度的增加,同一深度下的水平位移减小,水平位移沿水平方向的变化趋于平缓,桩土间相对位移现象也趋于不显著。