高速铁路的跨越式发展对铁路路基工程提出了新的要求,路基的工后沉降控制已成为高速铁路施工和运营安全的重要保障。但一直以来,我国铁路工程路基设计主要采用容许应力法,随着以可靠度理论在岩土工程中的发展和应用,容许应力法已不能完全适应当前铁路路基设计和国际化需求。因此,以可靠度理论为基础,结合铁路路基工后沉降特点,开展高速铁路地基正常使用极限状态设计方法研究,是非常有必要的。本文以高速铁路桩网复合地基正常使用极限状态设计为研究主题,以武广高铁、沪宁城际高铁、京沪高铁中软土和松软土区的路基工程为研究对象,结合现场试验结果和长期观测数据,采用概率统计理论、现场原位试验、数值模拟、校准计算以及反演分析相结合的综合性研究方法,对高速铁路桩网复合地基沉降特征、应力-应变规律以及沉降确定性计算方法进行系统研究,并基于不同可靠度计算方法和随机场理论,建立了岩土参数自相关条件下的桩网复合地基正常使用极限状态方程。结合既有高速铁路路基典型案例和长期的沉降监测资料,提出了沉降偏差系数和目标可靠度建议值,并建立极限状态设计表达式和分项系数,为进一步研究高速铁路路基正常使用极限状态设计研究提供参考。主要研究内容和成果如下:1.归纳、对比分析桩网复合地基确定性计算方法,提出考虑蠕变效应的桩网复合地基工后沉降计算简化模型,比较分析各种计算方法的量化结果,探讨桩网复合地基的沉降特性、荷载分配及应力传递规律。分析结果表明,规范方法能够比较快速的求得施工过程中的总沉降,但是计算模型没有很好反映桩-土之间的作用机理,导致沉降的计算结果离散性大,难以满足高速铁路工后沉降毫米级别的要求;M-B联合求解计算方法,在桩端附近土体中附加应力明显增大,与规范计算结果差异较大,应力变化规律与刚性桩复合地基数值分析结果以及现场应力实测数据变化趋势较为吻合;文章对复合地基工后沉降计算方法和Koppejan蠕变模型进行深入分析,结合M-B联合求解的计算结果,提出考虑蠕变效应的桩网复合地基工后沉降计算简化模型,计算结果与施工过程中实测数据的变化规律基本吻合,相较前两种方法,Koppejian蠕变模型具有较大的优势,不但能够考虑施工过程中预压荷载、时间效应等因素,而且能够求出路基的工后沉降,便于与规范要求的路基容许沉降量进行比较分析。2.通过ABAQUS有限元软件对桩网复合地基进行模拟,分析施工过程中逐级加载-卸载过程中沉降、应力-应变以及孔隙水压力的变化特征和规律,验证路基各种确定性计算方法的准确性,为桩网复合地基正常使用极限状态可靠度分析提供基础计算依据。模拟结果表明:(1)沉降在填筑阶段变化较大,在预压阶段沉降持续增大,卸载后沉降有回弹,随后沉降变化趋于平缓,计算的工后沉降满足设计规范要求。(2)预压对于孔隙水压力的消散起到了很好的加速作用,其中,孔隙水压力在填筑阶段变化幅度较大,通过预压阶段后,孔隙水压力较填筑完成时减小了56%,在卸载后孔隙水压力有小部分回弹,然后逐渐减小并趋于稳定。(3)Abaqus的数值模的结果与基于Koppejian蠕变模型的路基沉降和应力变化规律基本吻合,表明Koppejian蠕变模型能够作为高速铁路路基沉降设计和可靠度分析的计算模型。3.系统介绍岩土工程可靠性分析的方法及相关理论;基于随机场理论,重点推导了考虑土层自相关性的正常使用极限状态可靠度计算公式,根据理论推导,采用JC法、考虑参数自相关的JC法、考虑自相关的随机响应面法,对桩网复合地基典型案例进行正常使用极限状态可靠度计算和正交分析,并对岩土参数的变异性进行敏感性分析。结果表明,相较于JC法求解,改进的随机响应面法综合考虑了多种情况的影响,使得结果更为稳定、可靠;相较于路堤摩擦角,复合路基次固结系数变异性对正常使用极限状态可靠度的影响更为敏感。4.在前人研究成果基础上,为消除量纲因素和模型不确定性的影响,文章提出沉降偏差系数γ_d(工后沉降控制标准值与工后沉降量计算值的比值),该系数可以大大减少因系统误差、土体参数空间变异性、统计误差以及与现场试验等不确定性,对铁路路基正常使用极限状态研究造成的不利影响,同时使得不同级别的铁路和不同容许沉降量控制条件下,复合地基的沉降计算值具有可比性。通过沉降偏差系数,能够更加直观反映铁路路基的设计水平和实际运行状况,文章对沉降偏差系数γ_d的分布规律、均值以及变异性等进行统计分析,并采用χ~2分布检验求出最佳沉降偏差系数建议值。5.以武广高铁、沪宁城际、京沪高铁三条线路的典型工点为研究对象,基于Koppejan蠕变模型算法理论和岩土参数空间变异性,通过校准计算,建立高速铁路桩网复合地基正常使用极限状态可靠度与沉降偏差系数之间的函数关系,利用最佳沉降偏差系数求得目标可靠度指标;通过正常使用极限状态方程,计算分项系数并进行分析、优化,建立极限状态设计表达式。计算结果表明:沉降偏差系数γ_d与可靠度β基本呈线性关系,当岩土土性参数呈正态分布时,铁路复合路基正常使用极限状态目标可靠指标建议值为2.2,极限状态设计表达式为:(?)6.可靠度计算方法和过程复杂,文章基于C#语言,遵循可扩展性、可集成性和可维护性特点,编制铁路桩网复合地基沉降及正常使用极限状态可靠度计算程序,并开发一款界面友好、操作简便以及可批量处理数据和图形的计算软件,为桩网复合地基沉降计算和可靠度研究提供了一种新的手段。