高速铁路软土地基桩网结构加固技术及加筋网垫计算方法_蔡德钩
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上部荷载
路基
路基
侧向力
加筋垫层
格栅
Eah,k FG,S
软土
桩
软弱地基
桩
软弱地基
桩
持力层
图 2 路基土拱效应
[9-12]
图3
加筋网垫索膜效应
图4
边坡推力效应
通过数值分析、现场填筑、现场动载和室内模拟试验对加筋网垫在桩网结构的作用机理进行的研究表 明 ，加筋网垫承担的静态竖向应力随持力层模量、软土层模量和置换率的增大而减小，随加筋体模量 的增大而增大。加筋网垫下方桩间土存在一定的应力；格栅初始松紧状态对土拱成拱效率有一定影响，初 始状态松，网垫上方应力略小，网垫下方应力略大。 桩网结构路基动应力传递与静态应力存在明显差异，动应力在路基土拱中基本按照均质体进行传递。 两桩帽间的加筋体拉力大于四桩形心桩间土拉力，位于桩帽之间并垂直于桩帽边的加筋体拉力大于平 行于桩帽边的拉力。对于两层加筋体的加筋网垫而言，下层加筋体承担土拱效应竖向应力引起的拉力大于 上层，上层加筋体承担由推力效应引起的拉力大于下层，下层承担的荷载是总荷载的1/2-2/3。 加筋网垫中加筋体的工作形状可近似为悬索形状，对于加筋体的最低强度取值，可取为在结构物使用 年限以内加筋体不发生拉伸破坏时的强度，其相应的失效应变以 10%为限。
图5
凤阳工点 A 区主断面沉降时程曲线 图 6
李窑工点 A 区主断面沉降时程曲线
3.2
京沪高铁李窑试验工点
试验工点位地形平坦，路堤填高为 6.8-7.2m。主要地层情况：黏土硬塑，厚 0-1.3m，σ0=120kPa；粉 质黏土，厚 1.4-2.4m，σ0=130kPa；粉土，厚 1.7-3.7m；粉砂，夹 10%-15%的粘土，15.0m 以下为中密， 厚 4.7m；σ0=90-110kPa；粉砂，密实，局部夹粉土薄层，其中 32.3-35.0m 为褐黄色，35.0m 以下为黄褐 色，含贝壳碎片，厚 9.5-13.9m，粉质粘土，厚 4.6m，σ0=140kPa。 桩网结构处理参数为，桩间距 1.7m，桩帽尺寸 1.0m，桩长 22.8m，CFG 桩，正方形布置，加筋网垫为 0.6m 碎石垫层+两层土工格栅。荷载沉降曲线如图 6 所示，从路基开始填筑至堆载预压完成共计 6 月，发 生的沉降量为 50.4mm，工后沉降满足小于 15mm 要求。
郑西 京沪
4
4.1
加筋网垫在桩网支承路基中的计算方法
加筋网垫承担的竖向应力
高速铁路无砟轨道条件下，对于土拱上的路基部分，假定上覆和交通荷载引起的应力为均匀分布。基 于球形拱假设，静态荷载引起桩顶平面桩间土的平均应力σz01。基于Boussinesq假设，由路基面动态应力 引起的桩间土应力为σz02，静态应力和动态应力计算简图如图7、图8所示。
( s a )( s a ) sa 2 ) 1 g ( 4a 4f '
2 2 2 式中：加筋体总挠度为 f ' 8c (8c 3l ) ； c 为加筋体存在初始挠度；a 为桩帽尺寸。
8
4.2.2
由边坡效应引起的拉力
பைடு நூலகம்
路基边坡水平方向主动土压力是由加筋体和地基共同承担，计算简图如图 4 所示，加筋体承担由边坡 推力效应引起的拉力为：
3.3
武广清远试验工点
试验工点路基高度为 4.73m。地层情况：2-10.7m，软土，压缩模量 ES0.1-0.2 为 1.9-3.5MPa，固结快剪 凝聚力 c 为 17.6-22.5kPa，摩擦角 φ 为 10.2°-15.6°；7.6-16.8m，卵石土，12.4-25.7m 为粉质黏土， 压缩模量 ES0.3-0.4 为 7.6-23.2MPa，固结快剪凝聚力 c 为 23.0-32.3kPa，摩擦角 φ 为 16.3-27.4°。 桩网结构处理参数为，桩为钢筋混凝土桩(标号 C25)，桩长 23-27m，桩径 0.5m，桩间距 2.5m，桩顶 上现场浇筑截面尺寸 1.5m×1.5m 的桩帽(标号 C30)， 桩帽上方铺设 0.6m 厚度砂砾层， 中间夹铺 2 层 80kN/m 的双向土工格栅。原地面总沉降为 53.7mm，路基填筑完成 6 个月，工后沉降满足 15mm 要求。
高速铁路软土地基桩网结构加固技术及加筋网垫计算方法
蔡德钩 1,2，叶阳升5,2，闫宏业 1,2，张千里 1,2，何华武 3
(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京市 100081；2.中国铁道科学研究院高速铁路轨道 技术国家重点实验室，北京市 100081；3.中国铁道部，北京市 100844）
3.3 高速铁路软土地基桩网结构加固的应用
我国大量高速铁路软土地基加固采用了桩网结构（表 1） ，取得了较好的工后沉降控制效果。
3
表1
客运专线 遂渝 京津 武广
部分客运专线（高速铁路）软土地基处理
桩 钢筋混凝土桩 CFG 桩 CFG 桩 CFG 桩 钢筋混凝土桩 水泥土挤密桩 CFG 桩 DDC 桩 CFG 桩 桩径/m 0.6 0.5 0.4 0.5 0.6 0.4 0.4 0.45 0.4-0.5 桩间距/m 2.0 1.2-1.5 1.2、1.5 1.0-1.5 2.0 0.8-0.9 1.2-1.5 0.8-1.2 1.7-2.0 桩帽/m 1.2 无 无 无 1.2 无 无 无 1.0-1.1
作者简介：蔡德钩，男，博士，副研究员，从事铁路岩土工程相关的地基沉降变形控制、基床结构动力学等方面的研究； E-mail：caidegoul@163.com。 1
差较大 ，随着我国高速铁路、高速公路等工程的建设，桩网结构加固技术有了长足的发展
加筋体 路堤 加筋网垫
[5]
[6-8]
。
桩帽
桩
软土层
下卧层 坚实基岩
CAI Degou1,2, YE Yangsheng1,2, YAN Hongye1,2, ZHANG Qianli1,2, HE Huawu3
(1. Railway Construction Institute of China Academy of Railway Sciences, Beijing, 100081, China; 2. State Key Laboratory for High-Speed Railway Track System Test of China Academy of Railway Sciences, Beijing, 100081, China; 3. Railways Ministry of China, Beijing, 100844, China)
摘要：桩网结构加固高速铁路软土地基具有整体性较好、工后沉降小、施工期短、成本相对较低等特点。总结分
析国内外桩网结构应用基础上，通过室内外场试验和理论分析，系统研究了桩网结构加固软土地基的机理、加固 试验效果及在我国高速铁路的应用，并提出了动静荷载作用下桩网结构中加筋网垫的计算方法。
关键词：道路工程；高速铁路；软土地基；桩网结构；加筋网垫
ps
σzs σz01
桩 软基
h
o c f f '=f+c y l=s-a s
图8 动态应力分布计算简图 图9
x
a
s
d
图7
静态应力分布计算简图
z
格栅受力变形计算简图
4.2
4.2.1
加筋体拉力计算方法
由竖向应力引起的拉力
基于悬索理论，计算简图如图 9 所示，由土拱效应竖向应力引起的加筋体拉力为：
FG , M Tmax
2
3
高速铁路软土地基桩网结构加固试验及应用
3.1 京沪高铁凤阳试验工点
试验工点地貌属淮河二级阶地，地形平坦，地表水系较发育，路堤填土高 4.2-4.8m。地层主要分布如 下： （1） -1： 黏土， 软～硬塑， 厚 5.4-7.6m， σ0=160kPa； （1） -2： 黏土， 硬塑, 含铁锰质结核， σ0=200kPa； （2）-1 全风化角闪岩(Pt1z)，岩心呈土状，砾砂状，σ0=250kPa。 （2）-2 强风化角闪岩(Pt1z)，岩心呈 碎石状，局部岩心呈短柱状，σ0=500kPa； （2）-3 弱风化角闪岩(Pt1z)，岩心呈柱状，节理裂隙较发育。 桩网结构处理参数为，桩间距 1.8-2.0m，桩帽尺寸 1.0-1.1m，桩长 10-16m，CFG 桩，正方形布置， 加筋网垫为 0.6m 碎石垫层+一层土工格栅。典型荷载沉降曲线如图 5 所示，从开始路基填筑至堆载预压共 计 6.5 个月，发生的最大总沉降分别为 16.2-23.6mm，工后沉降小于 5mm。
图1
桩网结构示意
2
软土地基桩网结构加固机理研究
路堤荷载作用在桩网结构路基上，因桩与桩间土的模量相差较大，桩土之间存在一定的不均匀沉降， 必将在桩之间加筋网垫上部的路堤土体形成“土拱效应”，使作用在网垫上的平均应力小于作用在桩帽上 的平均应力，出现应力集中和重分配，加筋网垫的“索/膜效应”使桩将承担更大荷载，桩间土承担小部 分荷载。路基边坡处的侧向推力通过加筋网垫和桩间土传递，为防止桩和桩间土过大水平位移，加筋网垫 受到由边坡推力效应引起的拉力。大部分路基荷载由桩传至桩端下卧层处，大大提高了路基荷载传递至下 卧层的效率，从而实现减小软基总沉降和工后沉降的目的。桩网结构的关键问题除了桩土相互作用外，还 有路基土拱效应、加筋网垫索膜效应、路基边坡推力效应及下卧层荷载变形等问题，如图 2、图 3、图 4 所示。
1
概述
我国地域辽阔，软土分布十分广泛。在软土地基上修建铁路或公路易出现路堤填筑期间失稳破坏、工 后产生过大的沉降等问题。桩网结构（GRPS）是在刚性桩或半刚性桩上铺设由土工合成材料和碎石（或砂 砾）组成加筋网垫形成的桩网支承路基结构，是采用竖向增强体+水平向增强体的方式(图 1)。桩网结构加 固软土地基具有整体性较好、工后沉降小、施工期短、成本相对较低等特点。桩网结构工程实践应用始于 [1-4] 上个世纪八十年代，日本、英国、德国和北欧等九十年代开始提出设计方法 ，但假设条件和计算结果相
250 荷载(kPa) 200 150 100 50 0 02-28 -10 位移(mm) -20 -30 -40 -50 -60 A1-YJ-1坡脚桩顶 A1-YJ-2坡脚桩间土 03-29 04-28 05-28 06-27 07-27 08-26 09-25 10-25
Yh=217.8kPa Yh=226.7Kpa
Study on Strengthening Technology of Pile-Net Structure for Soft Soil Foundation of High-Speed Railway and Calculation Method of Reinforced Network Cushion
Abstract: It has such advantages as good integrality, little settlement after completion, short construction period, and low cost to strengthen soft soil foundation of high speed railway by Pile-Net structure. This research based on analyzing application example at home and abroad, the indoor and field test was carried out to study the theory, key technology and application of strengthening soft soil foundation by Pile-Net structure. This study also put forward calculation method of reinforced network cushion under the dynamic and static load, providing reference for relevance standard. Keywords: road engineering, high speed railway, soft soil foundation, pile-net structure, reinforced network cushion
路基
路基
侧向力
加筋垫层
格栅
Eah,k FG,S
软土
桩
软弱地基
桩
软弱地基
桩
持力层
图 2 路基土拱效应
[9-12]
图3
加筋网垫索膜效应
图4
边坡推力效应
通过数值分析、现场填筑、现场动载和室内模拟试验对加筋网垫在桩网结构的作用机理进行的研究表 明 ，加筋网垫承担的静态竖向应力随持力层模量、软土层模量和置换率的增大而减小，随加筋体模量 的增大而增大。加筋网垫下方桩间土存在一定的应力；格栅初始松紧状态对土拱成拱效率有一定影响，初 始状态松，网垫上方应力略小，网垫下方应力略大。 桩网结构路基动应力传递与静态应力存在明显差异，动应力在路基土拱中基本按照均质体进行传递。 两桩帽间的加筋体拉力大于四桩形心桩间土拉力，位于桩帽之间并垂直于桩帽边的加筋体拉力大于平 行于桩帽边的拉力。对于两层加筋体的加筋网垫而言，下层加筋体承担土拱效应竖向应力引起的拉力大于 上层，上层加筋体承担由推力效应引起的拉力大于下层，下层承担的荷载是总荷载的1/2-2/3。 加筋网垫中加筋体的工作形状可近似为悬索形状，对于加筋体的最低强度取值，可取为在结构物使用 年限以内加筋体不发生拉伸破坏时的强度，其相应的失效应变以 10%为限。
图5
凤阳工点 A 区主断面沉降时程曲线 图 6
李窑工点 A 区主断面沉降时程曲线
3.2
京沪高铁李窑试验工点
试验工点位地形平坦，路堤填高为 6.8-7.2m。主要地层情况：黏土硬塑，厚 0-1.3m，σ0=120kPa；粉 质黏土，厚 1.4-2.4m，σ0=130kPa；粉土，厚 1.7-3.7m；粉砂，夹 10%-15%的粘土，15.0m 以下为中密， 厚 4.7m；σ0=90-110kPa；粉砂，密实，局部夹粉土薄层，其中 32.3-35.0m 为褐黄色，35.0m 以下为黄褐 色，含贝壳碎片，厚 9.5-13.9m，粉质粘土，厚 4.6m，σ0=140kPa。 桩网结构处理参数为，桩间距 1.7m，桩帽尺寸 1.0m，桩长 22.8m，CFG 桩，正方形布置，加筋网垫为 0.6m 碎石垫层+两层土工格栅。荷载沉降曲线如图 6 所示，从路基开始填筑至堆载预压完成共计 6 月，发 生的沉降量为 50.4mm，工后沉降满足小于 15mm 要求。
郑西 京沪
4
4.1
加筋网垫在桩网支承路基中的计算方法
加筋网垫承担的竖向应力
高速铁路无砟轨道条件下，对于土拱上的路基部分，假定上覆和交通荷载引起的应力为均匀分布。基 于球形拱假设，静态荷载引起桩顶平面桩间土的平均应力σz01。基于Boussinesq假设，由路基面动态应力 引起的桩间土应力为σz02，静态应力和动态应力计算简图如图7、图8所示。
( s a )( s a ) sa 2 ) 1 g ( 4a 4f '
2 2 2 式中：加筋体总挠度为 f ' 8c (8c 3l ) ； c 为加筋体存在初始挠度；a 为桩帽尺寸。
8
4.2.2
由边坡效应引起的拉力
பைடு நூலகம்
路基边坡水平方向主动土压力是由加筋体和地基共同承担，计算简图如图 4 所示，加筋体承担由边坡 推力效应引起的拉力为：
3.3
武广清远试验工点
试验工点路基高度为 4.73m。地层情况：2-10.7m，软土，压缩模量 ES0.1-0.2 为 1.9-3.5MPa，固结快剪 凝聚力 c 为 17.6-22.5kPa，摩擦角 φ 为 10.2°-15.6°；7.6-16.8m，卵石土，12.4-25.7m 为粉质黏土， 压缩模量 ES0.3-0.4 为 7.6-23.2MPa，固结快剪凝聚力 c 为 23.0-32.3kPa，摩擦角 φ 为 16.3-27.4°。 桩网结构处理参数为，桩为钢筋混凝土桩(标号 C25)，桩长 23-27m，桩径 0.5m，桩间距 2.5m，桩顶 上现场浇筑截面尺寸 1.5m×1.5m 的桩帽(标号 C30)， 桩帽上方铺设 0.6m 厚度砂砾层， 中间夹铺 2 层 80kN/m 的双向土工格栅。原地面总沉降为 53.7mm，路基填筑完成 6 个月，工后沉降满足 15mm 要求。
高速铁路软土地基桩网结构加固技术及加筋网垫计算方法
蔡德钩 1,2，叶阳升5,2，闫宏业 1,2，张千里 1,2，何华武 3
(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京市 100081；2.中国铁道科学研究院高速铁路轨道 技术国家重点实验室，北京市 100081；3.中国铁道部，北京市 100844）
3.3 高速铁路软土地基桩网结构加固的应用
我国大量高速铁路软土地基加固采用了桩网结构（表 1） ，取得了较好的工后沉降控制效果。
3
表1
客运专线 遂渝 京津 武广
部分客运专线（高速铁路）软土地基处理
桩 钢筋混凝土桩 CFG 桩 CFG 桩 CFG 桩 钢筋混凝土桩 水泥土挤密桩 CFG 桩 DDC 桩 CFG 桩 桩径/m 0.6 0.5 0.4 0.5 0.6 0.4 0.4 0.45 0.4-0.5 桩间距/m 2.0 1.2-1.5 1.2、1.5 1.0-1.5 2.0 0.8-0.9 1.2-1.5 0.8-1.2 1.7-2.0 桩帽/m 1.2 无 无 无 1.2 无 无 无 1.0-1.1
作者简介：蔡德钩，男，博士，副研究员，从事铁路岩土工程相关的地基沉降变形控制、基床结构动力学等方面的研究； E-mail：caidegoul@163.com。 1
差较大 ，随着我国高速铁路、高速公路等工程的建设，桩网结构加固技术有了长足的发展
加筋体 路堤 加筋网垫
[5]
[6-8]
。
桩帽
桩
软土层
下卧层 坚实基岩
CAI Degou1,2, YE Yangsheng1,2, YAN Hongye1,2, ZHANG Qianli1,2, HE Huawu3
(1. Railway Construction Institute of China Academy of Railway Sciences, Beijing, 100081, China; 2. State Key Laboratory for High-Speed Railway Track System Test of China Academy of Railway Sciences, Beijing, 100081, China; 3. Railways Ministry of China, Beijing, 100844, China)
摘要：桩网结构加固高速铁路软土地基具有整体性较好、工后沉降小、施工期短、成本相对较低等特点。总结分
析国内外桩网结构应用基础上，通过室内外场试验和理论分析，系统研究了桩网结构加固软土地基的机理、加固 试验效果及在我国高速铁路的应用，并提出了动静荷载作用下桩网结构中加筋网垫的计算方法。
关键词：道路工程；高速铁路；软土地基；桩网结构；加筋网垫
ps
σzs σz01
桩 软基
h
o c f f '=f+c y l=s-a s
图8 动态应力分布计算简图 图9
x
a
s
d
图7
静态应力分布计算简图
z
格栅受力变形计算简图
4.2
4.2.1
加筋体拉力计算方法
由竖向应力引起的拉力
基于悬索理论，计算简图如图 9 所示，由土拱效应竖向应力引起的加筋体拉力为：
FG , M Tmax
2
3
高速铁路软土地基桩网结构加固试验及应用
3.1 京沪高铁凤阳试验工点
试验工点地貌属淮河二级阶地，地形平坦，地表水系较发育，路堤填土高 4.2-4.8m。地层主要分布如 下： （1） -1： 黏土， 软～硬塑， 厚 5.4-7.6m， σ0=160kPa； （1） -2： 黏土， 硬塑, 含铁锰质结核， σ0=200kPa； （2）-1 全风化角闪岩(Pt1z)，岩心呈土状，砾砂状，σ0=250kPa。 （2）-2 强风化角闪岩(Pt1z)，岩心呈 碎石状，局部岩心呈短柱状，σ0=500kPa； （2）-3 弱风化角闪岩(Pt1z)，岩心呈柱状，节理裂隙较发育。 桩网结构处理参数为，桩间距 1.8-2.0m，桩帽尺寸 1.0-1.1m，桩长 10-16m，CFG 桩，正方形布置， 加筋网垫为 0.6m 碎石垫层+一层土工格栅。典型荷载沉降曲线如图 5 所示，从开始路基填筑至堆载预压共 计 6.5 个月，发生的最大总沉降分别为 16.2-23.6mm，工后沉降小于 5mm。
图1
桩网结构示意
2
软土地基桩网结构加固机理研究
路堤荷载作用在桩网结构路基上，因桩与桩间土的模量相差较大，桩土之间存在一定的不均匀沉降， 必将在桩之间加筋网垫上部的路堤土体形成“土拱效应”，使作用在网垫上的平均应力小于作用在桩帽上 的平均应力，出现应力集中和重分配，加筋网垫的“索/膜效应”使桩将承担更大荷载，桩间土承担小部 分荷载。路基边坡处的侧向推力通过加筋网垫和桩间土传递，为防止桩和桩间土过大水平位移，加筋网垫 受到由边坡推力效应引起的拉力。大部分路基荷载由桩传至桩端下卧层处，大大提高了路基荷载传递至下 卧层的效率，从而实现减小软基总沉降和工后沉降的目的。桩网结构的关键问题除了桩土相互作用外，还 有路基土拱效应、加筋网垫索膜效应、路基边坡推力效应及下卧层荷载变形等问题，如图 2、图 3、图 4 所示。
1
概述
我国地域辽阔，软土分布十分广泛。在软土地基上修建铁路或公路易出现路堤填筑期间失稳破坏、工 后产生过大的沉降等问题。桩网结构（GRPS）是在刚性桩或半刚性桩上铺设由土工合成材料和碎石（或砂 砾）组成加筋网垫形成的桩网支承路基结构，是采用竖向增强体+水平向增强体的方式(图 1)。桩网结构加 固软土地基具有整体性较好、工后沉降小、施工期短、成本相对较低等特点。桩网结构工程实践应用始于 [1-4] 上个世纪八十年代，日本、英国、德国和北欧等九十年代开始提出设计方法 ，但假设条件和计算结果相
250 荷载(kPa) 200 150 100 50 0 02-28 -10 位移(mm) -20 -30 -40 -50 -60 A1-YJ-1坡脚桩顶 A1-YJ-2坡脚桩间土 03-29 04-28 05-28 06-27 07-27 08-26 09-25 10-25
Yh=217.8kPa Yh=226.7Kpa
Study on Strengthening Technology of Pile-Net Structure for Soft Soil Foundation of High-Speed Railway and Calculation Method of Reinforced Network Cushion
Abstract: It has such advantages as good integrality, little settlement after completion, short construction period, and low cost to strengthen soft soil foundation of high speed railway by Pile-Net structure. This research based on analyzing application example at home and abroad, the indoor and field test was carried out to study the theory, key technology and application of strengthening soft soil foundation by Pile-Net structure. This study also put forward calculation method of reinforced network cushion under the dynamic and static load, providing reference for relevance standard. Keywords: road engineering, high speed railway, soft soil foundation, pile-net structure, reinforced network cushion