本文是一篇土木工程论文，本文依托银西铁路甘宁段路基处理项目，针对银西铁路甘宁段穿越湿陷性黄土区域，结合现场水泥改良土试验和桩体试验，然后建立 CFG 长桩+水泥土挤密桩短桩复合地基有限元模型进行静力分析，对其复合地基处理效果和水泥掺量不同引起的路堤填土性质、桩体性质对复合地基受力和沉降特性进行参数分析，最后对列车轨道力进行简化并建立有限元动力模型分析列车荷载作用下复合地基的动力响应。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景和意义
在世界范围内黄土分布非常广泛，约占全球陆地面积的 9.3%，在我国，西部地区是黄土主要的分布区域，其中陇东南地区又十分特殊，高阶地黄土厚度达到50~100m，湿陷性较为敏感。湿陷性黄土是第四纪沉积物，天然湿度下，压缩性较低，受水浸湿后极易发生湿陷，土体结构迅速遭到破坏，对分布范围内的工程建设的影响非常严重，如高速铁路路堤在荷载作用下产生不均匀沉降和沉降过大。为解决这一问题，需要根据地质情况的不同、建筑物的承载条件以及各种处理方案的成本比对，选择既满足低成本，又满足要求的处理方法。
《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）提出了我国对湿陷性黄土的评价方法，并规定了湿陷性评价指标：查明了在一定压力下浸水湿陷性情况，在湿陷性黄土上覆土受重力作用的浸水湿陷性情况，对场地的湿陷性进行划分，判定地基的湿陷性等级。随着国家基础设施建设的全面发展，铁路运输任务日益繁重，对地基工后沉降产生更高的要求。《铁路路基设计规范》（TB10001-2016）于 2017 年 4 月 1 日开始正式实施，该规范充分总结了近年来我国铁路的路基建设、科研成果和运营实践经验，对铁路路基设计技术标准进行了统一，对铁路路基结构上承受荷载的种类、要求及形式进行了确定，完善了铁路工程的建设标准体系，是铁路工程建设的重要技术标准。
作为高速铁路网中“包海通道”重要组成部分的银-西高速铁路，纵贯陕、甘、宁三省区。起自西安北客站，向西北进入甘肃境内，经宁县、西峰、庆城、环县后进入宁夏回族自治区，沿 G211 前行经吴忠市跨越黄河，穿灵武市引入银川枢纽，正线长度 618km，全线运行时间缩减至 3 小时以内。当基础底部或底部局部存在软弱土层，达不到承载要求时,可以用长短桩技术对该区域土层进行加固,以起到提高复合地基承载力和减小基础不均匀沉降的作用，采用长短桩方式处理地基既可以减少工程量,又可以加决施工进度,同时也可以降低工程成本。并且黄土的工程性质不良，如果直接用黄土填筑路基，会产生严重的路基病害，使其难以达满足高速铁路的设计要求。因此，如果在黄土地区修建铁路，首先要对填料进行改良。为了达到工程建筑要求，改善土的工程地质性质也可发挥极大的作用。土的透水性、抗破坏性和可压缩性与工程建筑物的稳定性有直接的关系，而这些性质则与土的结构特点和物质成分密切相关，土质改良实质上是通过改变土的成分和结构，达到改善性质的目的，目前路基改良土已成为高铁路基设计中的重要内容。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 湿陷性黄土的研究现状
近年来随着我国建筑事业和交通运输业的蓬勃发展，在该领域的研究也逐渐成熟，为满足广大西部地区人民的交通需求，许多高等级公路及铁路难以避免的建在湿陷性黄土地区，对建筑业提出了严峻的挑战。湿陷性黄土在一定条件下会产生较大的湿陷变形，导致结构的安全性下降，给道路和铁路带来巨大的危害。因此，土木工程学者们为降低湿陷性带来的各种危害，做出了相应的研究。
黄土是一个复杂而庞大的地质系统，关于黄土成因的研究，已有百余年的历史，黄土的突出特性是湿陷变形，由于该变形具有非连续性、突变性和不可逆性，因此对工程产生严重的危害，这也是作为湿陷性黄土地区许多工程建设的非常关键技术问题，该问题吸引了大量的专家进行研究，获得的成果也比较多，主要围绕黄土的湿陷机理进行分析。关于黄土的湿陷机理，有两大类假说：一类是加固凝聚力降低或消失的假说，其理论基础是在水膜楔入作用和胶结物溶解作用下，黏土颗粒加固凝聚力破坏，并导致结构产生破坏；二是黏土颗粒膨胀和土粒间抗剪强度突然降低的假说，它指出粘土颗粒表面吸水过多导致黏土体积发生膨胀，使颗粒间骨架分开，结构强度破坏，进而产生湿陷。两种假说从不同角度说明了黄土产生湿陷的原因，即外界适当的条件和黄土内部固有的特殊因素的共同作用的结果。内部因素主要指黄土的特殊组成及特殊粒状架空结构，外界条件是指力和水的作用。
Terzaghi[1]早在 1942 年就提出了毛细管压力降低学说，此学说认为砂土颗粒完全没入水中时，其表面张力消失的主要原因是砂土馈散。砂土颗粒之间存在孔隙水，尽管孔隙水在地下，但是也会接触到空气，在孔隙水和空气交界处会形成颗粒之间相互连接的表面张力，外力作用下二者相互脱离，导致表面张力消失；穆斯塔伐耶夫[2]对湿陷机理进行了深入研究，并通过总结得出了动水压力学说，认为动水压力也是湿陷性机理研究中不可忽略的部分。潜烛湿陷属于湿陷的一种，湿陷过程是因为土颗粒之间含有流动水，会产生变形，使其产生附加的压密效果。一般黄土湿陷变形是外荷载作用下的压密变形和湿陷变形；王家鼎[3]提出脉动液化理论和剪切力的概念，剪切力的存在会使土颗粒之间产生相对位移和变形；雷样义[4]通过研究提出了水膜楔入学说，该学说认为当黄土处于低含水量时，离子之间通过相互吸引作用，会在土体颗粒表面上产生一层结合水膜，并且该水膜具有一定的强度，其根本原因是在上面凝聚的阴阳离子。湿陷性黄土遇水会增加结合水膜的厚度，增大了土颗粒的体积，导致两者之间引力减小，使凝聚强度降低，土的结构被破坏造成土体湿陷，并且黄土膨胀性试验也能证明水膜楔入的存在性；汤连生等[5]通过试验分析提出了黄土湿陷性微结构不平衡吸力成因理论，该理论指出水的楔入作用并不是一成不变的，而是在结构吸力丧失和吸力产生之间动态变化，是处于微结构动力重建和阻力重建之间的动态平衡过程，微结构在动力重建过程中土体微结构被改造；赵景波[6]认为不同类型的湿陷性黄土其孔隙组合也是不同的，架空孔隙能够引起极强湿陷性和强湿陷性，而弱湿陷和中等湿陷主要是因为支架孔隙造成；周琦等[7]的研究表明，水泥固化土经过 2～3 次冻融循环后，强度发生突降.
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第 2 章 柔性荷载下长短桩复合地基的基本理论
2.1 概述
柔性荷载是一种柔性加载方式，指复合地基中桩帽与桩间土所承受的荷载随上部荷载增加发生协调变化。形成柔性荷载需要以下的几个条件：（1）桩顶上部荷载持续增加，本文即为路堤填筑过程中其自重作用；（2）地基经过人工处理，且需要有桩、土共同作用形成整体；（3）具备柔性加载的媒介，即当上部荷载传递至该媒介时，应力会按一定的变化规律分配到桩与桩间土，使复合地基受力呈现协调性变化。长短桩作为本文研究的地基处理技术，为进一步对柔性荷载下长短桩复合地基作用理论进行研究，本章将详细介绍长短桩复合地基的加固机理、受力特性和沉降特性。
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2.2 长短桩复合地基的加固机理
复合地基常采用两种加固机理，挤密加固和置换加固。其中置换加固机理指采用受力性能高、大刚度的竖向增强体来将地基中一部分软弱土置换出去，这样使加固后的地基土承担较少的上部荷载。与之对应的挤密加固则是通过加入竖向增强体增加桩间土中的机密效应以提高复合地基的承载力。
目前常用的复合地基中，竖向增强体一般采用桩体，不同形式的桩体能够以不同方式提升地基的承载能力，使地基抵抗变形的能力得到大幅度提升。因桩体的强度和模量相对土体较大，大部分荷载由桩体承受，增大了桩土应力比。将外部荷载传递到深层土的作用由复合地基中的桩体起到，以此减少桩间土上的荷载，进一步降低地基的沉降量。刚性桩对地基承载力的提升能力更加明显。
经过研究人员对复合地基的不断研究，复合地基的相关理论得到逐步完善，在实际工程中，一般采用两种不同形式的桩组合而成的基桩以减少地基的沉降值。
1.长桩
长短桩复合地基中，为使刚性长桩与柔性短桩的变形的协调，一般持力层采用中、低压缩性土层，将上层荷载传递到深基础发挥长桩主要作用，以减少浅层压缩的应力和应变，并且和短桩协同减小浅层软弱土的隆起现象。如图 2.1 所示，在加固区 A，桩间产生“扶持”和“遮挡”效应，土与桩的沉降同步。而在加固区 B，长桩刺入下卧层时会有部分沉降，这就使得两者的沉降量产生差异性。
因桩体刚度较大，当有荷载作用到长短桩复合地基上时，会集中在基桩上，使桩体产生一定的沉降，在桩身产生的反向摩擦力会将一部分荷载传向桩间土。桩体的轴力随地基的深度的增大而减小，在桩端持力层，桩体受力会达到相对平衡。在这个过程中，长桩将上部荷载传递到深层土中，使得软弱土层的变形明显减小，对地基的沉降也起到不可忽略的影响。
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第 3 章 银西铁路甘宁段地基处理试验 ................................... 18
3.1 概述 ............................................. 18
3.2 工程概况 .......................................... 19
3.3 水泥改良土室内试验 .............................. 19
第 4 章 柔性荷载下长短桩复合地基性状的静力分析 ....................... 41
4.1 概述 ....................................... 41
4.2 甘宁段长短桩复合地基静力有限元模型 ...................... 41
第 5 章 柔性荷载下长短桩复合地基的动力响应 ........................... 61
5.1 概述 ........................................ 61
5.2 列车荷载作用的基本理论和动力有限元模型 ....................................... 61
第5章 柔性荷载下长短桩复合地基的动力响应
5.1 概述
铁路运营期，列车行驶的稳定性会直接影响线路运营同时对客运人员带来不同的体验，因为当列车行驶时，路基除了受到静力作用外列车行驶产生的动荷载也会向下传递，这一过程会使地基振动速度加大[107]，相应的变形也会增加，因此分析列车荷载作用下复合地基的动力响应具有重要意义。
本章针对列车荷载作用基本理论基于有限元软件建立动力有限元模型，对银西铁路甘宁段 CFG 长桩+水泥土挤密桩短桩复合地基进行动力响应分析，分析在列车荷载作用下长短桩复合地基的沉降和受力特性。
列车荷载由于列车行驶的动态性使得其与填土、轨道板等荷载明显不同[107]，它由几种荷载形式组合而成，具有冲击性、循环性等特征，是一种特殊的动力荷载。具体表现形式为：列车通过时，车轮与铁轨接触处作用力瞬时增大，具有明显冲击性；同时列车由多节相似车厢组成，因此整个列车通过过程具有往复性和不一致性.
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结论与展望
结论
银西铁路位于西部地区，作为连接银川-西安的高速铁路线路对我国高速铁路建设具有重大意义，本文依托银西铁路甘宁段路基处理项目，针对银西铁路甘宁段穿越湿陷性黄土区域，结合现场水泥改良土试验和桩体试验，然后建立 CFG 长桩+水泥土挤密桩短桩复合地基有限元模型进行静力分析，对其复合地基处理效果和水泥掺量不同引起的路堤填土性质、桩体性质对复合地基受力和沉降特性进行参数分析，最后对列车轨道力进行简化并建立有限元动力模型分析列车荷载作用下复合地基的动力响应，主要研究结论如下：
（1）现场条件下土工格栅垫层和基床底层水泥掺入湿陷性黄土的比例宜控制在 6%左右，最大干密度为 1.61g/cm3，最优含水率为 17.7%；而对于基床底层以下水泥掺入湿陷性黄土的比例宜控制在 4%左右，最大干密度为 1.54g/cm3，最优含水率为 17.2%。这样既能满足强度要求，又最大程度上考虑了经济方面的原因。同时通过绘制含水率与压实系数关系曲线发现，改良土碾压时，含水率控制在最佳含水率的±2%时，可保证压实系数达到设计和规范要求；水泥的掺入能有效改善湿陷性黄土的物理力学性质，水泥掺入湿陷性黄土后，水泥土的最大干密度降低，最优含水量升高，可使水泥土在含水量较大范围内和采用较为简易的碾压机具能达到要求的压实度，从而有利于在施工中控制含水量。
（2）通过试验检测桩身压实系数、桩间土挤密系数、复合地基承载力和桩间土湿陷系数可知，经长短桩复合地基处理过的桩间土其物理力学性质已有明显改善，湿陷性黄土本身具有的湿陷性完全消除，地基承载力大幅提高满足工程要求，同时通过对桩身的剖桩量测，桩径大于设计要求。这说明 CFG 长桩+水泥土挤密桩短桩地基处理方式对处理黄土地基是一种经济、可行、有效的方法。
参考文献(略)