当今,高速铁路俨然成为我国走向世界的重要名片。高铁以其快速、安全、平稳、舒适等特点正改变着人们的出行方式,而这些特点的实现离不开线下工程严苛的变形控制标准。在此背景下,桥梁桩基础和路基作为最常见的线下基础形式,其耦合变形问题显得日益突出,成为工程设计中的薄弱环节。归纳起来,桥梁桩基础与路基相互作用的情形在工程上的体现有2大类:第一类为邻近工况,其特点是桥梁桩基础与路基分别处于不同的线路(交叉或邻近并行),如跨线桥工程;第二类为连接工况,其特点为桥梁桩基础与路基处在同一条线路,亦即路桥过渡段工程。虽然二者在工程上的表现形式不同,相应的设计方法也有所差异,然而本质上都属于桥梁桩基础与路基耦合变形的范畴。通过调研发现,以往的研究类型及范畴相对单一,且研究内容片面且不够充分深入,未能将邻近与连接工况统一起来探讨,因而对于很多问题无法从根本上得到解决,再加上在设计和施工时也无对应的规范、标准及经验可循,对桥梁桩基础与路基耦合变形特性更没有系统的阐释,从而导致这类问题在工程上的处治结果很不理想,要么采取过于保守的对策,造成很大的资源浪费,要么采取过于冒险或盲目的对策,埋下工程安全隐患。因此,广泛、深入、系统地开展桥梁桩基础与高铁路基耦合变形特性、工程处治措施及变形评价体系研究已成为当务之急。本文将邻近与连接2种工况统一起来研究,有助于加深对桩基础—路基相互作用的理解和认识,揭示出两者耦合变形规律的差异及内在联系,从而为类似工程实践提供更为科学的设计方法及理念。本文通过理论计算、离心模型试验、数值模拟以及现场实测等方法对邻近和连接2种工况下桥梁桩基础与路基耦合变形特性进行了较为全面系统的研究,得出的主要结论及认识如下:Ⅰ.邻近工况:(1)基于Mindlin应力解,采用极坐标积分法导出考虑桩径影响的Mindlin改进解,并用以计算桥梁桩基础、桩周土体以及邻近构筑物附加沉降,同时与传统Mindlin-Geddes方法进行对比,结果表明:(1)桥梁桩基础在周围土体引起沉降槽,自身沉降最大,随着距承台边缘距离的增加,附加沉降迅速减小,最后趋近于零;(2)与传统Mindlin法对比,考虑桩径效应的Mindlin解计算结果更接近试验值,解决了前者出现的应力集中效应;(3)考虑桩截面几何参量的计算方法比离心试验值偏大,原因是方法中未考虑群桩遮拦效应的影响;(4)通过传统方法与改进Mindlin方法对比,可以发现在近桩基础范围内二者计算值差异较大,而远离桩基础的范围二者计算结果逐渐趋于一致,这符合弹性力学圣维南原理。(2)制定了若干组隔断墙处治方案,通过离心模型试验及数值模拟研究墙埋深、墙厚(刚度)、墙长对隔断墙处治效果的影响程度。分析结果表明:在桩基础与高铁路基之间设置隔断墙可以有效阻隔桩基础荷载对既有路基产生的附加变形,且墙埋深及墙体长度越大,阻隔作用越大;而墙厚的变化对路基的附加变形影响很小。(3)依托某跨线桥工程,结合试验及数值分析结果得出:新建跨线桥桩基础荷载会引起邻近成灌高铁路基产生较大附加沉降,使路基的总工后沉降超过规范规定允许值,同时在邻近路基浅层地基中会产生水平拉伸位移,这对高铁路基的安全性和稳定性造成一定威胁。(4)通过多种工程处治方案的比选,选择了微型钢管灌注桩+桩顶系梁的组合形式,该工法具有施工扰动小,对场地要求低,作业灵活及隔断效果好等优点。实测结果表明,实施后取得了良好的工程效果,确保了成灌高铁路基的整体稳定性及线路的正常运营。 Ⅱ.连接工况:(1)基于桥台斜交正做工程情形,将斜交路基荷载进行划分,将台后路基附加竖向应力计算公式扩展至任意斜交接续的情况,计算结果显示斜交角对台后地基附加应力分布发生偏转,打破了沿线路中心对称分布的特性。(2)过渡段地基加固作用对桥台桩受力变形影响表现为在竖向上利用CFG桩荷载深层传递作用改变软土地基沉降变形特性,在水平方向上CFG桩对软土的侧向流动起到了显著的阻拦作用。地基加固作用一定程度上限制了路基荷载下土体蠕变特性的发挥。(3)过渡段地基加固程度与桩基桥台的变位及基桩内力分布紧密相关,随着CFG桩间距的增大,桩身弯矩最大值从桩长1/2处逐渐转移至桩顶,桩顶及承台转角增大,且偏转方向朝路基侧,桩身产生明显挠曲。桩上段出现负摩阻力作用,中性点随CFG桩间距增大逐渐下移。(4)桥台倾角、倾向、水平位移及台背错台均与过渡段路基收敛沉降值大小有直接关联,且过大的路基差异变形会影响线路结构刚度的合理匹配,建议路桥过渡段设计中引入路基收敛沉降值这一控制指标;另外地基加固对台背不同位置沉降改善程度不同,因此台背处地基采用变桩长或变桩距方法,重点加强台背地基处的处理。