高速铁路论文：风积土地基波速测试震(振)陷试验数学回归模型

高速铁路CFG桩-筏复合地基沉降试验研究曾俊铖;张继文;童小东;涂永明【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(040)003【摘要】为了解路堤荷载作用下CFG桩-筏复合地基沉降变形特性,在京沪高速铁路凤阳试验段进行了沉降变形现场试验.设置沉降板、观测桩和测斜管,分别监测地基面桩土沉降、路基顶面沉降和地基侧向水平位移,分析了沉降变形随路堤填筑高度和时间的变化规律,探讨了双曲线沉降预测方法.研究结果表明:CFG桩-筏复合地基沉降随路堤填筑高度和时间的增加而增大;路基经过6个多月的静置后,沉降已趋于稳定;复合地基总沉降量小于15 mm,桩土沉降差小于2 mm;路堤坡脚线外1 m 处的地基侧向最大水平位移小于4 mm;采用双曲线法进行路基沉降预测是可行的,且预测精度较高.采用CFG桩-筏复合处理后的地基总沉降、沉降差和水平位移均较小,路基沉降稳定较快,能够提高路基的稳定性并缩短工期.【总页数】5页(P570-574)【作者】曾俊铖;张继文;童小东;涂永明【作者单位】东南大学土木工程学院,南京,210096;东南大学土木工程学院,南京,210096;东南大学土木工程学院,南京,210096;东南大学土木工程学院,南京,210096【正文语种】中文【中图分类】TU413.6【相关文献】1.高速铁路CFG桩筏复合地基沉降变形特性研究 [J], 付强;刘汉龙;庄妍;丁选明;孔纲强2.高速铁路CFG桩桩筏复合地基试验研究 [J], 蒋宗全;午向阳;3.基坑降水对京沪高速铁路CFG桩—筏复合地基沉降的影响分析 [J], 张光宗;王连俊;朱孝笑4.高速铁路深厚松软土层CFG桩桩筏和桩网复合地基沉降特性的试验研究 [J], 苏维;杨怀志;马建林;彭声应;李曙光5.京沪高速铁路CFG桩-筏复合地基现场试验研究 [J], 张继文;曾俊铖;涂永明;童小东因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

高速铁路无砟轨道膨胀土地基膨胀量计算模型薛彦瑾;王起才;张戎令;王冲;王炳忠;李进前【摘要】高铁无砟轨道对膨胀变形值要求极为严格,地基的胀缩变形不仅对行车安全性和舒适性产生威胁,而且严重影响高速铁路线路的服役状态和使用寿命.膨胀土地基均为原状膨胀土,为研究原状膨胀土的膨胀规律,以兰新铁路第二双线一处典型原状膨胀土为对象,对3种不同厚度的膨胀土分别进行不同上覆荷载和不同含水率下的膨胀变形试验.研究结果表明:膨胀土的厚度越大,其膨胀量越大;上覆荷载对膨胀量起抑制作用,荷载越大膨胀量越小,荷载越小膨胀量越大;土样的膨胀量随含水率的增加可分为缓慢增长阶段、急速增长阶段和缓慢增长阶段;在厚度一定时,建立含水率增量与上覆荷载耦合情况下原状膨胀土膨胀量计算模型,再依据不同厚度对公式参数进行拟合.建立含水率、上覆荷载和厚度3因素耦合作用下原状膨胀土膨胀量计算模型,模型计算结果与实测数据吻合较好,为今后膨胀土地区高速铁路的修建提供一定的理论支撑.%Swelling deformation value of high speed ballastless track is strictly required. The expansion and contraction deformations of foundation not only threaten the operational safety and comfort, but also adversely affect the serviceability and service life of high-speed railway lines. However, the expansive soil foundation is the undisturbed expansive soil. The deformation of undisturbed expansive soil under the second line of Lanzhou to Xinjiang Railway was studied. Different overloading scenarios were applied to three different thicknesses with different water contents in order to measure the deformation of undisturbed expansive soil. The test results show that the greater the thickness of the expansive soil, the greater the amount of expansion. The overlying load would have arestraining effect for expansion of undisturbed expansive soil. When the load is greater, the amount of expansion is less. When the load is larger, the larger the amount of the load is. The expansion of soil samples can be divided into slow growth stage, rapid growth stage and slow growth stage with the increase of water content. When the thickness is constant, the model of undisturbed expansive soil was established under the water content increment and overburden load. According to the parameters of the formula, the calculation model of expansive soil expansive soil under the coupling effect of water content, overburden load and thickness was established based on the three factors. The calculated results agreed well with the measured data, which provides some theoretical support for the project construction of the high speed railway in the future.【期刊名称】《铁道科学与工程学报》【年(卷),期】2017(014)007【总页数】7页(P1347-1353)【关键词】高速铁路;原状膨胀土;膨胀量;含水率;上覆荷载;厚度;计算模型【作者】薛彦瑾;王起才;张戎令;王冲;王炳忠;李进前【作者单位】兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070;兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070;道路工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室,甘肃兰州 730070;兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070;道路工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室,甘肃兰州 730070;兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070;兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070;兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】TU443高速铁路作为我国交通运输业的重要组成部分，具有速度快、运能大、能耗低和污染轻的独特优势，给国家带来了巨大的经济效益和社会效益。

第50 卷第 9 期2023年9 月Vol.50，No.9Sept. 2023湖南大学学报（自然科学版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）地震作用软土震陷特性及变截面群桩动力响应冯忠居1，李玉婷1†，蔡杰2，林立华3，陈露1，李宗海3（1.长安大学公路学院，陕西西安 710064；2.福建省交通建设质量安全中心，福建福州 350000；3.厦门路桥工程投资发展有限公司，福建厦门 361000）摘要：为研究不同类型地震波作用时软土场地条件下大直径变截面群桩基础的动力响应特性，依托翔安大桥实体工程，通过振动台试验，选取地震动强度均为0.15g的人工合成5010波、1004波，以及Kobe波和El-Centro波，研究了群桩基础桩周土层震陷量、桩身加速度、桩顶水平位移、桩身弯矩等动力响应特性. 结果表明：地震作用下，软土层发生震陷，震陷量为0.16~0.22 cm，其值与输入地震波的频谱特性有关；桩端加速度时程响应曲线较桩顶及变截面处更为“密集”；软土对加速度产生放大效果，输入地震波加速度峰值出现时刻均早于桩端、桩顶及变截面处；桩身加速度及桩顶水平位移分别在1004波和Kobe波作用下达到最大值；5010波和1004波作用下，桩顶产生永久侧向位移；Kobe波作用下，桩身弯矩峰值最大，且弯矩峰值出现时刻最晚. 因此，在进行群桩基础抗震设计时，针对不同桩基特性可选用不同类型地震波进行验算.关键词：岩土工程；变截面群桩；软土；动力响应；抗震设计中图分类号：TU443.15 文献标志码：ASeismic Subsidence Characteristics of Soft Soil and Dynamic Response ofPile Group with Variable Cross SectionFENG Zhongju1，LI Yuting1†，CAI Jie2，LIN Lihua3，CHEN Lu1，LI Zonghai3（1.School of Highway， Chang’an University， Xi’an 710064， China；2.Fujian Quality and Safety Center of Traffic Construction， Fuzhou 350000， China；3.Xiamen Road and Bridge Engineering Investment and Development Co. Ltd.， Xiamen 361000， China）Abstract：To study the dynamic response characteristics of large-diameter variable cross-section pile group foundations under different types of seismic waves in soft soil site conditions， the shaking table test was carried out based on the solid project of Xiang-An Bridge. The synthetic 5010 and 1004， Kobe， and El-Centro waves with a ground motion intensity of 0.15g were selected in the test. The dynamic response characteristics of the pile group foundation，such as the seismic settlement of soil around the pile，acceleration of the pile body，horizontal displacement of the pile top， and bending moment of the pile body， are studied experimentally. The test results show∗收稿日期：2022-08-05基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目（4190070568），National Natural Science Foundation of China（4190070568）；福建省交通科技项目（JXFZ2020-XM0189），Fujian Provincial Transportation Science and Technology Project（JXFZ2020-XM0189）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（300102218115），Fundamental Research Funds for the Central Universities （300102218115）作者简介：冯忠居（1965—），男，山西运城人，长安大学教授，博士† 通信联系人，E-mail：****************文章编号：1674-2974（2023）09-0109-10DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2023107湖南大学学报（自然科学版）2023 年that under the action of the earthquake，the soft soil layer has seismic subsidence，and the amount of seismic subsidence is in the range of 0.16 ~ 0.22 cm，which is related to the spectral characteristics of the input seismic wave. The acceleration time history response curve of the pile end is more “dense”，and the soft soil has an amplification effect on the acceleration. The peak acceleration of the input seismic wave appears earlier than the pile end， the pile top， and the variable section. The acceleration of the pile and the horizontal displacement of the pile top reach the maximum under the action of the 1004 wave and Kobe wave， respectively. Under the 5010 and 1004 waves， the pile top produces permanent lateral displacement. Under the Kobe wave， the peak bending moment of the pile is the largest， and the peak bending moment appears the latest. Therefore， in the seismic design of pile group foundations， different seismic wave types can be selected for different pile foundation characteristics.Key words：geotechnical engineering；variable-section pile group；soft soil；dynamic response；seismic design桩基础因其承载力及稳定性方面的良好性能被广泛应用于公路桥梁等工程领域［1-6］. 近年来对地震震害的研究表明，地震荷载作用下软土层发生震陷极大地影响了桩基础的承载特性［7-9］，因此，地震荷载作用下软土场地桩基础的动力响应研究十分重要［10-12］.目前，国内外学者在软土震陷对桩基的影响方面做了一系列研究. 田兆阳等［13-14］通过开展软土场地-单桩体系振动台试验，得到了软土的震陷特性以及不同地震动强度下桩基负摩阻力的分布发展规律，研究了强震作用下软土对结构体系地震动、基础震陷量的影响；沈婷等［15］采用有效应力动力分析方法，加以数值模拟，探究了地震动作用下桩基础的震陷、地震反应加速度及孔压比等动力指标；程学磊等［16］通过地震作用下软土场地上的振动台模型试验，从桩基震陷量、动孔压比等指标方面分析了地震对软土场地单桩基础的影响；辜俊儒等［17］基于非线性动力分析思想，利用OpenSees软件，探究了软土场地的震陷特性；张磊等［18］采用弹塑性模型，研究了软土中桩基础在不同地震强度下桩身加速度放大系数及最大弯矩系数的变化规律；周燕国等［19］通过振动台试验，探明了软土地基的不均匀震陷问题及其对建筑物的影响. 振动台试验是研究桩基特性的有效途径，冯忠居等［20-24］通过大型振动台试验，分析了地震波类型及地震强度与桩基特性的关系；何静斌等［25］取不同类型地震波进行振动台试验，研究了断层处桩基础的动力特性；唐柏赞等［26］通过可液化场地条件下的振动台试验，研究了随液化程度增加，变截面结构不均匀沉降和倾斜现象的发展情况；钱德玲等［27-28］基于MARC数值仿真及振动台模型试验，建立地震下的桩-结构相互作用体系，研究体系在地震作用下的层间剪力及力矩，得到了发生液化后新型变截面桩（支盘桩）可有效提高结构抗震能力的结论.对比以上研究发现，均是关于软土场地条件下单桩基础的动力响应研究，缺乏对不同类型地震波作用时软土场地条件下大直径变截面群桩基础动力响应特性的研究. 本文依托翔安大桥实际工程，通过振动台试验，分析了4种类型地震波作用下软土震陷特性及变截面群桩动力响应特性，为软土场地的桥梁桩基设计提供依据.1 工程背景厦门第二东通道翔安大桥位于第四纪地层中，拟建区地震设防烈度为Ⅶ度，设计地震加速度峰值为0.15g. 根据翔安大桥地质勘查报告，场地内含有较厚软土层，震陷灾害发生可能性较大，亟须对此开展专项研究. 翔安大桥均采用桩基础，其中H04墩承台下设有4根大直径变截面桩，如图1所示. 其桩长45 m，桩径2.5 m（2.15 m）、桩间距5.4 m，承台尺寸为14.8 m×11 m×4.5 m. 桩侧土层分布由桩顶至桩端分别为软土（15 m）、强风化花岗岩（22.5 m）、中风化花岗岩（25 m）.2 振动台模型试验设计2.1 振动台设备参数本次试验采用中国地震局工程力学研究所的三向六自由度振动台，其相关参数见表1.试验选取3.05 m×1.7 m×1.8 m模型箱，如图2所示. 考虑“模型箱边界效应”，在试验中设置模型地基尺寸与结构尺寸之比为5［29］，并在模型箱四周充填20 mm 厚的泡沫，以降低试验过程中地震波反射的影响［30］.110第 9 期冯忠居等：地震作用软土震陷特性及变截面群桩动力响应2.2 试验相似比根据Bockingham π理论，结合试验及工程实际情况，试验尺寸相似比设计为1∶50. 选取结构尺寸l 、弹性模量E 、结构质量密度ρ、加速度a 为基本物理量，其相似常数分别为1/50、1/3.5、1、1. 充分考虑地震荷载相似性，得出速度v 、时间t 、应力σ的相似常数分别为501/2、1/501/2、1/3.5. 考虑到惯性力效应和重力效应的影响，在桩顶处加置400 kg 人工质量，使得振动台实际承载能力与人工质量的相似程度更加精确.m a 的计算公式如式（1）：m a =C E C 2l m p -m m .（1）式中：m a 为人工质量；C E 为弹性模量相似常数；C l 为结构尺寸相似常数；m p 为原型质量；m m 为模型质量.2.3 模型桩及模型土设计翔安大桥大直径变截面群桩选用C35水下海工耐久混凝土，抗压强度为48 MPa ，选用微粒混凝土配置桩身，测得其抗压强度（28 d ）为14 MPa ，符合相似比关系. 钢筋采用镀锌铁丝模拟，桩身配筋率2.4%，主筋材料选取4根直径为4 mm 的镀锌铁丝，并配置抵抗剪切作用的螺旋箍筋，箍筋选取1根直径为 2.8 mm 的镀锌铁丝. 模型桩桩长90 cm ，桩径5.0 cm（4.3 cm ），桩间距10.8 cm ，承台尺寸为29.6 cm× 22 cm×9 cm ，模型桩如图3所示，具体参数见表2.基于翔安大桥地质勘查资料，中风化花岗岩抗压强度为68 MPa ，试验以土体抗压强度作为主要控制指标，采用微粒混凝土模拟中风化花岗岩，测得其抗压强度（28 d ）为19 MPa ，符合相似比关系. 采用液限仪测得模型土液限，如图4所示. 试验模型土参数见表3，根据《岩土工程勘察规范》（GB 50021―2001）［31］，天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水率大于液限的细粒土为软土.图4 液限仪Fig.4 Liquid limit device图1 H04桩基础原型示意图Fig.1 Schematic diagram of H04 pile foundation prototype表1 振动台参数Tab.1 Shaking table parameters台面尺寸/（m×m ）5×5最大模型载重/t 30频率/Hz 0.5~50最大加速度幅值/g 1最大位移幅值/mm80图2 模型箱示意图Fig.2 Schematic diagram of the model box图3 模型桩示意图Fig.3 Schematic diagram of model pile表2 模型桩参数Tab.2 Model pile parameters桩身及承台材料微粒混凝土桩长/cm 90桩径/cm 5.0/（4.3）配筋率/%2.4111湖南大学学报（自然科学版）2023 年采用筛分法测得模型土及原状土的级配曲线如图5所示.2.4 地震波选取本次振动台模型试验为不同类型地震波作用下软土震陷特性及大直径变截面群桩动力响应分析，地震波类型为5010波、1004波、Kobe波、El-Centro 波，如图6所示. 5010波和1004波为针对翔安大桥场地人工合成的地震波，Kobe波为1995年日本阪神地震记录的地震波，El-Centro波为世界上第一条成功记录全过程数据的地震波. 其中5010波和1004波较Kobe波和El-Centro波频率更高，高幅值持续时间更长.2.5 试验工况及测试元件本次振动台模型试验选取地震波强度0.15g时的四种类型地震波（5010波、1004波、Kobe波、El-（a） 5010波（b） 1004波（c） Kobe波（d） El-Centro波图6 地震波Fig.6 Seismic waves表3 模型土参数Tab.3 Model soil parameter土类软土强风化花岗岩原型模型原型模型天然含水率w/%44.845.611.911.2液限W L/%40.541.3——密度ρ/（g·cm-3）1.821.772.632.56C/kPa18.3579.622.5φ/（°）12103235天然孔隙比2.232.15——小于某粒径的百分比/%土粒粒径/mm图5 土的级配曲线Fig.5 Gradation curve of soil112第 9 期冯忠居等：地震作用软土震陷特性及变截面群桩动力响应Centro 波），研究不同类型地震波作用下震陷场地大直径变截面群桩桩周土层震陷量、桩身加速度响应、桩顶水平位移响应及桩身弯矩响应. 试验工况见表4.在模型桩的桩顶、软土层中部、土层分界面、变截面及基岩面对称布设电阻式应变片，并对应变片涂抹环氧树脂进行防水处理. 考虑承台在地震作用下的惯性力，将加速度传感器、拉线相对式位移传感器分别布设于桩身及桩顶. 测试元件布设如图7所示.3 试验结果分析3.1 土层震陷量分析地震荷载作用下，软土地基将产生不同程度的变形且不能完全恢复，使土体发生震陷［32］. 地震动强度为0.15g 时四种类型地震波（5010波、1004波、Kobe 波、El-Centro 波）作用下四桩基础桩周土层震陷量变化规律如图8所示.不同类型地震波作用下，软土均发生震陷.在5010波、1004波、Kobe 波、El-Centro 波作用下，桩 周土层震陷量分别为0.18 cm 、0.21 cm 、0.22 cm 、0.16 cm ，产生这种现象的原因是软土在地震荷载下抗剪强度降低，土体模量减小，宏观表现为土体“软化”；其次，地震动荷载作用下，地震惯性力作用效应明显，土体剪应力增大，导致土体发生滑动，土体塑性变形发展较快，产生沉陷；最后，长期荷载下软土产生再固结变形.3.2 桩身加速度动力响应分析3.2.1 桩身加速度响应桩身加速度放大系数是指输出峰值加速度αmax 与输入地震动峰值加速度α′m ax 之比［33］.地震动强度为0.15g 时四种类型地震波（5010图7 测试元件布设（单位：cm ）Fig.7 Layout of test components （unit ： cm ）表4 试验工况Tab.4 Test conditions桩长/cm 90桩数/根4桩径/cm 5.0（4.3）软土层厚度/cm30地震波类型5010波、1004波、Kobe 波、El-Centro 波地震动强度0.15g图8 桩周土层震陷量变化规律Fig.8 Variation law of seismic subsidence of soil layer around pile113湖南大学学报（自然科学版）2023 年波、1004波、Kobe 波、El-Centro 波）作用下大直径变截面群桩基础桩身加速度及桩顶加速度放大系数变化规律如图9、图10所示.由图9可知，地震波类型不同时，大直径变截面群桩基础桩身加速度均沿桩端至桩顶逐渐增大，但仍存在一定差异，桩身加速度分别在1004波和Kobe 波作用下达到最大、最小值. 这是因为不同类型地震波的峰值、频率、周期等频谱特性存在明显差异，且软土对不同类型地震波的放大程度不同. 群桩基础桩身加速度在软土层中增长速度较强风化花岗岩层中更快，即加速度由桩端传至桩顶，其加速度反应有所增大，这是因为，一方面地震作用下软土层发生震陷，强度降低；另一方面，桩顶嵌入承台，而输入地震波频率不同于承台结构的自振周期，对承台结构的影响较小，因此下部桩基加速度反应大于承台. 群桩基础桩身变截面位于强风化花岗岩中，变截面位置处加速度发生突变，显著增大，这是因为软土层发生震陷，桩周土层覆盖范围减小，桩基础自由长度增大，岩土体对桩身整体约束作用减弱，桩-土整体稳定性较差.由图10可知，地震波类型不同时，桩顶加速度均存在放大效应，这是因为软土震陷后强度降低，地震波传递介质“疏密”程度发生变化，受惯性影响，透射波振幅大于入射波振幅，宏观表现为桩顶加速度增大. 在5010、1004、Kobe 、El-Centro 地震波作用下群桩基础桩顶加速度放大系数分别为1.30、1.53、1.16、1.36，均大于1.0，说明放大程度与输入地震波周期、频率等因素及桩周土层对地震波的敏感程度有关.3.2.2 桩身加速度动力时程响应分析在不同类型地震波作用下，桩顶、变截面处及桩端加速度时程响应变化规律如图11~图13所示.从图11~图13中可以看出，群桩基础的桩顶、变截面处、桩端加速度时程响应规律均随着输入地震波类型的变化而变化，但与输入地震波形状大致相图9 桩身加速度变化规律Fig.9 Variation law of pile acceleration图10 桩顶加速度放大系数Fig.10 Pile top acceleration amplification factor图11 桩顶加速度时程响应Fig.11 Response of pile top acceleration time history图12 变截面处加速度时程响应Fig.12 Acceleration time history responseat variable cross section114第 9 期冯忠居等：地震作用软土震陷特性及变截面群桩动力响应同. 相比而言，地震波类型相同时，群桩基础的桩端加速度时程响应曲线更为“密集”，这是因为，一方面软土层发生震陷后强度降低，对地震波存在一定的“滤波”作用；另一方面，桩端加速度时程响应曲线含较多的高频成分，对输入地震波的高频成分响应更敏感，而变截面处于强风化花岗岩层，未发生震陷，对输入地震波的频率干扰较小.不同类型地震波作用下，桩身不同位置处与输入地震波两者加速度峰值时刻均不同，且桩身加速度峰值出现时刻较晚，以5010波为例，桩顶、变截面处、桩端加速度峰值分别出现在14.5 s 、16.29 s 、19.71 s ，与地震波峰值出现时刻相比分别滞后了6.92 s 、8.71 s 、12.13 s.3.3 桩顶水平位移动力响应分析地震动强度为0.15g 时四种类型地震波（5010波、1004波、Kobe 波、El-Centro 波）作用下群桩基础桩顶水平位移时程响应如图14所示.由图14可知，不同类型地震波作用下，群桩基础桩顶水平位移变化不同. 在5010波、1004波、Kobe 波及El-Centro 波作用下，群桩基础桩顶水平位移分别在23.04 s 、13.11 s 、10.77 s 和7.31 s 时刻达到振幅最大值. 35 s 后地震动逐渐削弱，在5010波和1004波作用下，桩顶水平位移均不再变化，位移时程曲线近似变成一条直线，但地震消失后位移并未回到零处，其基线产生偏移，即在振动停止后桩顶产生永久侧向位移，这是因为在地震作用下，软土发生震陷，此时桩基础周围土层约束减小，桩基础侧向力减小，导致桩顶变形增大.由图14可知，群桩基础桩顶水平位移最大值有所不同，5010波、1004波、Kobe 波和El-Centro 波作用下，桩顶水平位移最大值分别为0.51 mm 、0.43 mm 、0.58 mm 、0.55mm. 这是因为，一方面地震波类型不同时，震陷土层震陷量有所差异，震陷过程中，震陷土层对于桩基础的约束减小，导致其无法提供足够的桩侧土抗力，桩顶位移增加较快；另一方面，桩顶水平位移受地震波类型的影响，不同类型地震波周期、持时等特性有所不同.3.4 桩身弯矩动力响应分析3.4.1 桩身弯矩响应地震动强度为0.15g 时四种类型地震波作用下群桩基础桩身弯矩变化规律如图15所示.由图15可知，地震波类型不同时群桩基础桩身弯矩均由桩端至桩顶呈先增大后减小的变化规律，但由于不同类型地震波的频率、波长不同，桩身弯矩值存在一定差异. 桩身弯矩最大值均出现在震陷土层和非震陷土层分界处，这是因为在地震作用下软土发生震陷，桩-震陷土发生相对运动，其结构产生破坏，引起桩身弯矩变大.由图15可知，不同类型地震波作用下，桩身弯图13 桩端加速度时程响应Fig.13 Response of pile tip acceleration time history图14 桩顶水平位移时程响应Fig.14 Time history response of pile top horizontal displacement图15 群桩基础桩身弯矩变化规律Fig.15 Variation law of bending moment of pile group foundation115湖南大学学报（自然科学版）2023 年矩最大值存在差异，5010波、1004波、Kobe 波、El-Centro 波作用下，桩身弯矩最大值分别为32.33 kN·m 、30.31 kN·m 、42.68 kN·m 、35.57 kN·m ，相比而言，Kobe 波作用下桩身弯矩最大值较大.3.4.2 桩身弯矩动力时程响应分析地震动强度为0.15g 时四种类型地震波（5010波、1004波、Kobe 波、El-Centro 波）作用下群桩基础桩身最大弯矩处时程响应如图16所示.由图16可知，桩基础弯矩在0~30 s 范围内振幅较大，整个地震历程中桩身产生大弯矩的持时较长. 振动初期，桩周土承载力较高，侧向稳定性较强，故其对桩身影响较小，表现为变形和弯矩均较小；随着振动时长逐渐增加，桩身弯矩大幅增加且出现峰值，这是因为软土层发生震陷，产生的侧向抗力减小，致使作用在桩身上的荷载较大；振动后期，桩身弯矩显著减小，并最终趋于零.这说明桩基础在地震停止后，桩身未产生永久弯矩.在四种地震波作用下，桩身弯矩均在不同时刻达到峰值. 在5010波、1004波、Kobe 波和El-Centro 波作用下，桩身弯矩达到峰值的时刻分别为10.63 s 、9.82 s 、10.92 s 、4.72 s.4 结论及工程建议结合翔安大桥工程实际情况及振动台试验结果，得出以下结论：1）地震作用下，软土层抗剪强度降低，土体模量减小，土体“软化”；受地震惯性力效应影响，剪应力增大，产生塑性变形；长期荷载作用下，产生再固结变形，导致软土层发生震陷，震陷量为0.16~0.22 cm ，其值与输入地震波的频谱特性有关.2）四种类型地震波作用下，群桩基础的桩顶、变截面处、桩端加速度时程响应规律均与输入地震波形状大致相同，但桩端加速度时程响应曲线更为“密集”；软土对加速度产生放大效果，且输入地震波加速度峰值出现时刻均早于桩身；桩身加速度分别在1004波和Kobe 波作用下达到最大、最小值.3）Kobe 波作用时桩顶水平位移最大，其次为El-Centro 波、5010波和1004波；在5010波和1004波作用下，桩顶产生永久侧向位移.4）四种类型地震波作用下，桩身弯矩变化规律基本相同，均由桩端到桩顶呈先增大后减小的变化规律；Kobe 波作用下，桩身弯矩峰值最大，且弯矩峰值出现时刻最晚.针对振动台试验研究结果，提出以下工程建议：1）软土场地条件下进行桥梁桩基抗震设计时，应着重考虑震陷土层与非震陷土层分界处、变截面附近处的抗弯能力，以满足桥梁工程抗震设防烈度要求.2）大直径变截面群桩基础进行抗震设计时，针对不同桩基特性可选用不同地震波类型进行抗震设计验算，其中，加速度时程响应可选1004波验算，桩顶相对位移及桩身弯矩时程响应可选取Kobe 波进行验算分析.参考文献［1］DONG Y X ，FENG Z J ，HE J B ，et al ．Seismic response of abridge pile foundation during a shaking table test ［J ］．Shock andVibration ，2019，2019：9726013．［2］FENG Z J ，HUO J W ，HU H B ，et al ．Research on corrosiondamage and bearing characteristics of bridge pile foundation concrete under a dry-wet-freeze-thaw cycle ［J ］．Advances inCivil Engineering ，2021，2021：8884396．［3］DONG Y X ， FENG Z J ， HAO Y M ， et al. 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Hefei：Institute of PhysicsPublishing Ltd， 2019.［6］闫志晓，李雨润，王永志．砂土场地高承台群桩基础地震响应特征试验研究［J］．湖南大学学报（自然科学版），2022，49（7）：138-147．YAN Z X，LI Y R，WANG Y Z．Experimental study on seismicresponse characteristics of high-cap pile group foundation insandy soil sit［J］．Journal of Hunan University （NaturalSciences），2022，49（7）：138-147．（in Chinese）［7］冯忠居，王溪清，李孝雄，等．强震作用下的砂土液化对桩基力学特性影响［J］．交通运输工程学报，2019，19（1）：71-84．FENG Z J，WANG X Q，LI X X，et al．Effect of sand liquefactionon mechanical properties of pile foundation under strongearthquake［J］．Journal of Traffic and TransportationEngineering，2019，19（1）：71-84．（in Chinese）［8］冯忠居，陈慧芸，袁枫斌，等．桩-土-断层耦合作用下桥梁桩基竖向承载特性［J］．交通运输工程学报，2019，19（2）：36-48．FENG Z J，CHEN H Y，YUAN F B，et al．Vertical bearingcharacteristics of bridge pile foundation under pile-soil-faultcoupling action［J］．Journal of Traffic and TransportationEngineering，2019，19（2）：36-48．（in Chinese）［9］刘闯，冯忠居，张福强，等．地震作用下特大型桥梁嵌岩桩基础动力响应［J］．交通运输工程学报，2018，18（4）：53-62．LIU C，FENG Z J，ZHANG F Q，et al．Dynamic response of rock-socketed pile foundation for extra-large bridge under earthquakeaction［J］．Journal of Traffic and Transportation Engineering，2018，18（4）：53-62．（in Chinese）［10］冯忠居，关云辉，赖德金，等．强震作用下桩-土-断层非线性动力相互作用特性［J］．世界地震工程，2021，37（4）：167-176．FENG Z J，GUAN Y H，LAI D J，et al．Nonlinear dynamicinteraction characteristics of pile-soil-fault under strongearthquake［J］．World Earthquake Engineering，2021，37（4）：167-176．（in Chinese）［11］冯忠居，孟莹莹，董芸秀，等．强震作用下液化场地桩-土非线性动力相互作用特性［J］．科学技术与工程，2021，21（17）：7299-7307．FENG Z J，MENG Y Y，DONG Y X，et al．Nonlinear dynamicinteraction characteristics of pile-soil in liquefaction site understrong earthquake［J］．Science Technology and Engineering，2021，21（17）：7299-7307．（in Chinese）［12］古泉，俞至权，邱志坚．考虑碎石桩加固的液化场地桥梁地震风险分析［J］．湖南大学学报（自然科学版），2022，49（7）：178-185．GU Q，YU Z Q，QIU Z J．Seismic risk assessment of anliquefaction ground bridge system using stone column forreinforcement［J］．Journal of Hunan University （NaturalSciences），2022，49（7）：178-185．（in Chinese）［13］田兆阳，李平，朱胜，等．强震作用下软土场地桩基负摩阻力振动台试验研究［J］．岩土工程学报，2022（3）：550-559．TIAN Z Y，LI P，ZHU S，et al．Shaking table tests on negativefriction of piles in soft soils under strong earthquake motion［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2022（3）：550-559．（in Chinese）［14］田兆阳，李平，张宇东，等．软土地基-浅基础体系地震反应数值分析［J］．防灾减灾工程学报，2021，41（6）：1228-1237．TIAN Z Y，LI P，ZHANG Y D，et al．Numerical analysis onseismic response of soft soil-shallow foundation system［J］．Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2021，41（6）：1228-1237．（in Chinese）［15］沈婷，李国英，章为民．超深桩基础的有效应力地震反应有限元分析［J］．岩土力学，2004，25（7）：1045-1049．SHEN T，LI G Y，ZHANG W M．Effective stress finite elementanalysis for seismic response of deep pile foundation［J］．Rockand Soil Mechanics，2004，25（7）：1045-1049．（in Chinese）［16］程学磊，崔春义，孙宗光．饱和软土自由场地地震反应特性振动台试验［J］．地震工程学报，2019，41（1）：108-116．CHENG X L，CUI C Y，SUN Z G．Shaking table tests on theseismic response characteristics of a free field in saturated soft soil［J］．China Earthquake Engineering Journal，2019，41（1）：108-116．（in Chinese）［17］辜俊儒，李平，田兆阳，等．基于OpenSees的地震动对软土震陷影响研究［J］．地震工程学报，2019，41（5）：1339-1346．GU J R，LI P，TIAN Z Y，et al．Influence of ground motions onseismic subsidence of soft soil based on OpenSees［J］．ChinaEarthquake Engineering Journal，2019，41（5）：1339-1346．（inChinese）［18］张磊，许徐晗，陈成，等 .地震作用下软土中桩承桥墩系统响应特性分析［J/OL］.振动工程学报：1-11（2021-10-21）［2022-12-01］.http：///kcms/detail/32.1349.TB.20211020.1609.002.html.ZHANG L，XU X H，CHEN C，et al．Seismic responsecharacteristics of clay-pile-pier systems［J］．Journal of VibrationEngineering：1-11（2021-10-21）［2022-12-01］.http：//ki.net/kcms/detail/32.1349. 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第 54 卷第 6 期2023 年 6 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.6Jun. 2023高速铁路CFG 桩−土复合地基减振性能研究高广运1, 2，张继严1, 2，毕俊伟3, 4(1. 同济大学 土木工程学院，上海，200092；2. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海，200092；3. 华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州，510641；4. 广州市设计院集团有限公司 岩土与地下空间院，广东 广州，510620)摘要：为系统研究高铁运行引起的CFG 桩−土复合地基环境振动特性及其自身减振性能，首先基于2.5维有限元计算理论，利用等代桩墙对CFG 桩−土复合地基进行等效，建立轨道−路堤−CFG 桩−土复合地基系统的2.5维有限元模型；其次，与高速铁路环境振动既有实测研究成果进行对比，验证所建模型的正确性；最后，考虑高速列车的不同运行速度，以竖向振动加速度为评价指标，分析桩径、桩间距和桩体刚度对CFG 桩−土复合地基减振性能的影响。

研究结果表明：相较于无桩地基，CFG 桩−土复合地基对高速列车运行引起的地面环境振动具有良好的减振效果，距轨道较远处减振效果优于轨道近处减振效果；距轨道较近处，CFG 桩−土复合地基的减振效果由列车运行速度和共振条件共同主导；增大桩径d 、增大桩体刚度或减小桩间距s 均能提高CFG 桩−土复合地基的减振效果。

然而，当桩径d ≥1/4s 或桩间距s ≤4d 或桩土刚度比R PS ≥138.9时，继续改变CFG 桩设计参数将难以进一步显著提高减振效果。

CFG 桩−土复合地基可提高地基的临界速度，当车速接近该临界速度时减振效果较差。

关键词：高速铁路；2.5维有限元法；CFG 桩−土复合地基；竖向振动加速度；减振性能中图分类号：TU435 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2023）06-2209-11Investigation on vibration mitigation performance of CFG pile-reinforced subgrade for high-speed railwayGAO Guangyun 1, 2, ZHANG Jiyan 1, 2, BI Junwei 3, 4(1. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,Shanghai 200092, China;收稿日期： 2022 −08 −16； 修回日期： 2022 −09 −08基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51978510，42277130) (Projects(51978510, 42277130) supported by theDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.06.012引用格式： 高广运, 张继严, 毕俊伟. 高速铁路CFG 桩−土复合地基减振性能研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(6): 2209−2219.Citation: GAO Guangyun, ZHANG Jiyan, BI Junwei. Investigation on vibration mitigation performance of CFG pile-reinforced subgrade for high-speed railway[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(6): 2209−2219.第 54 卷中南大学学报(自然科学版)3. School of Civil Engineering & Transportation, South China University of Technology,Guangzhou 510641, China;4. Institute of Geotechnical and Underground Engineering, Guangzhou Design Institute Group Co. Ltd.,Guangzhou 510620, China)Abstract:For investigating ground vibrations and mitigation performance of the CFG pile−soil composite subgrade under high-speed train loading, firstly, based on the 2.5-dimensional finite element method(2.5D FEM) and equivalent pile walls approach, the 2.5D FE model for track−embankment−CFG pile−soil composite subgrade system was established. Secondly, the reliability of the model was validated by comparing with the field measurements. Finally, by taking the vertical vibration acceleration as a primary indicator and considering various vehicle speeds, the influence of CFG pile design parameters on vibration mitigation performance was investigatedby comparing the ground vibration at different pile diameters, pile spacing, and pile stiffness. The results show that, compared with the unreinforced subgrade, the CFG pile−reinforced subgrade exhibits favorable vibration mitigation performance, and this performance is better at a distance from the track than near it. In the near track zone, the vibration mitigation performance depends on both the vehicle speed and resonance conditions. The vibration mitigation performance increases with the increase of pile diameter or the increase of pile stiffness or the decrease of pile spacing. However, it is hard to further improve the vibration mitigation performance when d(pilestiffness) ≥1/4s(pile diameter), or s≤4d, or RPS(pile-to-soil stiffness ratio)≥138.9. The CFG pile-reinforced subgrade increases the critical speed, and the vibration mitigation performance deteriorates when the train runs at the critical speed.Key words: high-speed railway; 2.5D FEM; CFG pile−reinforced subgrade; vertical vibration acceleration; vibration mitigation performance在我国四通八达的高速铁路网中，桩−土复合地基凭借其稳定性好、工期短、造价低等优势而成为软基处理的主要形式，其中，CFG桩−土复合地基具有较大占比[1]。