摘要
在全球倡导绿色低碳背景下，铁路路基常用混凝土桩将面临挑战。因此，急需一种对环境友好，施工方便且承载效率高的桩基础作为替代方案。近些年来，不断发展的螺旋钢桩可成为一种可选择的方案。螺旋钢桩由中心钢轴（钢管或实心杆）和若干螺旋叶片组成。螺旋钢桩采用旋转压入方式安装，施工快速，不产生弃土，安装完成后可立即受荷。螺旋钢桩对于既有铁路运营维护和新建线路均具有潜在应用价值。尽管螺旋钢桩轴向承载设计理论研究报道较多，但是对于其关键设计参数（叶片间距，沉降，安装功率）研究并不精细合理，而且螺旋钢桩在铁路加固方面应用也较少。在国家自然科学基金（52078427和51978588）以及神华包神铁路集团公司科技创新项目（SHGF-17-46）资助下，本论文开展如下关于螺旋钢桩关键设计参数与工程应用的研究工作： 1.螺旋叶片最优化间距计算方法（第2章） 基于Meyerhof桩基础理论和球孔扩张方法分析螺旋叶片在砂土中影响区来确定螺旋叶片最优化间距。Meyerhof桩基础理论考虑砂土的强度参数，以对数螺旋线定义螺旋叶片附近失效区。球孔扩张方法考虑砂土细颗粒含量，土压缩性和应力水平并结合土小应变刚度特性，以球孔的塑性极限区来确定螺旋叶片附近影响区。结果表明：Meyerhof确定螺旋叶片的最优间距与现有文献中的间距范围差异较大。球孔扩张理论中以纯净硅砂和粉砂举例说明螺旋叶片在砂土中的影响区范围与文献分析结果范围比较一致。其次，基于球孔扩张方法确定的最优化间距在CongletonHST95砂中螺旋钢桩的离心机试验结果中得到验证。此外，建立基于小应变刚度硬化土和螺旋钢桩有限元模型，且有限元计算结果与球孔扩张方法确定的最优化间距基本吻合。 2.极限承载力评价准则与安装扰动有限元计算模型（第3章） 基于螺旋钢桩现场静载试验，分别讨论国内外确定其极限承载力方法的差异，其次根据现场静力触探结果评价土层参数，并建立考虑安装扰动效应的静载试验数值计算模型，计算桩顶荷载位移曲线与现场实测对比验证，最后在数值计算结果基础上，分析不同荷载等级下桩沿深度范围轴力和侧摩阻力变化规律以及侧阻和端阻承担荷载大小与比例。结果表明：国内方法更适合于国内推荐桩基检测方法；考虑安装扰动效应的有限元计算结较未考虑安装扰动结果更接近现场实测值；竖向荷载作用下，中心钢轴侧阻与上中部螺旋叶片端阻基本同时发挥作用，随着荷载增加，下部螺旋叶片与钢轴底部端阻继续发挥且比重逐渐增加。 3.螺旋钢桩荷载-沉降行为（第4章） 基于土刚度随剪应变非线性退化特征评价螺旋钢桩在砂土中荷载-沉降非线性行为。主要以Randolph分析桩方法为理论框架，首先，基于9组单叶片螺旋钢桩在不同相对密实度砂土层中的荷载-沉降曲线，采用反分析方法计算桩在不同沉降对应的土层刚度。同时以试验场地原位测试参数为基础，确定桩深度范围内土层的初始剪切模量随深度变化的线性关系。之后，将土刚度和对应桩顶沉降值分别进行归一化处理，得到适用于螺旋钢桩中土刚度随沉降非线性变化关系，并与现有打入桩经验关系进行比较。最后，利用螺旋钢桩中刚度随沉降非线性变化经验公式预测螺旋钢桩在9组离心机模型试验和4组现场试验的荷载-沉降行为。结果表明本文提出的经验公式预测结果在离心机试验和现场试验中与实测结果均比较吻合。 4.螺旋钢桩安装功率计算方法（第5章） 本文提出了一种适用于单叶片桩和多叶片桩安装参数的预测方法，该方法考虑四个因素：(ⅰ)旋转压入时中心钢轴侧竖向剪应力与切向剪应力关联，(ⅱ)螺旋叶片安装影响，(ⅲ)叶片间相互作用和(ⅳ)竖向安装力对安装扭矩影响。利用所建议方法和已有的两种方法（Ghaly和Hanna方法与AlBaghdadi方法），预测不同相对密实度（松、中密、密）砂土中螺旋钢桩的安装扭矩和功率。将三种方法的预测结果与在砂土中螺旋钢桩的离心模型试验结果进行比较，结果表明建议方法与实测数据吻合较好。同时，本文建议方法计算结果与双叶片螺旋钢桩现场安装实测结果也吻合较好。此外，分析螺旋钢桩安装功率随砂土相对密度和螺旋叶片数量沿深度变化规律，并分析螺旋钢桩中心钢轴与螺旋叶片的安装力与安装扭矩对安装功率的贡献。 5.灌浆螺旋钢桩斜向加固铁路路基静态效果与沉降估算方法（第6章） 首先介绍螺旋钢桩斜向加固既有铁路路基的设计思路与灌浆施工工艺，同时路基加固前土层做原位测试并评价回填土的物理力学性质。对路基加固前后进行地基系数测试并采用静力水准仪对加固段路基进行沉降监测。斜向螺旋钢桩加固回填路基后3个测点地基系数K30提高范围为48%~166%。加固后铁路路基的长期沉降表明经过半年左右调整期逐步稳定，路基加固段中心位置沉降最大（沉降值为2.76mm）。基于改进CPT预测浅基础沉降方法，并结合一种斜桩加固路基简化计算模型估算加固前后铁路路基沉降。加固后路基沉降预测值为3.725mm，与实测值2.76mm吻合较好。 6.螺旋钢桩斜向加固铁路路基动态效果评价（第7章） 加速度计和速度计被用于测试路基加固前后轨枕边缘和中间处的动力响应。对行车速度72km/h载重25t的C80B货车在既有路基加固前后，在路基表面进行振动参数测试。对路基振动参数做时域和频域分析，同时引入1/3倍频程谱评价振动水平。时域分析表明，加固后加速度，速度，位移均方根值的变化范围，平均值，标准差均减小；频域分析表明，路基加固前后振动特征频率分布规律基本一致，但特征频率对应幅值加固后变小。振动水平衰减明显频段分别是中心频率1.6Hz与50Hz频段。
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