本文是一篇土木工程论文，本文对列车周边的扩底桩土模型进行受力分析，在此基础上采用数值分析和模型试验相结合的手段对扩底桩的承载特性进行了详细分析，具体包括桩身轴力、摩阻力、桩周土压力、动应力、速度和加速度等。
第1章绪论
1.1选题依据及研究意义
当前我国高速铁路、地铁等大型交通基础设施建设正处于迅速发展阶段，有限的施工区域约束了建设发展。在铁路的选线设计过程中，对于已经存在地下结构的区域通常采用避让的措施，但列车运行通过车站站房的情况是无法避免的，列车的荷载必定会对站房下部既有地下结构产生一定的附加影响。调查统计，众多道路工程事故中，路基不均匀沉降是造成事故的重要原因，因此控制地基变形量是非常重要的工程问题[1]，地基问题直接关系到整个工程的安全性、耐久性以及造价金额，地基问题的研究与优化也具有很高的经济社会效益。桩基础对其周边环境稳定性有较高要求，如果桩周土体长期处于受影响较大的应力环境中，很难保证桩基础始终保持稳定，甚至产生附加形变和不均匀沉降开裂等后果。
扩底桩是一种较为新型基础形式，是通过对等直径基桩进行改变得到的[2]，通过改变桩面尺寸，进而降低材料用量并提高承载力，对应的工程造价降低，提高了经济效益。扩底桩承载力高、沉降变形小[3-5]，可以同时承受下压荷载、水平荷载和动荷载，适用于车站等对沉降要求较高的建筑，因此扩底桩在工程中逐渐发挥独特的优势。相比于常规桩基础，扩底桩有更多的承载性能安全储备，从上部结构产生的静力荷载到周边列车动力荷载的全寿命周期都需要对其所受影响开展研究工作，而桩基动力响应的相关研究中，大部分学者会将动荷载直接作用在桩顶位置，在很多情况下桩基础也会受到周边动力荷载的影响，因此本文在前人研究的基础上对扩底桩受周边动力荷载的影响进行探究，预期成果有助于丰富扩底桩基础的设计施工及维护方面内容，并且能够对相似施工提供参考依据。
1.2国内外研究现状
1.2.1扩底桩承载特性研究现状
进行扩底桩承载设计时多采用《建筑桩基技术规范》[6]的经验参数法。此时的扩底桩端承载力不能充分发挥，有时甚至扩底后的承载力变小。根据扩底桩静压试验结果可知，扩底桩的端承力较大，面积修正系数限制了扩底桩的发展[7]。
孔纲强等[8]通过模型试验的方法，对不同土质情况下扩底楔形桩进行了竖向抗压承载力试验，结果表明，扩底桩在黏性土中的极限承载力比在砂土中有明显提高。刘增荣等[9]做了湿陷性黄土地区的扩底桩相关试验，结果表明，同一水平处桩身轴力随荷载的增加逐渐增大；荷载增加，桩侧阻力逐级增加之后趋于稳定。张蕾等[10]推导出了分布荷载下的扩底桩底位移公式，完善了通过深载荷试验获得土层变形模量方法，并提出地基土变形模量计算公式。
高广运等[11]增加了扩底比影响，对前人提出的破坏准则修改，总结出扩底桩极限承载力的方法。刘吉福等[12]分析了刚性桩长度、间距、扩径等对路堤稳定性的影响，发现刚性桩在持力层中扩底比加大比增加桩长更有效提高承载力。张蕾等[13]通过试验发现，扩底桩越大，侧摩阻力占比越大。史学明[14]发现桩基竖向极限承载力随着扩高与扩径的提升而增大，扩径的影响程度显著。张天忠等[15]发现，地面堆载条件下，扩底桩顶的位移量提高0.3倍，桩身下拽力提高了0.5倍。
尹诗[16]发现使承载力发挥最佳的桩长与扩径比值约为3.2。张利鹏等[17]发现扩底下段侧摩阻力随荷载的增加逐渐发挥，逐渐显示出端承摩擦桩的特征。
李坤轩[18]发现当扩径变大时，承载力会随之增大，直至扩径与桩径之比大于2后，承载力提升逐渐变缓；阮翔等[19]认为除了土的物理参数外，扩底桩的入土深度和扩径也会影响扩底桩端承载能力。胡庆红[20]发现基于中短桩理论计算扩底桩与实测结果有很大差异，基于现场静载荷试验分析了深长扩底桩的荷载传递机理，扩底灌注桩的侧阻发挥先于端阻。
第2章扩底桩基础作用机理研究
2.1扩底桩作用机理
2.1.1变形规律
竖向荷载下，扩底桩桩顶监测的沉降总量包括四个部分：①侧阻力引起的土体变形量；②桩端荷载引起的土体压缩量；③桩身压缩量；④桩身弯曲变形。第四种弯曲变形产生的位移增量较小，可忽略不计。
桩基础的承载力通常以桩基静载荷试验来确定，通过在工程桩上部施加设计荷载，进一步验算桩基承载力是否符合要求。在实际工程中桩周地基土的性质由多种因素影响，对于扩底桩基础，荷载试验的荷载-沉降曲线不仅与桩周土层性质、桩长、桩径、成桩质量有关，还受扩底直径比影响。扩底桩由于扩大头的结构特性，桩端土体发生破坏所需的变形量较大，承担荷载比例过大，荷载位移曲线相较于等直径桩变化更缓慢，呈缓变型，无较大突变值和明显的拐点。扩底桩的现场载荷试验常会遇见加载设备达到极限值后桩基础并没有发挥出真实承载能力，因此极限荷载值常无法准确获得，同时也造成了浪费，因此，通过采用合理的扩底桩承载力计算方法，同时通过模型试验进行辅助验证就非常具有现实意义[61-64]。
2.1.2桩身荷载传递分析
扩底桩基础受到荷载时，桩身会将荷载分配给桩侧和桩端，进一步传递至地基土层中，自桩顶向桩端传递过程中，一部分荷载首先被侧摩阻力分担，桩身轴力逐渐减小。上部荷载对桩身有挤压作用，会使桩体产生压缩变形，且压缩变形量随上部荷载的增加不断增大，桩底土层被压缩，桩端阻力随之逐渐发挥作用。桩底土层压缩量的增大使得桩身与桩周土之间的相对滑动位移增加，桩侧摩阻力逐渐发挥至极限值。
2.2扩底桩沉降计算
按照传统的计算方法来确定的沉降结果常与工程实例的监测数据有一定的偏差，为了使沉降计算理论不断接近于现实工程案例中，国内外学者对沉降计算方法的研究一直在向前推进。
2.2.1沉降计算
张婧[38]对不同地质中的扩底桩现场实测数据进行归纳计算，发现了变形模量和压缩模量之间较为准确地换算关系，变形模量与压缩模量的比例系数与土层性质相关，一般为2~5之间，土质越软弱取值越小。采用荷载传递法进行扩底桩承载力分析时，将桩身沿纵向划分为等尺寸单元，以独立弹簧模拟桩土相互作用。传统的荷载传递法假定桩体任一点位移值只与侧摩阻力相关，使用独立弹簧模型忽视了地基土的连续性，桩侧摩阻力对位移的影响被忽略。
郑刚[67]在文献中通过分析发现，桩基础按极限承载力设计采用的安全系数不统一。采用对比荷载与极限承载力的方式来计算荷载分担比时，缺少工程算例和相关理论支撑，结果过于理想化而不准确。弹性理论进行沉降计算时桩处于弹塑性状态，地基土处于塑性状态，该计算方式不够全面。
根据《桩基工程手册》[68]中的计算方法，归纳出几种计算过程中的共同点：
（1）桩顶荷载小于单桩极限承载力总和时，所有荷载均为桩身承担。
（2）桩顶荷载超出单桩极限承载力总和时，除极限承载力外，其余部分由桩周土全部承担。
（3）运用分层总和法进行计算应先确定相应的附加应力。
第3章扩底桩承载性能及动力响应室内模型试验研究.............................21
3.1概述.......................................21
3.2室内模型试验设计..............................21
第4章扩底桩承载机理数值模拟分析........................53
4.1依托工程............................53
4.2数值模型建立..................................53
第5章结论与展望..................................8
5.1结论...........................................80
5.2展望...........................80
第4章扩底桩承载机理数值模拟分析
4.2数值模型建立
4.2.1模型的建立及参数选取
整体模型为长方体，中心为桩基础。根据扩底桩竖向承压时影响的范围来对地基土尺寸取值，同时为减小边界效应，对模型尺寸进行详细计算设计，最终确定了桩长9m桩径0.8m，土层沿X和Y方向尺寸相同均为16m，远大于桩径d，竖直方向尺寸为25m，桩底到模型底面边界大于两倍的桩长，桩顶超出表面土层0.5m，如图4-1所示。模拟步骤包括，初始地应力状态并位移清零、开挖钻孔施工、桩基础施工、桩顶分级施加静力荷载。
针对运营中的铁路线路对临近桩基础的动力响应，土体模型取28m×16m×25m，在桩基静力分析模型的基础上建立了铁路路基，并采用了激振力函数的形式进行动力输入。如图4-2所示，参考《TB 10621-2014高速铁路设计规范》[81]，铁路为无砟轨道，路基面宽设为8.6m，路堤厚度2.2m，基床厚度为2m，道床厚度为0.6m。模拟步骤包括了初始地应力状态、清零位移数据、开挖钻孔施工、桩基础施工、施加列车荷载模拟运营条件。
第5章结论与展望
5.1结论
本文对列车周边的扩底桩土模型进行受力分析，在此基础上采用数值分析和模型试验相结合的手段对扩底桩的承载特性进行了详细分析，具体包括桩身轴力、摩阻力、桩周土压力、动应力、速度和加速度等。根据研究结果得出以下结论：
（1）通过分析计算公式，扩底直径的改变对承载力造成的影响最为明显，但承载力增量随扩径的增加逐渐变小，即扩径达到一定尺寸后对承载力提升作用变小，在实际工程中应考虑承载力提升的效率是否匹配增加用料的成本。
（2）静载模型试验和数值模拟中都重点分析了桩身应力，扩底桩的桩身轴力分布更加均匀；桩周土的变形主要发生在桩底2D深度范围；扩底桩对地基土体的影响范围更广，变截面每扩大0.25倍，中性点的位置沿埋深向下移1/10桩长，桩底土应力会提高75%-85%；荷载增加会导致整个扩底段完全与桩周土层分离，但桩身
