随着社会经济的迅猛发展、铁路建设标准的大幅提高和建设周期的不断缩短,尤其是近年来高速铁路的大量兴建,使得铁路路基的工后沉降控制标准愈来愈严。传统的以排水固结、堆载预压为主的地基处理措施和以挤密砂桩、碎石桩为主的散体桩复合地基处理方法已难以适应工程需求,以C15及以上强度的高强度桩复合地基已成为我国高速铁路路基工程地基处理的主型措施。针对当前铁路路基工程中高强度桩复合地基计算理论和设计方法基本沿用刚性基础下桩土“等应变”复合地基理论,不能反映柔性路堤下垫层-桩-桩间土-下卧层“非协调变形”基本性状的问题,加之认为桩的高强度特性能自然满足稳定性要求,以致国内规范中高强度桩复合地基稳定验算方法缺失的现状,以建立能反映高铁路基系统中各结构部件间非协调变形性状的承载变形设计计算方法、提出与桩体破坏模式相匹配的稳定分析检算方法为目标,围绕高强度桩复合地基桩土相互作用、荷载分担、沉降计算及稳定分析等关键问题,开展了高速铁路高强度桩复合地基承载变形特性及稳定分析方法理论研究工作,形成了一套具有鲜明铁路路基工程特色的高强度桩复合地基设计计算方法。具体内容包括:(1)考虑侧阻硬/软化的桩土相互作用统一模型桩土相互作用模型是桩体复合地基承载变形计算及稳定分析的基础。针对传统线性非连续硬化型或软化型桩土相互作用模型众多,但仅局限模拟侧阻硬或软化特性的问题,基于反映桩土界面侧阻-位移关系的硬软化性状,采用受地基土性质控制的硬化段曲线非线性程度、软化段衰减速率系数、峰值点及残余状态所对应的侧阻和位移等特征参数,构建了能实现侧阻-位移硬软化全过程描述的非线性连续型桩土相互作用统一模型暨6参数双曲线-指数组合函数(H-E模型),通过相关试验的文献资料统计分析,明确了不同地基土性状态下模型参数取值范围;根据桩体各微段竖向力平衡条件及变形协调关系,建立了竖向受压单桩承载变形计算方法。分析表明:H-E模型能较好的模拟侧阻-位移硬/软化非线性关系;建立的单桩承载变形计算方法能合理的预测侧阻硬或软化的均匀、成层地基中单桩荷载-沉降关系和桩身受力分布规律。(2)基于非协调变形的路堤下高强度桩复合地基桩土应力比计算桩土应力比是反映复合地基桩土荷载分配的重要指标及承载力和沉降计算的基本参数。针对路堤下高强度桩复合地基中因较大桩土刚度差引起的桩土非协调变形特性,基于桩土相互作用的上部负摩阻塑性区、中部协调变形弹性区和下部摩擦承载塑性区3区段模式,采用剪切刚度和极限侧阻随应力水平变化的等单位长度极限剪切位移理想弹塑性模型,建立了弹性区非线性和塑性区非均匀的侧阻计算模式;以均布路堤荷载下等桩长复合地基中单桩等效加固单元体为研究对象,利用单元体荷载传递微分方程,结合桩-土-垫层压缩变形协调条件,导出了桩土应力比及中性面位置的解析表达式,讨论了路堤荷载及垫层柔度系数两关键参数的影响。分析表明:桩土应力比和中性面位置随垫层柔度系数增加而减小(下移),随路堤荷载增大呈先增加(降低)后衰减(抬升)的变化规律。据此,提出了为实现高强度桩复合地基协调承载变形控制,宜采用最大桩土应力比进行设计的技术原则。(3)考虑桩土滑移及桩间土非均匀变形的高强度桩复合地基沉降计算高强度桩与地基土刚度差异较大,路堤荷载下桩土间存在相对滑移现象,以及加固区土层的非均匀压缩变形特征,基于刚性基础下桩土等应变的复合地基沉降计算假设存在较大缺陷。在建立的能反映路堤下高强度桩上部负摩阻塑性区、中部协调变形弹性区和下部摩擦承载塑性区的弹性区非线性和塑性区非均匀的侧阻计算模式的基础上,以均布荷载下等桩长复合地基中单桩等效加固单元体为研究对象,通过建立反映桩土滑移特性及桩间土非均匀压缩变形特征的桩间土竖向位移模式,根据微单元体竖向力平衡方程及结合桩-土-垫层应力与变形协调关系,导出了表征路堤下高强度桩上顶下刺、桩侧负摩阻力、桩土非协调变形及垫层调节作用等性状的沉降解析表达式。通过对工程实例沉降计算分析表明,提出的路堤下高强度桩复合地基沉降计算方法具有良好的实用性。(4)路堤下高强度桩复合地基稳定分析的综合等效抗剪强度方法针对国内规范中关于路堤下高强度桩复合地基稳定验算方法缺失及现有分析方法未考虑桩体轴力和垫层效应对抗滑贡献的影响等问题,以桩体易发生弯折破坏的高速铁路常用CFG桩复合地基为研究对象,通过引入表征地基截面不同位置桩身抗弯能力发挥程度的系数,形成了反映复合地基中CFG桩非均匀弯折破坏的桩体抗滑力确定方法;根据桩体阻止地基滑动的力矩等效原则,导出了基于圆弧滑面位置的桩体等效抗剪强度表达式。据此,建立了考虑桩体渐进破坏以及轴力、筋带拉力多因素影响的高强度桩复合地基稳定分析的综合等效抗剪强度法。以某高速铁路CFG桩复合地基失稳破坏典型工程案例为校核标准,通过与现有高强度桩复合地基稳定分析方法,即复合抗剪强度法、等效砂桩法、等效荷载法、英国BS8006规范法、等效抗剪强度法的对比分析,验证了提出的综合等效抗剪强度法具有更高的可靠性。(5)路堤下高强度桩复合地基分区强化设计及加固措施优化对策根据地基截面不同位置桩体受力模式及抗滑机制的差异,实现了以桩体拉弯、弯剪、压弯、承压破坏模式为特征的复合地基截面4区域划分;基于提出的高强度桩复合地基稳定分析的综合等效抗剪度法,探讨了影响高强度桩复合地基稳定性的关键桩和提高稳定性的分区强化及地梁加固措施技术对策。分析表明:在弯剪区桩顶设置地梁的加固效果最佳,承压区最差,拉弯区和压弯区次之;“拉弯区+弯剪区”或“弯剪区+压弯区”设置地梁,对提高复合地基稳定性效应基本一致;而在“拉弯区+弯剪区+压弯区”同时设置地梁,能获得较高的地基稳定性。在保证复合地基稳定性前提下,基于经济性考虑,提出了可在“拉弯区+弯剪区”或“弯剪区+压弯区”优先设置地梁的建议。