我国早期修筑的铁路路基设计标准较低,随着列车速度不断提高,导致既有路基沉降病害日益严重,随之相应的路基补强措施大量涌现。其中,高压旋喷桩法施工工艺简单,并且不影响线路正常运营,在实际工程中得以广泛应用。但旋喷桩加固路基的机理和规律尚不成熟完善,有必要进一步研究其控制路基沉降的规律,并探索其设计与改良方案。本文以兰新铁路西段路基沉降治理工程为依托,结合地质调查和试验监测资料,利用数值方法主要展开以下四个方面的研究:(1)建立试验段路基的三维数值仿真模型,先对原始路基沉降规律进行了计算分析,进而分别计算分析了提速条件下侧限框架箍、框架锚索和高压旋喷桩控制路基沉降的效果,给予了相应的选型建议。研究发现,路基加固前其沉降均随列车提速而基本均呈线性增加,但增加速率大小不一,旋喷桩在加固既有路基方面有显著优势。(2)在不同提速条件下,对斜向旋喷桩各加固参数,包括竖向倾角、桩长、桩径、桩间距和不同布置形式等,采用控制变量法进行了详细的敏感性分析,共计建立近100个几何模型、进行400余次工况计算。研究发现,为提高加固效率斜向旋喷桩长度不宜超过10m,最优竖向倾角与列车提速大小有关,当列车提速至小于约140km/h时,其最优竖向倾角为80°左右,而当列车提速至约160km/h或更高时,其最优倾角为70°左右,桩体布置由细密至粗疏变化时,路基沉降变化呈先减小后增大,在控制桩体置换体积一定的条件下,研究得到了最优桩径、桩间距等设计参数。(3)为消除道砟下部三角形软弱路基,采用水平旋喷桩加固路基本体,在不同提速条件下,对水平旋喷桩各加固参数,包括桩长、桩径、桩间距和不同布置形式等,采用控制变量法进行了详细的敏感性分析,共计建立80余个几何模型、进行300余次工况计算,结合具体施工环节分析水平旋喷桩的局限性。研究发现,为提高加固效率水平旋喷桩长度不宜超过6m,当桩直径小于0.2m或桩间距大于2m后,加固效果不明显,布置排数不宜超过2排,加固矮路堤应注意防治浆液从路基顶部渗出。(4)针对斜向和水平旋喷桩各自优缺点,探索了斜向和水平旋喷桩相结合的组合旋喷桩措施,并结合水平旋喷桩施工的局限性,加入水平钢管对组合旋喷桩作进一步的优化分析,共计建立60余个几何模型、进行近300次工况计算。研究发现,组合旋喷桩可有效减小斜向旋喷桩加固下的三角盲区面积,突破水平旋喷桩加固路基本体的限制,最优组合设计方案基本是斜向与水平旋喷桩最优设计方案的结合,对于矮路堤可加入水平钢管改良,其加固效率提高了80%左右,不过改良后坡脚隆起幅度略微增大,最大幅度在0.5mm左右。