樁承式加筋路堤研究綜述

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(1. 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2. 華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州 510640)

1 研究背景

軟土地基不僅強(qiáng)度偏低和壓縮性偏高，且由于軟土層主要由黏土礦物組成，透水性差，在附加荷載作用下，固結(jié)變形歷時(shí)長(zhǎng)。軟土地基的這些特殊性給其上進(jìn)行的構(gòu)筑物建設(shè)提出了很大的挑戰(zhàn)。在軟土地基上進(jìn)行公路和鐵路路堤工程建設(shè)，主要面臨整體穩(wěn)定性和變形控制2方面的技術(shù)問題。在軟土地基上的公路拓寬工程中，核心問題是拓寬路堤與已有道路路基的不均勻沉降。

樁承式加筋路堤或樁-網(wǎng)復(fù)合地基可以有效地控制路基工后沉降和不均勻沉降，約束路基側(cè)向變形，滿足建設(shè)工程穩(wěn)定性和變形方面的技術(shù)要求；可加快填筑施工，縮短工期；與橋梁路基方案相比，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。目前在國(guó)內(nèi)外已被廣泛用于軟土地基或其他特殊土地基上橋頭連接路堤工程、已有公路路堤的拓寬工程、新建公路和鐵路的路堤工程等。

自20世紀(jì)80年代以來，特別是近10年，經(jīng)過國(guó)內(nèi)外學(xué)者的努力，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到樁承式加筋路堤的核心工作原理是樁土差異沉降引起的路堤土拱效應(yīng)和水平加筋層的拉膜效應(yīng)，樁-筋材-樁間土的相互作用決定了樁土荷載分擔(dān)和加筋作用。我國(guó)學(xué)者也對(duì)樁承式加筋路堤或樁網(wǎng)復(fù)合地基進(jìn)行了一系列的研究，取得了重要研究成果。但是，關(guān)于土拱形態(tài)的假定缺乏實(shí)證，對(duì)形成全拱的條件在認(rèn)識(shí)上很不一致，這一狀況造成各國(guó)規(guī)范中樁承式加筋路堤的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和分析方法差異很大[1-6]。另外，多國(guó)規(guī)范都假定樁間土不承擔(dān)路堤荷載，此假定顯得過于保守。

本文將在已有文獻(xiàn)研究成果基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述樁承式加筋路堤的工作機(jī)理和設(shè)計(jì)理論，對(duì)比分析現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，指出樁承式加筋路堤需要進(jìn)一步研究的問題和今后的努力方向。

2 樁承式加筋路堤的研究現(xiàn)狀

2.1 模型試驗(yàn)與原型量測(cè)

在室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)研究方面，Hewlett和Randolph(1988)[7]基于樁承路堤模型試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為按正方形布樁時(shí)路堤中土拱形態(tài)接近半球殼形，并據(jù)此提出了樁體荷載分擔(dān)比。Low等(1994)[8]通過縮尺模型試驗(yàn)研究了軟土地基上樁承式路堤中的土拱效應(yīng)，探討了樁的荷載分擔(dān)比與路堤高度、樁帽面積比之間的關(guān)系。Chew和Phoon(2004)[9]通過模型試驗(yàn)重點(diǎn)研究了水平加筋的作用，可以直觀觀測(cè)加筋的拉膜效應(yīng)，并認(rèn)為水平加筋對(duì)土拱效應(yīng)有增強(qiáng)作用。曹衛(wèi)平等(2007)[10]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)分析了樁土差異沉降、路堤高度與樁梁間距比值等因素對(duì)樁土荷載分擔(dān)及路堤沉降的影響，表明樁土應(yīng)力比隨樁土差異沉降而變化，存在上限值和下限值，加筋可以提高樁土應(yīng)力比。Hong等人(2007,2011)[11-12]完成了一系列樁承路堤模型試驗(yàn)(未設(shè)水平加筋材料)，發(fā)現(xiàn)只有樁排間距較近，且路堤有一定的高度時(shí)才形成土拱，土拱形態(tài)呈半空心圓柱狀，圓柱直徑等于相鄰樁帽梁外邊沿之間的距離，厚度等于樁帽梁寬度，路堤荷載通過土拱效應(yīng)傳遞給樁(梁)體。Van Eekelen等(2012)[13]通過一系列模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：樁間軟基固結(jié)沉降能夠增強(qiáng)加筋拉膜效應(yīng)和土拱效應(yīng)，增大樁體荷載分擔(dān)比；在軟基固結(jié)沉降過程中，內(nèi)摩擦角大的填料(粗骨料)土拱效應(yīng)更加明顯；當(dāng)樁間土不發(fā)生固結(jié)變形時(shí)，增加上部荷載將減小樁體荷載承擔(dān)比，土拱效應(yīng)會(huì)相應(yīng)減弱；實(shí)測(cè)表明加筋層的應(yīng)變?cè)谙噜彉堕g呈條帶分布，條帶上的線荷載呈倒三角分布。

室內(nèi)模型試驗(yàn)研究成果揭示：由于樁與樁間土之間剛度差異巨大，將發(fā)生明顯的差異沉降，從而誘發(fā)土拱效應(yīng)，使樁頂荷載集中；土拱的形成和土拱效應(yīng)的發(fā)揮是有條件的，如果不考慮填土特性，主要取決于填土高度與樁(帽)凈間距的幾何關(guān)系，如果在路堤設(shè)置水平加筋墊層，則加筋拉膜效應(yīng)將增大樁體的荷載分擔(dān)比。

足尺模型試驗(yàn)或結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，可以彌補(bǔ)小比尺物理模型試驗(yàn)的不足。夏元友和芮瑞(2006)[14]結(jié)合廣梧高速公路樁承式加筋路堤試驗(yàn)段，從應(yīng)力和應(yīng)變角度驗(yàn)證了土拱效應(yīng)的存在，且粗骨料填土形成的土拱穩(wěn)定性好，加樁帽時(shí)土拱效應(yīng)更為顯著。連峰等(2008)[15]結(jié)合在廣東某繞城高速公路深厚軟基試驗(yàn)段進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)表明：路堤荷載下樁與樁間土沉降不協(xié)調(diào)，土工格柵拉膜效應(yīng)傳遞荷載的能力強(qiáng)于土拱效應(yīng)；樁處理深度范圍內(nèi)樁間土的壓縮不可忽略，樁身上部出現(xiàn)負(fù)摩擦，樁承擔(dān)絕大部分路堤荷載，樁間土承擔(dān)的荷載很小。費(fèi)康和劉漢龍(2009)[16]進(jìn)行的樁承式加筋路堤現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬均表明：填土的土拱效應(yīng)造成荷載向樁體轉(zhuǎn)移，極大地減小了樁間土上的應(yīng)力和地基中的孔隙水壓力。徐正中等(2009)[17]分別對(duì)樁打穿軟土層和未打穿軟土層情況下的樁承式加筋路堤進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：軟土層未打穿時(shí)樁體荷載分擔(dān)比比打穿時(shí)小一些，但仍達(dá)到61.4%～75.5%；樁打穿與未打穿軟土層時(shí)的土拱高度都為樁帽凈間距的1.0～1.4倍，但未打穿軟土層時(shí)，下臥層沉降約占路堤總沉降的60%。

Van Eekelen等(2009)[18]在新西蘭Kyoto道路上監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：填土中的土拱需要較長(zhǎng)時(shí)間，隨著路堤沉降慢慢形成；除土拱效應(yīng)外，水平加筋的拉膜效應(yīng)對(duì)提高樁頂荷載分擔(dān)發(fā)揮了很大作用，而且樁間土承受一定的土壓力。曹衛(wèi)平等(2008)[19]通過實(shí)際監(jiān)測(cè)和分析表明，在路堤填筑期，樁土應(yīng)力比增大很快，路堤填筑完畢至地基固結(jié)完成的過程中，樁土應(yīng)力比也會(huì)發(fā)生變化。夏唐代等(2010)[20]完成的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：樁帽上與樁間土上的土體存在沉降差，沉降差的發(fā)展可反映土拱效應(yīng)的發(fā)揮程度，樁土應(yīng)力比隨著路堤荷載及樁與樁間土沉降差的變化而變化。鄭俊杰等(2012)[21]在黃土地區(qū)進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，樁承式加筋路堤中心軸處路堤荷載轉(zhuǎn)移主要以土拱效應(yīng)為主，以拉膜效應(yīng)為輔，而路肩處格柵拉膜效應(yīng)比較顯著，路堤荷載傳遞由土拱效應(yīng)和拉膜效應(yīng)共同完成，格柵在路肩處發(fā)揮作用效果大于路堤中心軸處。Zheng等(2011)[22]給出了京津高鐵2車站的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，在7 m多高路堤荷載作用下，路基總沉降中約20%是CFG樁(cement fIying-ash gravel pile)壓縮造成的，其余約80%是由樁尖刺入和樁下地基壓縮貢獻(xiàn)的。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和試驗(yàn)研究進(jìn)一步證實(shí)了樁承加筋路堤體系(包括軟土地基)中存在明顯的樁土差異沉降、填土土拱效應(yīng)；反映了特定工況條件下樁承式加筋路堤的土拱形成條件和樁土荷載分擔(dān)以及加筋對(duì)路堤荷載傳遞的作用；監(jiān)測(cè)結(jié)果揭示了土拱效應(yīng)具有隨填土荷載、軟基固結(jié)和樁土差異沉降發(fā)展而變化的基本特性。

離心模型試驗(yàn)已成為驗(yàn)證計(jì)算理論和解決土工關(guān)鍵問題的一種強(qiáng)有力手段。Huat等(1993)[23]曾匯總了當(dāng)時(shí)僅有的8組樁承式路堤離心模型試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為填土中土拱是否形成不僅取決于填土高度與樁間距的比值，而且還與樁帽面積所占的比例以及填土的性質(zhì)有關(guān)。Barchard(1999)[24]通過離心模型試驗(yàn)研究了墊層加筋和不加筋條件下填土中的土拱效應(yīng)和荷載傳遞規(guī)律，表明采用水平加筋時(shí)，樁承式加筋路堤中荷載主要靠加筋作用傳遞；在無加筋時(shí)，樁承路堤則主要靠土拱效應(yīng)來傳遞荷載。張良等(2009)[25]通過離心模型試驗(yàn)分析了樁端持力層承載力大小對(duì)樁承式加筋路堤地基變形、樁土應(yīng)力比等的影響，表明樁端持力層強(qiáng)度越高，樁體承載集中效應(yīng)越明顯，加筋所受拉力越小。王長(zhǎng)丹等(2011)[26]研究了不同樁間距的影響，隨著樁間距從2倍樁徑變化到6倍樁徑，路基工后沉降、樁土差異沉降和樁體荷載分擔(dān)比隨之增大，樁帽的設(shè)置可有效控制工后沉降和樁土差異沉降，樁間土與樁體相對(duì)位移中心點(diǎn)也隨著樁間距的增大而下降。徐超等(2012)[27]完成的離心模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，加筋材料反包設(shè)置可增強(qiáng)筋材的拉膜效應(yīng)，測(cè)得路肩下方土工格柵承受的拉力較大；加筋反包設(shè)置時(shí)，可通過拉膜效應(yīng)向樁基轉(zhuǎn)移更大荷載，充分發(fā)揮樁的作用；加筋材料的力學(xué)性質(zhì)對(duì)加筋受力、樁體荷載分擔(dān)比和路堤變形存在較大影響，延伸率低、拉伸模量高的加筋材料更能發(fā)揮加筋拉膜效應(yīng)。

2.2 數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬是系統(tǒng)研究樁承式加筋路堤體系各要素相互作用的有效手段，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。Kempton等(1998)[28]通過對(duì)比二維和三維數(shù)值模擬結(jié)果曾指出：要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)樁承式路堤的性能，三維分析是必要的。三維數(shù)值模擬結(jié)果顯示土拱形狀是一個(gè)依靠于4個(gè)樁帽上的曲面頂。Han和Gabr(2002)[29]采用FLAC2D，按單樁模型對(duì)比研究有無加筋對(duì)樁體荷載分擔(dān)比、路堤沉降和差異沉降的影響，結(jié)果表明加筋的最大拉力發(fā)生在樁帽邊沿。Aubeny等(2002)[30]進(jìn)行的三維ABAQUS數(shù)值模擬結(jié)果也顯示：樁承式加筋路堤中土層、樁和加筋墊層三者之間存在復(fù)雜的相互作用。余闖等(2009)[31]結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果建立了三維有限元模型，模擬分析了樁承式加筋路堤中應(yīng)力的分布規(guī)律和土拱效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著荷載水平和樁土沉降差的變化，土拱的發(fā)生區(qū)域也在變化。Wang和Mei (2012)[32]采用PLEXIS軟件模擬分析了靜荷載和地震荷載下微型樁承路堤的變形特征和反應(yīng)性狀，認(rèn)為微型樁很好地改善了軟土地基的穩(wěn)定及變形特性，而且能夠有效地降低路堤對(duì)地震的反應(yīng)，減小路堤的峰值加速度。

3 樁承式加筋路堤的基本理論

3.1 樁承式加筋路堤的土拱模型理論

土拱效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是土體內(nèi)土單元(顆粒)之間，或土單元與其他物體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)(產(chǎn)生剪應(yīng)變)，通過單元之間的摩擦作用而產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞現(xiàn)象，在土木工程的很多領(lǐng)域均有體現(xiàn)。在樁承式加筋路堤體系中，由于樁與樁間土存在不均勻沉降，填土中會(huì)發(fā)生土拱效應(yīng)。樁承式路堤關(guān)于土拱效應(yīng)的設(shè)計(jì)理論直接來源于Marston和Anderson(1913)[33]和Terzaghi(1943)[34]的研究成果，并隨著工程應(yīng)用與研究的深入得到了進(jìn)一步的發(fā)展。概括起來，樁承路堤土拱效應(yīng)分析模型有以下幾種：

(1) Jones等(1990)[35]基于Marston的地埋管上土壓力計(jì)算公式，提出了三維條件下樁承式加筋路堤的樁頂應(yīng)力計(jì)算方法(見式(1))，并根據(jù)樁的端承情況給出了土拱系數(shù)，認(rèn)為樁(帽)類似埋于溝槽中的剛性管道，可直接計(jì)算作用于樁(帽)上有效豎向應(yīng)力，即

(1)

式中：Cc為土拱系數(shù)；a為樁帽邊長(zhǎng)；H為路堤高度；γ為填土重度；q為附加荷載。

對(duì)于剛性端承樁，土拱系數(shù)按式(2)計(jì)算，即

Cc=1.95/H/a-0.18 ;

(2)

對(duì)于摩擦樁和其他類型樁，土拱系數(shù)按式(3)計(jì)算，即

Cc=1.5/H/a-0.07 。

(3)

(2) Giroud等(1990)[36]在Terzaghi的土拱理論基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮加筋材料的拉膜效應(yīng)，提出了空洞上方加筋路堤土拱效應(yīng)的計(jì)算方法。根據(jù)Terzaghi的二維土拱模型(見圖1)，Russell和Pierpoint(1997)[37]提出了樁承路堤的三維土拱計(jì)算模型。

圖1 Terzaghi土拱模型

(3) Hewlett和Randolph(1988)[7]提出了樁承式加筋路堤半球殼形土拱模型假設(shè)，且可拆分為1個(gè)球形土拱和4個(gè)平面土拱(見圖2)?；诎肭蛐瓮凉肮绊敾蛘咂矫嫱凉肮澳_的土單元極限狀態(tài)，建立了樁體荷載分擔(dān)比計(jì)算方法。Kempfert等(1999)[38]認(rèn)為樁承路堤半球形土拱中，不同拱單元具有不同的圓心。

圖2 正方形布樁時(shí)H&R土拱模型

圖3 金字塔土拱模型

(4) Guido(1987)等[39]基于模型試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為樁承路堤的土拱形態(tài)近似于金字塔形或錐形(見圖3)，樁間土只承擔(dān)“金字塔”部分填土荷載，其余荷載由樁承擔(dān)。Jenner等(1998)[40]同樣認(rèn)為剛性樁上路堤荷載傳遞和分擔(dān)機(jī)制符合Guido金字塔形土拱效應(yīng)。

在樁承路堤中，還有一種楔形土拱模型，假定楔形頂角等于30°，則土拱臨界高度約等于樁(帽)間凈間距的1.87倍。楔形體內(nèi)填土荷載由加筋體或樁間土承擔(dān)，其余荷載全部由樁承擔(dān)。Sintef(2002)[41]將楔形拱模型由二維推廣至三維(見圖4)，并認(rèn)為楔形體的尺寸和形態(tài)(圖中β)與填土性質(zhì)有關(guān)。

圖4 土拱楔形體模型

可見，人們對(duì)樁承式加筋路堤中土拱形態(tài)的認(rèn)識(shí)并不一致，所提出的土拱模型各有特點(diǎn)。這些模型不僅土拱形態(tài)差異很大，而且全拱高度各不相同。但前人提出的這些土拱模型和相關(guān)分析方法，如式(1)所表達(dá)的那樣，解決了路堤荷載在樁和樁間土上的分配問題，為樁承荷載的計(jì)算，當(dāng)采用加筋墊層時(shí)加筋受力的計(jì)算，以及路基和路堤的沉降控制奠定了基礎(chǔ)。

3.2 加筋拉膜效應(yīng)

在樁承式加筋路堤體系中，無論樁基布置形式如何，還是采用何種樁型，樁與樁間土之間在路堤荷載下總是發(fā)生不均勻沉降。特別是采用端承剛性樁的情況下，樁間土的沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁的沉降，甚至可能發(fā)生樁間土與加筋材料脫離的情況。從Brian?on和Simon(2012)[42]報(bào)道的樁承式(加筋)路堤現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果看，如果沒有加筋材料，施工結(jié)束時(shí)樁承堤中樁的荷載分擔(dān)比僅為16.4%；而采用1層土工織物和2層土工格柵加筋的樁承加筋路堤中，樁的荷載分擔(dān)比分別達(dá)到77.4%和81.4%。可見，土工合成材料的拉膜效應(yīng)是樁承加筋路堤荷載向樁體轉(zhuǎn)移的主要機(jī)制。

一般情況下，樁承加筋路堤體系中，樁間土與加筋墊層是相互接觸的，即加筋材料將會(huì)把所承擔(dān)上部荷載中的一部分傳遞給樁間土承擔(dān)，剩余的豎向荷載造成加筋材料彎曲張拉，并通過這種張拉受力機(jī)制將承受的荷載傳遞給樁基。因此不妨給樁承加筋路堤中加筋材料的拉膜效應(yīng)下個(gè)定義：是指路堤底層的加筋材料由于樁與樁間土之間的不均勻沉降而發(fā)生彎曲拉伸，并將所承擔(dān)的上部填土荷載轉(zhuǎn)移給樁頂?shù)暮奢d傳遞現(xiàn)象。

在樁承式加筋路堤中，由于支撐加筋材料的樁多采用正方形或三角形布置，加筋材料的張拉模式和形態(tài)受布樁型式的影響。Van Eekelen等(2012)[13]所進(jìn)行的模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，正方形布置的4根樁間加筋層的應(yīng)變并不均勻，加筋層的應(yīng)變?cè)谙噜彉堕g條帶上集中分布，類似于圖5所示的情形。

圖5 加筋材料的變形形態(tài)

3.3 路堤荷載傳遞規(guī)律及變形特征

根據(jù)已有研究成果，土拱效應(yīng)和拉膜效應(yīng)因樁基和加筋布設(shè)形式不同而存在差異，這必然導(dǎo)致樁承式加筋路堤荷載傳遞和變形特征隨之改變。這里以剛性樁打穿軟土層和1層筋材為基準(zhǔn)，論述荷載傳遞規(guī)律和變形特征。

對(duì)于樁承式加筋路堤，地基上的附加荷載主要來自路堤自重。分層填筑的路堤荷載直接作用于加筋墊層，在起始均布荷載作用下，樁間土?xí)l(fā)生遠(yuǎn)大于樁的沉降。加筋材料在填土荷載作用下隨地基一起沉降，發(fā)生撓曲，產(chǎn)生拉膜效應(yīng)，通過拉膜效應(yīng)將加筋承擔(dān)的那部分荷載轉(zhuǎn)移到樁(帽)頂之上。隨著路堤填筑高度的增加，由于樁土之間的差異沉降，在滿足必要條件下路堤填土中出現(xiàn)拱效應(yīng)，新增的填土荷載則通過土拱效應(yīng)全部或大部分由樁基承擔(dān)。路堤內(nèi)的不均勻沉降隨著填土高度增加而變得不明顯，最終消失，在路堤中某一高度形成等沉面。

在路堤填筑施工期，即使填土中形成完整土拱，樁間土仍將承擔(dān)部分填土荷載，軟土地基中將產(chǎn)生超孔隙水壓力。在加筋墊層以下的樁土體系中，由于樁土剛度差異巨大和超孔壓的消散，在軟土地基淺部存在樁土之間的相對(duì)位移，樁基承受負(fù)摩阻力。在軟土地基中某一深度，當(dāng)樁與土不再發(fā)生相對(duì)位移，這一位置即中性面。在中性面以下，樁將部分荷載傳遞給樁間土，剩余荷載通過樁體傳至樁端，產(chǎn)生樁端持力層的應(yīng)力集中和壓縮變形。樁基沉降量的大小則取決于樁端持力層的性質(zhì)。

按照上述荷載傳遞規(guī)律，在大部分情況下，路堤荷載最終還是由樁和樁間土分擔(dān)，樁基承擔(dān)的是經(jīng)過土拱效應(yīng)加強(qiáng)的上部荷載和經(jīng)筋材拉膜效應(yīng)傳遞過來的荷載；而樁間土分擔(dān)的是經(jīng)過土拱效應(yīng)和拉膜效應(yīng)轉(zhuǎn)移后剩余的上部荷載。但對(duì)于剛性樁打穿軟土層的情況，隨著軟土地基中孔壓消散和固結(jié)沉降，樁土之間的差異沉降將可能使樁間土與加筋材料脫開，形成所謂的“膜下空穴”。這種情況下樁間土不再分擔(dān)荷載，全部路堤和附加荷載由樁基承擔(dān)。

上述樁承式加筋路堤的荷載傳遞和分擔(dān)機(jī)制受一系列因素的影響和制約。這些因素包括：①土拱的成拱條件，除了已有研究成果和相關(guān)規(guī)范指出的“應(yīng)滿足路堤填筑高度與樁帽靜間距的幾何比例關(guān)系”外，成拱條件必然與填土的性質(zhì)存在本質(zhì)的聯(lián)系；②軟土地基中樁體的種類和性質(zhì)；③加筋材料的性質(zhì)和布置形式；④外部荷載條件，應(yīng)關(guān)注重復(fù)荷載對(duì)土拱效應(yīng)的影響。

4 樁承式加筋路堤研究展望

對(duì)于存在多種土拱形態(tài)和土拱理論，Eskisar等(2012)[43]采用CT技術(shù)直觀地“觀察”了樁承路堤中的土拱形態(tài)，從斷面上看，大多數(shù)情況下土拱形態(tài)呈三角形(在空間上應(yīng)為楔形體)。該研究還證明了土拱形態(tài)與填土類型和填土的性質(zhì)存在密切聯(lián)系。鄭俊杰等(2012)[44]采用PFC2D建立樁承式路堤數(shù)值模型，對(duì)路堤填土顆粒接觸應(yīng)力、豎向變形和樁土應(yīng)力比進(jìn)行了分析。其中顆粒間豎向接觸應(yīng)力模擬結(jié)果顯示：樁頂上方土顆粒間豎向應(yīng)力明顯高于樁間土上方，樁頂s-a高度范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，樁間土上方顆粒間則出現(xiàn)卸載區(qū)。豎向接觸應(yīng)力卸載區(qū)在二維平面內(nèi)也呈現(xiàn)三角形，模擬結(jié)果也顯示樁土應(yīng)力比與顆粒形狀和填土內(nèi)摩擦角有關(guān)。

土拱效應(yīng)和拉膜效應(yīng)均受一系列因素影響，不能將之視為僅與布樁形式和相關(guān)幾何尺寸有關(guān)。Britton和Naughton(2010)[45]認(rèn)為填土內(nèi)的土拱高度不僅與樁(帽)凈間距有關(guān)，而且與填土內(nèi)摩擦角密切相關(guān)，并通過室內(nèi)1∶3縮尺模型試驗(yàn)進(jìn)行證實(shí)。基于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，首次提出了與填土內(nèi)摩擦角相關(guān)的土拱臨界高度計(jì)算公式，即

Hc=C(s-a) 。

(4)

李波等(2010)[46]基于Hewlett和Randolph(1988)[7]正方形布樁時(shí)半球殼土拱模型假設(shè)和土拱效應(yīng)分析方法，推導(dǎo)出考慮路堤荷載和均布附加荷載共同作用下樁承路堤(有筋或無筋)土拱效應(yīng)分析方法；分析表明：路堤填筑高度、填土內(nèi)摩擦角、筋材抗拉剛度、樁帽覆蓋率和地基彈性模量對(duì)土拱效應(yīng)和拉膜效應(yīng)均有一定影響，其中筋材抗拉剛度和地基彈性模量的影響更顯著。

樁承式加筋路堤在實(shí)際工作狀態(tài)下承受交通荷載，這是一種不規(guī)則的重復(fù)荷載，會(huì)對(duì)整個(gè)體系產(chǎn)生影響。Kempfert等(2004)[47]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：在循環(huán)荷載作用下，填土的土拱效應(yīng)發(fā)揮程度較低，樁體荷載分擔(dān)比有所減小。Van Eekelen等(2009)[18]通過服役期的樁承加筋路堤的監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：交通荷載對(duì)土拱效應(yīng)具有明顯的影響；監(jiān)測(cè)顯示：在工作日重復(fù)重載交通荷載作用下，土拱效應(yīng)會(huì)減弱；而在節(jié)假日沒有卡車重載時(shí)，土拱效應(yīng)會(huì)逐步恢復(fù)，甚至進(jìn)一步強(qiáng)化。葉陽(yáng)升等(2010)[48]進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位動(dòng)載模擬試驗(yàn)，550萬(wàn)次動(dòng)載試驗(yàn)過程中，土拱基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，動(dòng)應(yīng)力在拱中基本按均值體傳遞。因此需要客觀認(rèn)識(shí)重復(fù)荷載對(duì)樁承式加筋路堤產(chǎn)生的負(fù)面作用，以正確分析土拱效應(yīng)的演變規(guī)律及其對(duì)樁土荷載分擔(dān)、地基變形的影響。

在關(guān)注樁承式加筋路堤荷載傳遞和工作機(jī)理的同時(shí)，作為道路工程主體部分，路堤和地基變形同樣需要引起重視。徐超等(2012)[27]完成的離心模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，加筋層數(shù)、在墊層的設(shè)置位置和方式等對(duì)路堤變形有一定影響，筋材反包設(shè)置有利于控制路堤不均勻變形，減少地基的側(cè)向變形。關(guān)于設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)路堤沉降的考慮，Brian?on和 Simon (2012)[42]根據(jù)原型試驗(yàn)建議應(yīng)考慮樁基上部負(fù)摩阻力對(duì)沉降的影響，因?yàn)闃痘两蹬c樁底應(yīng)力密切相關(guān)。Blanc等(2013)[49]采用離心模型試驗(yàn)比較系統(tǒng)地探討了樁承路堤碎石墊層厚度、密實(shí)度對(duì)土拱效應(yīng)的影響，對(duì)比了加筋與不加筋時(shí)樁體荷載承擔(dān)比的變化，論證了加筋拉膜效應(yīng)與樁間土沉降(加筋應(yīng)變)的關(guān)系。這些研究工作均說明：對(duì)于樁承路堤的實(shí)際應(yīng)用來講，可以通過合理設(shè)計(jì)以達(dá)到有效控制軟土地基上路堤穩(wěn)定性和沉降的目的。

5 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過一系列的工程實(shí)踐和科學(xué)研究，樁承式加筋路堤已被證明是在軟弱土地基上修建路堤的有效方法，且技術(shù)合理、節(jié)省工期和建設(shè)費(fèi)用。由于樁與樁間土客觀上存在明顯的剛度差異，必然引起樁(帽)與樁間土之間的沉降差，并因此形成樁承式加筋路堤中填土土拱效應(yīng)和加筋拉膜效應(yīng)，以及特有的荷載傳遞機(jī)制，土拱效應(yīng)和拉膜效應(yīng)的發(fā)揮程度受一系列因素的影響。

在樁承式加筋路堤體系中，由于地基條件復(fù)雜和交通荷載的影響，土拱效應(yīng)和荷載傳遞不應(yīng)該是單向的，荷載分擔(dān)也不是在路堤荷載施加后一次性完成，固定不變的；同樣地，拉膜效應(yīng)的發(fā)揮程度也不是一成不變的，不僅在施工期隨著荷載的增加而增強(qiáng)，而且在運(yùn)營(yíng)期隨著外部條件變化發(fā)生演變。當(dāng)樁不打穿軟土層，在土拱效應(yīng)和拉膜效應(yīng)下樁會(huì)發(fā)生向下刺入，土拱效應(yīng)勢(shì)必發(fā)生變化。當(dāng)?shù)鼗l(fā)生固結(jié)變形，拉膜效應(yīng)和樁土荷載分擔(dān)也會(huì)發(fā)生調(diào)整。樁承式加筋路堤中形成完全土拱是有條件的，這個(gè)條件不僅與填土高度/樁間凈間距有關(guān)，而且與填土性質(zhì)有關(guān)。因此，如果不能正確認(rèn)識(shí)樁-筋材-樁間土的相互作用，不能正確評(píng)價(jià)復(fù)雜條件下土拱效應(yīng)的演變規(guī)律，樁承式加筋路堤的工程應(yīng)用只能是經(jīng)驗(yàn)性的。

在進(jìn)一步的研究中，應(yīng)揭示樁承式加筋路堤土拱效應(yīng)的演變規(guī)律及主要影響因素，驗(yàn)證并建立包括土拱形態(tài)、土拱條件在內(nèi)的土拱模型。在此基礎(chǔ)上提出土拱效應(yīng)、拉膜效應(yīng)、荷載傳遞與樁土荷載分擔(dān)的分析方法。在分析研究樁承式加筋路堤工作機(jī)理的同時(shí)，還應(yīng)更加關(guān)注與工程實(shí)踐要求密切相關(guān)的路堤變形問題，提出沉降控制設(shè)計(jì)相關(guān)的設(shè)計(jì)理論與方法。

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