淺談樁承式加筋路堤的應(yīng)力荷載機(jī)理

王朦詩(shī)

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，國(guó)家整體建設(shè)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和區(qū)域經(jīng)濟(jì)、城鎮(zhèn)化等進(jìn)程不斷推進(jìn)，我國(guó)的高速公路、高速鐵路、其他交通道路等在大規(guī)模的規(guī)劃和建設(shè)之中。而隨著道路建設(shè)的發(fā)展以及國(guó)家對(duì)道路需求的不斷提升，越來(lái)越多的公路、鐵路開(kāi)始修建在軟土層路基上，由于軟土層路基自身缺陷，道路不均勻沉降、裂縫、滑坡等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)道路安全構(gòu)成了極大的隱患，因此進(jìn)行合理的路基處理顯得尤為重要[1]。針對(duì)軟土層路基等不良路基，樁承式加筋路堤可以有效地控制地基不均勻沉降和側(cè)向變形，且施工填筑工效快、避免預(yù)壓和二次開(kāi)挖，降低了對(duì)不良路基的二次破壞，縮短施工工期，控制施工質(zhì)量，降低施工成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1-3]。然而，由于路堤力學(xué)機(jī)理和荷載傳遞機(jī)理的復(fù)雜性，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中仍舊會(huì)出現(xiàn)由于抗壓強(qiáng)度差異、應(yīng)力集中效應(yīng)等問(wèn)題而導(dǎo)致的道路沉降、裂縫等現(xiàn)象。

1 樁承式加筋路堤概念及特點(diǎn)

為了對(duì)不良路基進(jìn)行有效的加固處理，專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)不同的施工環(huán)境和施工對(duì)象，提出了排水固結(jié)法、置換法、強(qiáng)夯法、復(fù)合地基法等多種路基處理辦法，而這些技術(shù)對(duì)不良路基的控制效果和推廣應(yīng)用有限。樁承式加筋路堤有效彌補(bǔ)了這些技術(shù)存在的不足，能夠有效控制不良路基沉降和側(cè)向變形，在提高施工工效的同時(shí)，有效降低工程后期沉降和差異沉降，道路穩(wěn)定性得到有效控制，在我國(guó)道路施工現(xiàn)有地質(zhì)條件復(fù)雜、環(huán)境較為惡劣的條件下得到了廣泛應(yīng)用[1,3]。樁承式加筋路堤結(jié)構(gòu)主要包括樁體、樁帽、土工合成材料加筋墊層（加筋體）和路堤4個(gè)部分，見(jiàn)圖1。路堤樁體根據(jù)軟土層厚度及力學(xué)特性打設(shè)于軟土層底部或硬土層，加筋體一般放置于樁帽之上，路堤通過(guò)樁體結(jié)構(gòu)和樁體之間的土產(chǎn)生的土拱效應(yīng)以及加筋體與樁體之間產(chǎn)生的拉膜效應(yīng)，使路堤荷載應(yīng)力傳遞至樁體頂端，相對(duì)于軟土層來(lái)說(shuō)，剛度較大的樁體承擔(dān)了來(lái)自路堤的大部分荷載，降低了軟土層承受的應(yīng)力荷載，有效降低因不良路基受到路堤荷載而發(fā)生的不均勻沉降和側(cè)向變形，進(jìn)而有效控制路堤的整體沉降[2-3]。

圖1 樁承式加筋路堤結(jié)構(gòu)示意圖

鑒于樁承式加筋路堤的特點(diǎn)及其對(duì)軟土層路基的控制效果，目前該路堤的應(yīng)用主要集中在橋臺(tái)后過(guò)渡段軟土、路堤軟土、高填土分段路堤軟土、舊路改造擴(kuò)建等新路堤軟土以及較為重要的設(shè)備（如貯油罐）設(shè)置軟土等工程施工工期較緊或沉降控制要求較為嚴(yán)格的工程路段路基加固。

2 樁承式加筋路堤的應(yīng)力荷載機(jī)理

樁承式加筋路堤之所以能夠?qū)β返滩痪鶆虺两怠?cè)向變形等進(jìn)行有效控制，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)整體結(jié)構(gòu)之間的相互作用、互相影響以及樁體與土層之間發(fā)生的土拱效應(yīng)、水平加筋材料產(chǎn)生的拉膜效應(yīng)，使路堤荷載的應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)變并向樁體集中，進(jìn)而降低路堤荷載對(duì)土層的力學(xué)作用，而路堤荷載在樁帽頂部集中并進(jìn)行分?jǐn)偤螅ㄟ^(guò)樁體與土層之間的相互作用，在加固范圍內(nèi)形成復(fù)合加固路基，從而控制路堤差異沉降和變形，見(jiàn)圖2[3-5]。

圖2 路堤荷載傳遞機(jī)理示意圖

2.1 土拱效應(yīng)

土拱效應(yīng)的原理如下：是由于不同介質(zhì)對(duì)應(yīng)力的不同荷載，為了達(dá)到應(yīng)力平衡，不同介質(zhì)間產(chǎn)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，土體自身存在的抗剪強(qiáng)度會(huì)使這種應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象對(duì)土體進(jìn)行作用，產(chǎn)生壓縮和變形，從而形成土拱效應(yīng)。樁承式加筋路堤發(fā)生土拱效應(yīng)，是由于樁體比軟土層的支撐抗壓剛度更大，在路堤荷載應(yīng)力作用下，樁體的壓縮變形量要小于樁體之間土體的壓縮變形量，局部土體產(chǎn)生移動(dòng)，造成路堤土體與樁體之間土體產(chǎn)生相對(duì)位移，進(jìn)而形成剪應(yīng)力，代表路堤荷載的剪應(yīng)力傳遞至樁頂，使樁頂荷載集中，樁體之間土體對(duì)應(yīng)荷載作用強(qiáng)度降低，土體內(nèi)部由于荷載作用發(fā)生壓縮和變形等結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生互相楔緊作用，從而導(dǎo)致路堤中出現(xiàn)土拱效應(yīng)，見(jiàn)圖2。土拱效應(yīng)的存在使樁體與樁體之間土體重新構(gòu)成了在路堤荷載作用下的相對(duì)穩(wěn)定支撐體，而土拱效應(yīng)的發(fā)揮效果直接決定了樁承式加筋路堤的承載能力和穩(wěn)定性：當(dāng)土拱效應(yīng)不足時(shí)，即樁體之間土體受荷載作用產(chǎn)生的互相楔緊作用不充分，當(dāng)受到更大的荷載作用的時(shí)候，土體仍舊會(huì)因受到壓縮和變形進(jìn)行互相楔緊，路堤頂面容易發(fā)生不均勻沉降和變形；而當(dāng)土拱效應(yīng)過(guò)大時(shí)，樁體荷載應(yīng)力較為集中，施工過(guò)程中對(duì)樁體的要求過(guò)高，不能達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果。

2.2 拉膜效應(yīng)

拉膜效應(yīng)的原理如下：加筋體受到路堤荷載作用后，發(fā)生向下彎曲的應(yīng)力變形，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，加筋體在承受一定豎向荷載應(yīng)力作用的條件下，在路堤填土的側(cè)向推力作用下，產(chǎn)生一個(gè)限制路基土體側(cè)向變形的約束力，從而將部分垂直應(yīng)力分量傳遞至樁體，在樁體上形成因加筋體荷載轉(zhuǎn)移的應(yīng)力集中，從而對(duì)路基土體進(jìn)行變形和差異沉降限制，即為拉膜效應(yīng)，見(jiàn)圖2。拉膜效應(yīng)對(duì)樁承式加筋路堤穩(wěn)定性的影響，主要體現(xiàn)在：所選擇的加筋體層在雙重荷載應(yīng)力作用下，是否能夠限制路基邊坡填土的側(cè)向推力的影響。

3 樁承式加筋路堤的沉降和承載力分析

樁承式加筋路堤對(duì)路堤差異沉降和變形進(jìn)行有效控制，主要在于：樁體和水平加筋體層的存在，促使路堤填土荷載以及路面交通荷載對(duì)軟土層的荷載應(yīng)力作用發(fā)生轉(zhuǎn)移，通過(guò)應(yīng)力作用產(chǎn)生的土拱效應(yīng)和拉膜效應(yīng)，荷載因不同介質(zhì)間應(yīng)力強(qiáng)度不同而發(fā)生轉(zhuǎn)移，周邊土體應(yīng)力向樁體轉(zhuǎn)移，樁體荷載向樁基硬土層轉(zhuǎn)移，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力平衡被打破之后又重新恢復(fù)平衡，且路堤的整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，承受荷載作用的能力更強(qiáng)，進(jìn)而起到控制路堤在荷載作用下的沉降和變形的作用[4-6]。因此，樁承式加筋路堤起到有效作用的關(guān)鍵在于：如何充分有效地利用土拱效應(yīng)以及土工材料的拉膜效應(yīng)。

3.1 樁承式加筋路堤沉降分析

根據(jù)樁承式加筋路堤的作用機(jī)理，可以將沉降分析分為路堤荷載傳遞、加筋體層、樁帽間整平層、加固區(qū)、下臥層等5個(gè)部分。

1）路堤荷載傳遞。即路堤荷載造成樁帽與樁間土體產(chǎn)生差異沉降，在路堤填土內(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)力，荷載向樁帽轉(zhuǎn)移集中，進(jìn)而形成土拱效應(yīng)。而當(dāng)路堤填土高度較低時(shí)，路堤填土內(nèi)部不會(huì)形成完整土拱，土拱效應(yīng)波及路堤表面形成差異沉降或變形；反之，路堤填土內(nèi)部形成完整土拱，土拱處至路堤表面形成共同沉降效果，路堤表面不會(huì)出現(xiàn)差異沉降或變形，即完整土拱高度即為路堤填土高度的臨界值。

2）加筋體層。水平加筋體層的研究重點(diǎn)在于確定加筋體層的受力情況分布，即在固定荷載的條件下，計(jì)算樁帽邊緣處加筋體層受應(yīng)力作用產(chǎn)生的水平位移和縱向拉力極限。

3）樁帽間整平層。整平層的分析主要是考慮加筋體層在荷載作用下發(fā)生的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，整平層在應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生壓縮變形，從而造成樁帽下土體與樁帽逐漸脫離，排除摩擦力作用，樁帽上的荷載則會(huì)全部轉(zhuǎn)移至樁體，而整平層的荷載會(huì)通過(guò)整平層的擴(kuò)散作用全部傳遞給樁間土體。

4）加固區(qū)和下臥層。樁體、加筋體層、樁間土體共同作用形成加固區(qū)，隨著荷載向樁體、樁間土體、下部持力土層的不斷轉(zhuǎn)移，加固區(qū)逐漸形成；而荷載向樁體不斷集中致使樁端與樁周土體間產(chǎn)生差異沉降，使樁端荷載向下往周?chē)馏w擴(kuò)散，而擴(kuò)散到一定深度后，樁體與持力層中形成均勻沉降，進(jìn)而路堤、加筋體層、樁體、樁體間土體、持力層逐漸形成共同均勻沉降區(qū)。

3.2 樁承式加筋路堤承載力分析

樁承式加筋路堤能夠有效對(duì)路堤進(jìn)行沉降控制，是基于路堤力學(xué)效應(yīng)對(duì)路面承載力的提升和增強(qiáng)，從而促使路堤具有較其他路堤來(lái)說(shuō)更為強(qiáng)大的承載力，以及維持路堤、路面穩(wěn)定的控制力。受荷載作用下，樁承式加筋路堤各結(jié)構(gòu)間發(fā)生荷載轉(zhuǎn)移和應(yīng)力變化，產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)，從而起到路堤承載作用，保證路堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)樁承式加筋路堤的承載效應(yīng)原理，力學(xué)效應(yīng)主要分為3個(gè)部分：一是土拱效應(yīng)大部分路堤荷載向樁體轉(zhuǎn)移；二是由于加筋體層與周邊土體受到荷載效應(yīng)后發(fā)生的變形模量存在差異，促使加筋體層與土體間產(chǎn)生摩擦，形成抑制土體因荷載作用發(fā)生的拉伸現(xiàn)象，從而提升路堤與路基的承載力；三是另一方面，發(fā)生的變形模量差異引起的加筋體層力學(xué)作用在垂直方向的分量，將荷載進(jìn)一步向樁體轉(zhuǎn)移，并對(duì)由于受到荷載發(fā)生應(yīng)力擴(kuò)散的路堤填土進(jìn)行進(jìn)一步應(yīng)力分布均勻增強(qiáng)，從而提升路堤整體的穩(wěn)定性。因此，在對(duì)樁承式加筋路堤承載力進(jìn)行分析的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)同時(shí)對(duì)樁體、路堤填土、加筋體層等對(duì)路堤承載力的增強(qiáng)作用進(jìn)行綜合考慮。

4 結(jié)束語(yǔ)

樁承式加筋路堤在控制路堤沉降、提升施工工效、施工環(huán)境惡劣等方面具有突出優(yōu)點(diǎn)，尤其在處理軟弱土的軟土層路基方面，具有明顯的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)我國(guó)現(xiàn)有道路建設(shè)方法的選擇具有重要意義。通過(guò)分析可以得出，為了控制差異沉降，保證路堤的長(zhǎng)期穩(wěn)定，在對(duì)樁承式加筋路堤進(jìn)行施工的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)路堤高度、填土性質(zhì)、樁體結(jié)構(gòu)、樁體間距、加筋體層結(jié)構(gòu)以及路堤修建的地質(zhì)環(huán)境等進(jìn)行充分綜合考慮，在控制施工成本和施工工期的前提下，保證路堤力學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和持效性。