談樁承式路堤中土拱效應(yīng)的研究現(xiàn)狀*

曾春梅 劉建強 郭瑞峰 劉 彪 劉亞明

(東華理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 引言

土拱效應(yīng)是通過土體抗剪強度的發(fā)揮而實現(xiàn)的用來描述應(yīng)力轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。自Terzaghi[1]通過著名的Trapdoor試驗證實了土拱效應(yīng)的存在以來，土拱效應(yīng)得到了巖土工程領(lǐng)域眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。從提出土拱效應(yīng)的存在到得出樁土荷載分擔(dān)比的計算方法，再到揭示不同高度的路堤對樁承式路堤土拱形態(tài)的影響和荷載傳遞機制，學(xué)者們對土拱效應(yīng)的研究取得極大進(jìn)展。如今，土拱理論廣泛應(yīng)用于隧道、邊坡工程、樁承式路堤等領(lǐng)域，筆者則重點論述土拱效應(yīng)在樁承式路堤中的研究現(xiàn)狀。

樁承式路堤是利用剛性樁以及樁帽作用在軟土層的一種地基處理方式，與天然路堤相比，樁承式路堤具有穩(wěn)定性好、施工工期短、不均勻沉降小、經(jīng)濟效益高等特點，近年來在實際工程中得到越來越多的應(yīng)用。當(dāng)樁承式路堤中的樁及樁帽作用于軟土層時，樁間會形成土拱，土拱將應(yīng)力傳遞至樁帽，因此樁承式路堤的設(shè)計必須考慮到土拱效應(yīng)的作用。由于土拱效應(yīng)的存在，樁承式路堤中上部路基的自重大部分應(yīng)由樁體直接傳遞至持力層，從而增強了路堤的穩(wěn)定性?？紤]土拱效應(yīng)能使樁承式路堤的設(shè)計更加經(jīng)濟合理，因而樁承式路堤中土拱效應(yīng)的研究對樁承式路堤的設(shè)計理論具有很大的指導(dǎo)意義。筆者從理論分析、現(xiàn)場試驗、模型試驗角度出發(fā)，對前人的研究成果進(jìn)行總結(jié)，提出研究展望，為今后土拱效應(yīng)的研究提供參考。

1 土拱效應(yīng)的理論研究

在樁承式路堤中，由于地基條件的復(fù)雜性和上部荷載的不確定性，樁承式路堤中土拱效應(yīng)的理論研究具有一定的難度，但前人在理論研究方面取得了很大的進(jìn)展。對于樁承式路堤中土拱效應(yīng)的研究，學(xué)者們大多數(shù)從已有的傳統(tǒng)土拱效應(yīng)分析方法等理論方法入手，結(jié)合工程實例分析或進(jìn)行模型試驗、提出計算模型，分析樁承式路堤中土拱效應(yīng)涉及到的因素或計算分析所研究計算表達(dá)式中的參數(shù)，最終求得試驗理論或計算表達(dá)式和計算方法，使理論能夠切合實際工程的應(yīng)用。

前人通過對已有理論的深刻研究，修正和改進(jìn)了傳統(tǒng)理論的分析方法。陳云敏等[2]改進(jìn)了傳統(tǒng)的Hewlett極限狀態(tài)空間土拱效應(yīng)分析方法，并結(jié)合工程實例分析，求得樁體荷載分擔(dān)比計算的解析表達(dá)式。莊妍等[3]通過平面土拱效應(yīng)室內(nèi)模型試驗，修正了Hewlett & Randolph理論方法，分析了路堤高度的變化對樁土應(yīng)力比的影響，計算結(jié)果表明：改進(jìn)后的分析方法在理論上更加完善，更符合工程實際。

學(xué)者根據(jù)已有理論研究提出假設(shè)及試驗?zāi)Ｐ?，求得土拱效?yīng)應(yīng)用于樁承式路堤中的許多參數(shù)的計算方法，揭示了土拱效應(yīng)的規(guī)律、機制和機理。劉洪凱等[4]通過假設(shè)土拱形態(tài)，對土拱效應(yīng)進(jìn)行公式推導(dǎo)、開展工程實例演算及進(jìn)行參數(shù)分析，得到樁承式路堤下樁土荷載分擔(dān)比的計算方法，該方法計算的結(jié)果與工程實際較接近，切實可行。芮瑞等[5]采用二維拱效應(yīng)自制模型試驗裝置進(jìn)行砂填料的樁承式路堤拱效應(yīng)模型試驗，提出了砂填料樁承式路堤的三角拱力學(xué)計算模型，通過推導(dǎo)建立了適用于砂填料樁承式路堤的樁土應(yīng)力比計算方法。但由于其試驗采用的是砂作為填料，其結(jié)論的應(yīng)用范圍具有一定的局限性。張八芳等[6]根據(jù)路堤荷載作用下的樁土變形特性，分析了樁承式路堤土拱效應(yīng)形成機理及形成條件，提出了采用土拱效應(yīng)比來反映土拱效應(yīng)的發(fā)揮程度。趙子榮等[7]針對目前計算樁土應(yīng)力比未考慮樁土相對位移的問題，通過假設(shè)路堤內(nèi)部側(cè)摩阻力的傳遞規(guī)律和相對位移的分布形式，建立了能夠反映樁土應(yīng)力比隨樁土相對位移變化的計算模型。馬一躍等[8]通過對Trapdoor試驗離散元模擬，從二維和三維角度研究不同高度的路堤對樁承式路堤土拱形態(tài)的影響和荷載傳遞機制。

2 土拱效應(yīng)的試驗研究

2.1 土拱效應(yīng)的模型試驗研究

模型試驗即根據(jù)相似原理，制成與原型邊界條件、受力機理等相似但縮小了尺寸的模型，在此模型中進(jìn)行試驗研究。在樁承式路堤中土拱效應(yīng)的研究過程中，因考慮到樁承式路堤土拱效應(yīng)現(xiàn)場試驗費工費時、試驗周期長、條件有限等因素，模型試驗成為研究土拱效應(yīng)的重要研究手段。

基于樁承式路堤的室內(nèi)模型試驗，前人主要針對樁承式路堤中外界因素對土拱效應(yīng)的影響以及土拱形狀進(jìn)行了研究。CHEWHS等[9]通過模型試驗研究了樁承式路堤中水平加筋的作用，認(rèn)為水平加筋對土拱效應(yīng)有增強作用。芮瑞等[5]采用二維拱效應(yīng)自制模型試驗裝置進(jìn)行砂填料的樁承式路堤拱效應(yīng)模型試驗。曹衛(wèi)平等[10]通過模型試驗，對樁土應(yīng)力比的變化規(guī)律、路堤沉降變形性狀及其影響因素進(jìn)行了研究。徐超等[11]通過縮尺模型試驗，主要研究樁承式加筋路堤中正方形布樁的樁帽凈間距、路堤土性質(zhì)對土拱效應(yīng)的影響，分析填土黏聚力和樁帽間距對土拱效應(yīng)的影響及其隨附加荷載變化的規(guī)律。丁選明等[12]利用透明土材料，通過PIV技術(shù)的模型試驗系統(tǒng)對樁承式路堤中土拱效應(yīng)進(jìn)行試驗，研究得出：樁間土下沉過程中，路堤中的土拱每個單拱近似于半橢圓，沉降量增大時土拱形狀幾乎不變，路堤中變形范圍擴大。

2.2 土拱效應(yīng)的現(xiàn)場試驗研究

鑒于現(xiàn)場試驗受施工、自然條件、環(huán)境因素等影響，對自變量控制程度較低，無關(guān)因素影響的可能性較大，且現(xiàn)場試驗對資金和時間的耗費量較大。因此現(xiàn)場試驗尚處于起步階段，現(xiàn)場試驗有待進(jìn)一步發(fā)展。

現(xiàn)階段的現(xiàn)場試驗多在高速公路開展，對樁間距的樁土應(yīng)力比及填土高度進(jìn)行分析。陳洋等[13]在某高速公路不同工況下進(jìn)行現(xiàn)場試驗，采用振弦式二次感應(yīng)土壓力計測量樁帽和樁間土表面土壓力，發(fā)現(xiàn)樁帽—土壓力比隨路堤荷載的增加而增大，隨樁帽寬度和樁間距的增加而減小。曾開華等[14]通過某高速公路軟土地基處理中進(jìn)行現(xiàn)場試驗，對路堤柔性基礎(chǔ)下低強度混凝土樁復(fù)合地基的性狀進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明：在柔性地基下這種復(fù)合地基可發(fā)揮樁間土的承載能力，其樁土應(yīng)力比的變化趨勢為先減小后增大。陳庚等[15]采用了塑料套管現(xiàn)澆混凝土樁承式路堤現(xiàn)場試驗，對參數(shù)進(jìn)行計算分析，研究填土高度對土拱效應(yīng)產(chǎn)生的影響，得出：當(dāng)填土高度達(dá)到0.5倍樁間距時，出現(xiàn)土拱效應(yīng)；達(dá)到0.9倍樁間距時形成完全穩(wěn)定土拱。

3 土拱效應(yīng)的數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬成本低廉，具有非常靈活的可操作性，不受時間、空間以及多種外部環(huán)境的限制，將數(shù)值模擬與試驗研究相結(jié)合能使研究結(jié)論更加合理客觀。在土拱效應(yīng)的研究中，由于試驗條件和技術(shù)手段的限制，無法測得樁間土體、樁后土體任意一點的土壓力，難以觀測土體顆粒的應(yīng)變。數(shù)值模擬為掌握土體內(nèi)部的土拱作用機理提供了一種可視化的方法，能夠彌補室內(nèi)模型試驗和現(xiàn)場試驗的不足。

前人通過建立數(shù)值模型，主要對土拱結(jié)構(gòu)、反映土拱效應(yīng)的變量以及土拱形態(tài)進(jìn)行研究分析，并取得了一定的成果。郭紅梅[16]采用PFC2D建立離散元(DEM)數(shù)值模型，對樁承式路堤中的接觸力分布、主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)、豎向位移和側(cè)向位移進(jìn)行深入分析，認(rèn)為路堤中土拱結(jié)構(gòu)的完整程度與樁間距和路堤填土高度有關(guān)。高雁等[17]對筒樁樁承式路堤中的土拱效應(yīng)進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬，重點分析了筒樁樁承式路堤中的豎向應(yīng)力分布規(guī)律、大主應(yīng)力方向以及土拱效應(yīng)系數(shù)等反映土拱效應(yīng)的變量。劉朝暉等[18]利用數(shù)值模擬試驗研究低填路堤下土拱效應(yīng)的特性，通過建立三維土拱模型，對不同樁體布置形式下的土拱形態(tài)進(jìn)行了研究。楊濤等[19]通過建立平面應(yīng)變條件下樁承式加筋路堤土拱形態(tài)分析的彈塑性有限元模型，對樁承式加筋路堤中的土拱形態(tài)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，并分析加筋對樁帽—土荷載分擔(dān)特性的影響。王軍軍等[20]通過二維數(shù)值模型，模擬了樁承式路堤中土拱效應(yīng)的極限情況，分析了影響等沉面高度的因素，結(jié)果表明樁徑和樁間距的變化是影響等沉面高度變化的重要因素。楊濤等[21]采用彈塑性有限元數(shù)值模擬方法，建立平面應(yīng)變條件下土拱形態(tài)分析的整體有限元模型和簡化有限元模型，確定土拱形態(tài)，并對土拱形態(tài)曲線點進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)于不同模型的土拱形態(tài)方程。結(jié)果表明，采用土拱分析模型獲得的土拱的形態(tài)為半橢圓形，拱腳坐落在樁帽上。

4 研究展望

1)土拱效應(yīng)自發(fā)現(xiàn)以來，國內(nèi)外大量學(xué)者對其進(jìn)行了細(xì)致深入的研究，然而對于土拱形態(tài)，據(jù)不完全統(tǒng)計，僅針對樁承式路堤就提出了六種形態(tài)模型，但均未通過實測真實探測到拱體的存在。對此，有學(xué)者對“土拱”的存在提出了質(zhì)疑。而丁選明等[12]利用透明土模型研究土拱效應(yīng)，結(jié)合粒子圖像測速技術(shù)，直觀地探測到宏觀土拱形態(tài)及路堤填土的位移分布。采用透明土模型或與之類似的模型方法，可以為研究土拱效應(yīng)提供一個新思路。

2)在現(xiàn)有的關(guān)于樁承式路堤土拱效應(yīng)研究中，大部分都是假設(shè)已發(fā)展為完整的土拱形態(tài)，或者認(rèn)為路堤足夠高，能滿足形成完整土拱形態(tài)的條件。實際上，很多地區(qū)都是矮路堤公路，且我國東南沿海地區(qū)的公路一般建于軟土地基上。而根據(jù)Zhuang等[22]研究內(nèi)容中所述，在軟弱土層中，只有當(dāng)路堤高度與樁間凈間距之比大于1.5時，路堤中才能形成完整的土拱，此時路堤面才不會出現(xiàn)差異沉降。因此，建議今后研究考慮未形成完整土拱或者矮路堤的情況。

3)目前，因考慮到樁承式路堤土拱效應(yīng)現(xiàn)場試驗費工費時，難控制、難重復(fù)，試驗周期長、條件有限等因素，國內(nèi)外學(xué)者對樁承式路堤土拱效應(yīng)的研究，絕大部分都是通過模型試驗方法和有限元數(shù)值模擬方法實現(xiàn)。然而，樁承式路堤中土拱效應(yīng)的研究主體多為土拱形態(tài)、土拱高度、路堤高度對土拱效應(yīng)的影響和樁土相對位移等，而這些主要研究目標(biāo)的影響因素較多，例如土體的內(nèi)摩擦角、黏聚力等，都會對土拱效應(yīng)的產(chǎn)生和發(fā)展形成一個不容忽視的影響。因此，現(xiàn)場試驗更能反映出土拱效應(yīng)真實情況，更具實際應(yīng)用價值。在現(xiàn)有土拱效應(yīng)部分研究內(nèi)容還存在分歧的情況下，現(xiàn)場試驗有待進(jìn)一步發(fā)展。