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摘要：土拱效应是桩承式路堤中荷载传递机理的重要内容。为了研究荷载传递机理，本文基于现有的土拱效应理论，利用FORTRAN与MATLAB进行了计算，并将其结果与现场试验结果或PLAXIS数值模拟结果进行了对比分析。
关键词：桩承式路堤；土拱效应；数值模拟
1.引言
桩承式路堤[1]是近年来国内外出现的一种新型不良地基处理技术，其由桩下硬土层，刚性桩（一般穿过软土层而作用于持力层上），桩间软土，作用于桩帽上的位于路堤底部的土工布（格栅），路堤填土材料构成。这是一种由桩-加筋体-桩间软土协同工作，荷载主要由刚性桩承担，但桩间土仍然发挥一定承载作用的路基处理技术。由于这种处理方式能够充分调动桩、网、土三者的潜力，具有沉降变形小、工后沉降容易控制、稳定性高、工期短、施工方便、施工组织设计容易组织等特点，故国内外得到广泛应用。
桩承式路堤的工作机理非常复杂，目前尚无统一结论。土拱效应是桩承式路堤中荷载传递机理的重要内容。常用的参数有桩体荷载分担比E，桩土应力比η。其中桩土应力比是直接反应土拱效应的指标，桩体荷载分担比能直接反应荷载传递的效果，是路堤设计中的一个关键性指标，其定义式如下：
2、现有关荷载传递机理研究
国内外学者有关荷载传递机理研究的结论尚未统一，主要观点如下：
Hewlett（1988）[2]等通过室内模型试验，假设桩帽以上土体形成半球壳形土拱，并将其拆分为一个球形土拱和四个平面土拱。在未考虑加筋体对填土中土拱效应影响作用下，提出了在竖向不一定满足受力平衡条件的桩体荷载分担比的理论计算公式。
Low[3]等在Hewlett（1988）的研究基础上，认为填土在拱顶处更易达到极限状态，运用在拱顶处平衡微分方程得到了桩间土上的应力 ，桩帽顶面所受应力 ，桩土应力比n。
陈云敏[4]等认为Hewlett（1988）模型中土拱在拱顶与拱脚不一定处于极限状态，改进了模型在极限状态下空间土拱效应的分析方法，将土拱分为处于弹性和塑性两种状态，应用平衡方程得到了桩体荷载分担比公式E。
Zaeske（2001）错误！未找到引用源。采用多拱理论，提出了变曲率的土拱理论。
S.J.M van Eekelen，A.Bezuijen[6]等在Hewlett&Rndolph（1988）和Zaeske（2001）的计算模型基础上，提出了一个在考虑极限平衡状态下新的反应土拱发展机理的同心拱半球形模型。
3.数值模拟与现有研究比较
3.1工程概况
台缙高速公路东段工程错误！未找到引用源。试验段地表硬壳层为冲海积粘土，厚约3.0m，下卧为淤泥质亚粘土，厚约17m，下部为冲洪积圆砾。试验段采用预制管桩处理，路基顶宽为26m，路堤均高为6.5m，其中砂砾垫层0.5m，垫层上部填土高度6.0m；管桩采用矩形布桩，桩距分为2.0m、2.5m与3.0m，桩径400mm，桩长20m；相应桩帽为lmxlm，1.3mx1.3m，1.6mxl.6m，厚度均为0.35m；硬壳层厚3m，软土层厚17m，下卧圆砾层厚15m；计算深度取50m。按照路堤的实际堆填过程加载，仅仅考虑填土的自重，每级填土高度为0.5m，共分为13级荷载。
3.2模型材料参数
试验段桩（帽）杨氏模量30GPa，土工格栅抗拉刚度J=1100KN/m。试验段模型其他材料所采用参数如表1所示：
3.3计算模型与现场试验的比较分析
通过对台缙高速公路K18+183~K18+309试验段的监测，获得了桩承式路堤中桩及桩间软土上应力的分布情况数据，从而推算出相应桩土应力比和桩体荷载分担比的分布情况。为了研究桩承式路堤相关土拱效应模型的合理性，本文利用FORTRAN与MATLAB计算出Zaeske变曲率多拱模型、Van Eekelen同心拱模型、BS8006模型、Law平面土拱模型、Hewlett-3D穹顶拱模型和陈云敏修正模型等现有理论模型的桩体荷载分担比值，然后分别将其与现场试验结果和PLAXIS数值模拟结果进行了对比分析。
3.3.1 桩、土应力的比较
台缙高速公路K18+183~K18+309试验段桩帽和桩间软土上应力的比较见表2。
3.3.2 桩土应力比及桩体荷载分担比的比较
台缙高速公路K18+183~K18+309试验段桩土应力比、桩体荷载分担比的比较见表3、表4。
从表3和表4可以看出：（1）对于试验段的桩土应力比，推算值与Law平面土拱模型、陈云敏修正模型理论计算值及本文值基本接近；Zaeske变曲率多拱模型、Van Eekelen同心拱模型及Hewlett-3D穹顶拱模型理论计算值与推算值有较大偏差。（2）对于试验段的桩体荷载分担比，推算值与Zaeske变曲率多拱模型、Van Eekelen同心拱模型、Hewlett-3D穹顶拱模型、陈云敏修正模型理论计算值及本文值相差不大，两者差值在15%以内。（3）Law平面土拱模型计算桩、土应力值与实测值基本接近，但在计算桩体荷载大小时所用面积为桩梁面积而非桩帽面积，从而导致桩体荷载分担比偏大。（4）Zaeske变曲率多拱模型和Van Eekelen同心拱模型由于加筋体承担了部分荷载，从而导致桩间软土地基反力较小及桩土应力比相对较大，但桩体荷载分担比与推算值相差不大。（5）对于BS8006规范，由于桩帽上土压力计算值过大，桩间软土上土压力计算值偏小，从而导致桩土应力比过大，桩体荷载分担比过大。
4．结论
通过对台缙高速公路K18+183~K18+309试验段中桩及桩间软土表面沉降、桩及桩间软土上应力的分布情况分析，推算了相应桩土应力比和桩体荷载分担比的分布情况，并将上述结果与Zaeske变曲率多拱模型、Van Eekelen同心拱模型、BS8006模型、Law平面土拱模型、Hewlett-3D穹顶拱模型、陈云敏修正模型的理论计算值及数值模拟结果进行了对比，结果表明：Zaeske变曲率多拱模型、Van Eekelen同心拱模型及Hewlett-3D穹顶拱模型与实测值基本吻合，可以作为桩承式路堤设计的理论计算参考依据。
参考文献：
[1]龚晓南.高等级公路地基处理设计指南[M].北京：人民交通出版社，2005.
[2]Hewlett W J，Randolph M F.Analysis of piled embankments[C]//International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts.Elsevier Science，1988，25（6）：297-298.
[3]Low B K，Tang S K，Choa V.Arching in piled embankments[J].Journal of Geotechnical Engineering，1994，120（11）：1917-1938.
[4]陈云敏，贾宁，陈仁朋.桩承式路堤土拱效应分析[J].中国公路学报，2004，17（14），17（4）：1-6.
[5]Zaeske D.Zur Wirkungsweise von unbewehrten und bewehrten mineralischen Tragschichten über pfahlartigen Gründungselementen.Uni Kassel，2001.
[6]Van Eekelen S J M，Bezuijen A，Lodder H J，et al.Model experiments on piled embankments.Part I[J].Geotextiles and Geomembranes，2012，32：69-81.
[7]台缙高速公路东段工程现场监测成果及分析报告.浙江大学岩土工程研究所，2005.
论文作者:曾国强
论文发表刊物:《基层建设》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/27
标签：荷载论文; 模型论文; 路堤论文; 应力论文; 曲率论文; 机理论文; 理论论文; 《基层建设》2017年第21期论文;