桩承地基路堤土拱效应的影响因素分析

李惠玲，胡荣华，强小俊

(1.深圳市房地产评估发展中心地质环境部，广东深圳 518034;2.中国铁道科学研究院深圳研究设计院，广东深圳 518034)

桩承地基是近年来发展的一种软基处理方法，其加固路堤典型断面如图1所示，它不同于常见的复合地基［1-2］。

图1 桩承地基加固路堤断面示意

桩承地基主要是通过路堤填土中形成的土拱效应(见图2)和加筋体的兜提效应(见图3)将大部分的路堤荷载传递给桩来承担，桩是承担荷载的主体［3-4］。

目前主要是从理论计算、试验研究以及数值研究等三个方面来研究桩承地基路堤土拱效应的。土拱效应的理论计算方法主要有 Terzaghi法［5］、Hewlett法［6］、Low 法［7］，英国规 范 BS8006 法［8］及 Carlsson法［9］;土拱效应的试验研究方面，Kempfert［10］、Hewlett＆ Randolph［6］、曹卫平［11］、张超［12］、闫宏业［13］、强小俊［2］、Chew 等［14］以及 Horgan ＆ Sarsby［15］的工作较为深入。数值模拟方面，Han＆Gabr［16］分析了路堤高度及水平加筋体对土拱效应的影响，Kempton and Russell等［17］研究了路堤高度以及桩帽尺寸对土拱效应的影响，陈仁鹏等［18-19］分析了桩帽尺寸、桩间距以及路堤高度对土拱效应的影响。

国内外学者的研究大大推动了桩承地基路堤土拱效应的研究，但他们仅是从一个或者两个影响因素方面来分析研究。本文基于桩承地基路堤荷载的室内模型试验，利用ABAQUS具体分析了桩帽大小、桩间土性质、水平加筋体、路堤填土性质等因素对土拱效应的影响规律。

1 ABAQUS模型及参数

1.1 计算模型

按照室内模型试验的尺寸［2］进行建模，模型中由桩(帽)、桩间土、碎石垫层、土工格栅及路堤填土等5部分组成。桩(帽)、填土以及垫层采用实体单元，土工格栅采用膜单元、线弹性本构关系，桩(帽)采用线弹性模型，路堤填土、碎石垫层及桩间土采用Mohr-Coulomb弹塑性模型。计算过程中，路堤填筑的施加采用分层模拟，每10 cm为一层。

建立的三维模型，如图4所示。

图4 三维有限元分析模型

1.2 参数的选取

根据模型试验中给出的参数、前人研究资料及相关工程经验确定模型参数见表1［2］。

表1 模型计算参数

2 数值模拟结果及分析

2.1 桩帽大小对土拱效应的影响

图5分别表示了桩帽大小对桩体荷载分担比和桩土应力比的影响。从图5中可以看出，三种桩帽尺寸工况下的荷载分担比和桩土应力比随填土高度变化的规律基本一致，即路堤越高，荷载分担比和应力比就越大，越多的荷载由桩来承担，桩间土承担的荷载减小，说明路堤高度越高，土拱效应发挥得越充分。从该图中荷载分担比和应力比的变化曲线来看，桩帽尺寸越大，荷载分担比越大，桩土应力比却越小，这与文献［2］中室内模型试验结果所表现的变化规律一致。

有限元计算结果曲线上基本呈现了三个阶段:第一阶段为路堤填筑刚开始，荷载分担比和桩土应力比增加较为缓慢，这是由于路堤高度低，虽然有土拱效应出现，但此时还没有形成完全的土拱。第二阶段为路堤达到某一高度后，荷载分担比和桩土应力比增加速率加大，这是因为当路堤达到某一高度后，路堤中形成了完全的土拱，增加的荷载基本通过土拱传递给桩帽来承担。第三阶段为填土高度增加到一定高度后，荷载分担比和应力比变化幅度很小，逐步呈现收敛状态从而保持稳定不变，这是由于当路堤填土达到一定高度后，土拱进入塑性状态，荷载分担比将基本保持不变。

图5 桩帽大小对荷载分担比和桩土应力比的影响

2.2 桩间土性质对土拱效应的影响

图6表示了桩间土性质对荷载分担比和桩土应力比的影响。从图6中可看出，桩间土性质对土拱效应有一定的影响，桩间土模量越大，荷载分担比和桩土应力比就越小;反之，则越大。这是因为，一方面由于桩间土模量的减小意味着其本身承担荷载的能力减小，荷载分配时就会承担较小的荷载;另一方面由于桩间土模量的减小加大了桩土之间的相对位移，加强了土拱效应，使得桩间土承担较小的荷载，增加了荷载分担比和桩土应力比。且桩土应力比和荷载分担比随填土高度的变化过程也呈现了前文叙述的三个阶段。

图6 桩间土性质对荷载分担比和桩土应力比的影响

2.3 水平加筋体对土拱效应的影响

图7和图8分别表示了水平加筋体强度和层数的变化对荷载分担比及桩土应力比的影响。从图7与图8中可以明显看到，水平加筋体的设置对土拱效应的加强有着明显的效果，这主要有两个方面原因:一是由于加筋体自身与碎石垫层之间的相互摩擦和咬合作用增强了加筋垫层的刚度，加大了桩体所承担的荷载;另一方面是加筋体的提兜作用，将桩间土上方部分路堤荷载传递给桩体，减小了作用在桩间土上的荷载。路堤越高，水平加筋体对荷载分担比和桩土应力比的提高越明显，这是由于随着路堤高度的增加，桩土之间的相对位移就越大，引起加筋体的拉伸应变就越大，加筋体的提兜作用越明显，反之，加筋体的提兜作用越小，对荷载分担比和桩土应力比的提高越不显著。

从图7中不难发现，水平加筋体拉伸强度越大，则荷载分担比和桩土应力比就越大，即水平加筋体对土拱效应的加强程度越高。加筋体强度为 0，10.5 kN/m，30.6 kN/m和42.5 kN/m所对应的荷载分担比分别为40.65%，45.36%，50.14%和52.32%;最终稳定桩土应力比分别为8.05，9.76，11.82和12.90。由数据可看出，随着水平加筋体拉伸强度的越来越大，加筋体强度的增加对土拱效应的加强幅度越来越小，当水平加筋体拉伸强度增加到一定数值后，继续增加其拉伸强度，对土拱效应的加强程度不会有明显的提高，这与文献［16］所得出的结论基本一致。

从图8所示的加筋体层数对荷载分担比及桩土应力比的影响规律来看，加筋体层数越多，荷载分担比及桩土应力比就越大，对土拱效应的加强程度越高。设置0层、1层、2层、3层加筋体所对应的荷载分担比分别为40.65%，50.14%，53.75%和55.70%;桩土应力比分别为8.05，11.82，13.66和14.78。同样道理，在加筋体层数增加的一开始，加筋体层数的增加对土拱效应发挥程度的提高较大，当加筋体层数增加到一定程度时，继续增加加筋体层数对土拱效应的提高不再明显。因此，在实际的工程应用中应选择适当的加筋体层数，过多的加筋体可能会达不到预期的效果，造成经济上的浪费。从有限元的分析结果来看，加筋体选择1～2层较为合适，最多不超过3层。

图9和图10分别表示了水平加筋体在不同拉伸强度和不同铺设层数时的拉力分布规律。从图9和图10中明显看出，水平加筋体拉力的分布极不均匀，在桩间土位置拉力非常小，在桩帽位置拉力较大，且最大拉力并非出现在桩帽中心处，而是在桩帽的边缘位置。由图9看出，水平加筋体的拉伸强度越大，其最大拉力就越大，当水平加筋体强度为10.5 kN/m时，最大拉力为505 N，水平加筋体强度增加到42.5 kN/m时，最大拉力为1 334 N。这也证实了前文所述的水平加筋体的拉伸强度越大，提兜作用越显著，对土拱效应的贡献越大的说法。

图10分别为1层、2层和3层水平加筋体的拉力分布情况。从这3个图比较来看，随着加筋体层数的增加，第1层水平加筋体的最大拉力呈现减小的趋势，这是因为水平加筋体层数的增加减小了桩土沉降差，加筋体的拉伸应变也随着减小，从而减小了加筋体的拉力。由图10(c)还可看出，越远离桩帽平面位置，水平加筋体拉力越小，即在图中显示的第1层(桩帽平面位置)最大拉力最大，为925 N，第2层(距离桩帽平面5 cm位置)的最大拉力次之，为713 N，第3层(距离桩帽平面10 cm位置)的最大拉力最小，为495 N。最上层加筋体最大拉力为桩帽顶面加筋体最大拉力的53.5%左右。

2.4 路堤填土性质对土拱效应的影响

路堤填土的的摩擦角和黏聚力对路堤土拱效应有一定的影响［2-4］。下面分析路堤填土的摩擦角和黏聚力的变化对土拱效应的影响。图11和图12分别表示了路堤填土内摩擦角和黏聚力对荷载分担比和桩土应力比的影响。

从图11和图12中可以看出，路堤填土内摩擦角和黏聚力越大，荷载分担比和桩土应力比就越大，这是由于内摩擦角和黏聚力越大，相应的剪应力越大，将桩间土上方路堤荷载转移到桩帽上的比例就越大的缘故。从图中还可发现，随着路堤填土内摩擦角和黏聚力越来越大，对荷载分担比和桩土应力比的增加幅度却越来越小，这是因为随着内摩擦角和黏聚力的增大，桩土沉降差越来越小，桩帽上部路堤填土与桩间土上部路堤填土之间的相互剪切变形就越小，相对应的剪应力越小，从而造成相同增幅的内摩擦角和黏聚力对荷载分担比和桩土应力比的提高幅度就越小。

从以上分析来看，无论是增大路堤填土的内摩擦角还是黏聚力，都能够有效地增加荷载分担比。因此，在实际工程中，应该尽量选用内摩擦角和黏聚力较大的材料作为路堤填料，以加大桩体承担荷载的比例，减小桩间土承担的荷载。

3 主要结论

本文采用ABAQUS对桩承地基路堤土拱效应的影响因素进行了分析。具体分析了桩帽大小、桩间土性质、水平加筋体、路堤填土性质等因素对土拱效应的影响规律。得出如下几点结论:

1)桩帽大小对土拱效应的发挥有很大程度的影响，在其它条件不变的情况下，桩帽越大，桩体所分担的荷载比例越大，路堤总沉降和差异沉降越小，即土拱效应越强;反之，土拱效应则越弱。

2)土拱效应也受桩间土性质的影响，桩间土模量越大，桩土应力比越小;反之，桩土应力比越大。

3)水平加筋体的设置对桩体荷载分担比的提高有一定的作用，水平加筋体强度越大以及层数越多，土拱效应越强，但随着水平加筋体强度的加大和层数的增加，对土拱效应的增强幅度越来越小。

4)路堤填土的内摩擦角和黏聚力对提高桩体荷载分担比有一定效果，路堤填土的黏聚力与内摩擦角越大，土拱效应越强。在实际工程中，应尽量选取较大内摩擦角和黏聚力的路堤填料，以增强路堤填土中的土拱效应。

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