桩承式路堤中填土高度对土拱效应作用的试验研究

刘朝晖 王 鑫

（1.湖北科技学院 资源环境科学与工程学院，湖北 咸宁 437000；2.武汉大学 土木建筑工程学院，武汉 430072）

随着我国经济的发展、社会的进步，大量的基础设施建设正在全国广泛展开，尤其是中部及东部的公路、铁路建设.而这些地区公路、铁路地基以软弱土层为主，根据规范，软弱土层包括软土、泥炭、腐殖质土和有机质土［1］，这些土体承载力低、含水量高、压缩变形性大和抗剪切能力低，因此在进行道路建设前需进行地基处理形成复合地基以提高地基承载力［2］.在实际道路工程中，路堤填土高度往往是变化的，有相当一部分路堤高度较低，而在设计或施工过程中因图方便、省工、省时而忽视了这部分低填路堤区域，在这部分地区的桩体选择、桩体布置形式以及桩间距仍然与高填路堤下的设计形式相同，这必然延长了工期、提高了工程成本；其次我国国内由于地方路网不断加密，迫使公路、铁路路堤不断提高高度，这样过多地占用了土地资源，增加了工程规模和工程难度［3－7］.因此研究低填条件下桩承式路堤的应力分布特点，可有效进行设计、降低工程成本和减少资源消耗.

低填路堤是相对于较高路堤而言的，在国内外的道路规范中并没有高、低填路堤的具体定义和规定.Zhuang Y等人［8］阐述了在软弱下卧土层中，支撑在桩帽上的土拱颗粒，在线弹塑性平面应变状态下h／s（h为路堤高度，s为桩间净距）是一个关键参数.当（h／s）≤0.5（或更小），实际上没有拱效应：在很小的沉降量的情况下，路堤很快达到极限状态，路堤表面的沉降差很大，但是作用在下层土上的应力实际上没来得急改变.当0.5≤（h／s）≤1.5时，拱迹现象增加，随着h／s增加，达到极限状态所需要的沉降也增加，相应的路堤的沉降差减少，并且作用在下层土的应力与名义应力相比有所减少.当1.5≤（h／s），完整拱形成，达到极限状态所需的沉降，并且在较大的沉降下能够保持稳定极限状态.在路堤表面没有沉降差，并且下层土上的应力与名义应力相比减小.因此对于高度大于1.5s的路堤，应力状态没有被明显的影响.本文在Zhuang Y等人研究的基础上建议低填路堤的高度范围为0.5s～1.5s，其中s为桩间距.

为研究低填路堤下应力分布特点，结合武汉市中北路延长线的实际工程，在路堤填土过程中进行了土压力和沉降观测，通过对试验结果的分析，研究了填土过程中土压力和沉降的变化特点，分析了填土过程中土拱效应的形成规律.

1 现场试验背景

1.1 工程概况

中北路延长线工程位于武汉市东湖风景区北侧，道路起点二环线（桩号K0＋255m），起点坐标：X＝3 385 723.580，Y＝535 735.767，终点于三环线（桩号K4＋940.726）.

1.2 地质概况

据勘察资料可知，在试验路段范围内地层自上而下由4个单元层17亚层组成：①素填土层（局部为耕表土）、杂填土、淤泥质粘土（Qml）；②第四系全新统冲积形成的一般粘性土层（Q4al）；③第四系上更新统冲洪积形成的老粘性土、砂类土层（Q3al＋pl）；④白垩－下第三系泥质粉砂岩层（K－E）；根据各单元层内物理力学性质差异又可分为17亚层.

1.3 桩及地基土层资料

桩及地基土层资料见表1～2.桩帽面积置换率＝12／（1.05×1.8）2＝28%.

表1 桩基本资料

表2 土层基本资料

1.4 实验仪器及其布置形式

现场试验主要是在低填路堤条件下获得钉形双向水泥土搅拌桩桩顶及桩间土体压力和沉降随填土高度的增加而变化的数据.

在本试验中测量土压力的仪器采用金坛市传感器厂的振弦式压力计（共计5个）及数字读数仪（1台）.土压力盒安放位置分别是双向水泥土搅拌桩桩顶中心处（1个）、桩顶扩大头边缘（A、B2个）以及相近邻桩中心连线的中点上（A、B2个），如图1～2所示.本试验在压力盒安置过程中，在土压力盒周围覆盖等压力盒高度的砂垫层，然后通过水泥将砂与压力盒固定在土层上，这样可以有效避免压力盒上覆土范围内的应力重分布，见图2；为了防止与土压力盒连接的导线在覆土过程中破损，在覆土前对场地进行了简单平整，并将各导线均匀覆上砂土和粘土，并将导线沿同一方向引到临时观测站.

图1 压力盒及沉降标布置图

图2 压力盒现场布置图

对于沉降的观测在大多数文献［9－14］中都采用了自制沉降标来进行较高路堤的量测，取得的量测数据较为准确有效，但是由于沉降标制作工艺较为复杂，且本试验为低填路堤，而沉降标的尺寸相对较大，已经无法满足现场量测条件（因为填土较低），基于以上两方面原因，采用沉降标钉来代替沉降标，通过全站仪（1台，型号TCM，包括支架）和棱镜（1个，型号GPH1，包括支架）测量标钉上的沉降数据.沉降标钉的布置为相邻桩桩顶中心各一个及其中心连线中点处一个，见图1和图3.在沉降测量前，在道路外一固定桥墩上标记参照点，以此点为依据与待测点进行高差，每次填土后进行高差比对，得到待测点位置的沉降值.

图3 标钉现场布置图

1.5 现场试验步骤

现场采用素土回填，分层夯实.现场试验共记16 d，进行分层填土4次，每次填土高度为20～40cm，最终填土高度约为1.2m.现场试验共记录了10组土压力和7组沉降数据，测量时间和次数的选择是根据填土时间和次数而定的，表3是现场试验步骤记录情况，表4是测量数据记录情况.

表4 测量数据记录情况表

2 现场试验数据分析

2.1 土压力变化特点

桩上及桩间土土压力数据绘制如图4所示，其中第2、4、7和9次测量为填土后的压力值，第5和9次测量为填土压实后的压力值.从图上可知随着填土厚度的增长，桩顶和桩间土上的土压力值也随之逐渐增大.从图4可以发现在低填土的条件下，随着填土次数的增加，填土路堤高度的增长，各测点处土压力从初期分布不均匀发展到分布比较均匀，其发展变化可分为两个阶段：

第1阶段，在第4次测量前，已进行两次填土，总高度为60cm左右，桩扩大头及桩间土土压力在数值上大小基本相当.但是，桩顶中心上的土压力值却明显大于其他各测试点处的土压力.如在第1次填土（即第2次测量）后，桩顶中心处压力值为0.009 675 6 MPa，而其他各测点的土压力在0.005MPa左右，在第2次填土（即第4次测量）后，桩顶中心压力值为0.016 058 8MPa，而其他各测点的土压力在0.01 MPa左右.此外除了桩顶中心处土压力值明显大于桩扩大头和桩间土上土压力外，桩扩大头和桩间土上土压力值并没有表现出任何规律且在数值上较为相近，说明土压力的分布不均匀.

第2阶段，在第4次测量后，又进行了两次填土，达到设计填土路堤高度1.2m.此阶段过程中，桩顶和桩扩大头上的土压力值的增长速度远大于桩间土上土压力值的增长速度，如在第4次填土（即第9次测量）后，桩顶中心处土压力值为0.024 906 8MPa，桩扩大头A、B两处土压力值在0.02MPa左右，而桩间土A、B两处值仅在0.012MPa左右.虽然土压力值在各对称测点上不尽相同，但各测点的压力值在图上的变化趋势相近，这说明在第3、4次填土过程中，随着填土达到一定高度后，路堤中土压力分布比较均匀.

图4 土压力记录图

除了以上特点外，从各测点土压力数据和从图4中，可以发现在第5次测量中（即压实后），桩顶中心和桩间土上土压力在压实后减小了，而在第9次测量中土压力在各测点数值均减小了.在土体填筑过程中，各测点压力盒上压力增大（即土压力增大），但在压实后却减小了，由此可知，压实过程使路堤填土中的应力发生了重分布.

考虑到第10次测量为雨后测量，如图4所示，桩间土受雨后压力增大，而桩中心压力减少，桩周基本无变化.这种变化的原因为考虑雨水作用影响，桩顶中心上部土体压实度高，渗透性差，但膨胀性较大，从而促使土体吸水膨胀将应力转移到桩周围土体.

2.2 沉降变化特点

本次现场试验记录了7组沉降数据，如图5所示，其中data1～data7表示第1组到第7组数据.纵轴为各测点应力值，横轴为测点位置平面坐标.图中data2和data4是在填土后的沉降值，此数据出现了明显的偏差，因此这两次测量数据不做为分析依据.

图5 沉降观测点位移变化平面图

从图5可知，随着填土高度的增加，桩顶及桩间土都有沉降趋势，以两桩连线中心对称分布，并且桩间土沉降明显大于桩顶沉降，如曲线data3、6、7，而对于桩顶沉降在相对较小范围内变化，说明桩与桩间土产生了较大的沉降差.对于data5桩间土反而出现较大回弹，分析其原因是由于经历了填土、压实等过程，土体之间产生挤压现象，造成测点上部分土体被抬高使得此处沉降出现了类似“回弹”的现象.但是从整个趋势上而言，桩土之间在填土及压实过程中出现了较大的沉降差，根据土拱效应存在的条件，可知此过程中存在土拱效应.虽然本次数据记录了三角形一边的沉降变化特点，但以此类推，可知三角形各边具有类似特点，即土拱作用在三角形桩布置形式的各边上.

2.3 土拱效应分析

基于以上土压力和沉降分析，将每次测量的各测点的数据与位置用空间形式表示为图6，其中各测点未考虑竖向位移变化（即仅仅是压力值的空间展现）.图中data1－data10是指三角布置点一边上土压力的十次数据，而contrastdata1－contrastdata10是另一边上土压力的十次数据.从其空间形式也可以看出土压力随填筑高度增加而逐渐增大，在空间形式上类似于一个拱形，即土拱效应的简单形态.并且，桩顶中心上的压力在填土工程中始终是大于其他测点数值，分析桩顶中心应力较大的原因为：根据土拱原理，试验中梅花形布置的桩顶位于6个三角单元之中，从而6个土拱将共同作用于桩顶中心，因此应力较大.而在陈云敏［4］、曹卫平［5］的关于桩布置形式为正方形的室内试验和现场试验中，指出桩帽脚上压力大于桩顶中心.可见桩布置形式不同，土压力在路堤中传递形式也有微妙的变化，进一步而言，桩布置形式影响土拱的空间形态和应力传递路径.因此合理设计桩布置形式，将有效利用土拱效应.

在图6中，data3、6、7所对应的压力数据是第5、9、10次压力值，对比图5和图6中可知，在桩与桩间土沉降差比较大时，其上压力值差也相应比较大，说明土拱效应是存在的.在图5中，第5、9、10次桩顶中心与桩间土压力盒B的桩土压力分别为：14.668 4 kPa和6.084 67kPa，24.906 8kPa和8.569 82kPa，23.990 4kPa和11.746 49kPa，其相应的桩土应力比分别为2.41，2.9和2.04，桩体应力分担比分别为70.7%，74.4%和67.1%.对于三角形分布的桩体形式，此段桩帽面积置换率为28%，而桩体应力分担比已达到70%左右.以上数据分析可知土拱效应在桩土间是逐渐发挥的，并且在填土高度达到0.5s（s＝桩中心距）时，土拱效应开始显著发挥.

图6 土压力数据三维视角图

3 结 论

结合武汉市中北路延长线工程低填路堤的实体工程，通过路堤填筑荷载下现场试验研究，得到如下结论：

1）在低填土的条件下，土压力的发展变化分为两个阶段：第1阶段桩扩大头及桩间土压力在数值上基本相当，但是桩顶中心上的土压力值明显大于其他处的土压力.而且这一阶段的土压力分布不均匀；第2阶段桩顶和桩扩大头上的土压力值的增长速度远远大于桩间土压力值的增长速度，而且随着填土达到一定高度后，路堤中土压力逐渐呈现均匀分布，说明压实过程中的应力发生了重分布.

2）在填土过程中，随着填土高度的增加，桩顶及桩间土都有沉降趋势，并且桩间土沉降明显大于桩间沉降，桩与桩间土产生了较大的沉降差.根据土拱效应存在的条件可知此过程中存在土拱效应.

3）土拱效应在桩土间是逐渐发挥的，并且在填土高度达到0.5s（s＝桩中心距）时，土拱效应开始显著发挥.而且桩的布置形式影响土拱的空间形态和应力传递路径，因此合理设计桩布置形式，将有利于土拱效应.

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