动荷载下桩承式路堤中加筋体的作用机理

陈玲玲，马 露，王志远

(1.蚌埠学院 土木与水利水电工程学院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽科技学院 建筑学院，安徽 蚌埠 233030；3.南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

桩承式路堤因其承载力高，可有效改善因下部软土沉降过大导致上部路面沉降的问题，在高速公路路基中得到广泛应用。填土路堤在上部荷载作用下，由于软土与桩体的差异沉降，导致路堤内会出现应力重分布，荷载更多的传递到桩顶。为提高荷载传递效率，土工格栅多被应用于桩承式路堤，可有效减小路堤表面的不均匀沉降[1]。学者对加筋桩承式路堤进行了大量的研究，验证了桩承式加筋路堤中土拱效应和拉膜效应，并对加筋体的工作性状和作用机理进行了探讨。

陈仁朋等[2]利用PVC材料水袋模拟桩间软土，开展模型试验，指出加筋体可以有效改善路堤内荷载传递，桩土应力比显著提高，得到蒋德松等[3]验证。Chen 等[4]考虑了桩土相对位移与埋深对侧阻力的影响，并获得了均质土条件下桩-土变形的解析解，但是未考虑路堤中相对位移对侧阻力发挥程度以及拉模效应的影响。郑俊杰等[5-6]在其研究基础上，进一步在中低压缩性土地区开展桩承式加筋路堤性能试验，发现加筋体的拉膜效应明显，显著提高桩土应力比，在考虑加筋体拉膜效应的基础上，提出桩承式加筋路堤荷载传递效率计算方法。随后，通过计入筋-土界面摩擦作用，改进了张拉膜效应分析方法，进而推导出更加准确的荷载传递效率计算方法，其可靠性得到工程数据的验证[7-8]。此外，加筋体在一些特殊地质场地的应用也得到了关注，张东卿等[9]对水平加筋体加固铁路岩溶路基的受力机理进行了研究，从严格控制铁路路基面变形的角度并考虑滑移效应，提出一种新加筋体加固铁路岩溶路基的设计方法。

本文基于有限元软件建立桩承式加筋路堤三维模型，验证其可行性后，开展单层加筋体的沉降、应力与应变的分布规律研究，并提出加筋体强度与上述工作性状的关系。

1 数值模型

1.1 模型简介

桩承式加筋路堤示意图如图1(a)所示，图中方形桩帽宽为1 m厚0.5 m，方桩边长0.3 m，桩间距2.5 Dm，路堤填土高6 m，加筋体距离软土顶面0.1 m，软土深10 m，其下方为刚性土层，水位位于软土层顶面。由于路堤是对称结构，因此为节省计算时间，利用有限元软件建立加筋桩承式路堤数值模型如图1 (b)所示，图中从桩心向对加筋体的对角线和边线进行字母编号，以便后续研究。数值模型采用参数如表1所示。表中M为与有效内摩擦有关的参数，M=6sin φ'/(3-sinφ')，有数据表明加筋体承受在承受5%的应变时，强度为0.4-10 MN/m，因此，本文选择的加筋体强度为J=0.5,1,3,10 MN/m。

(a) 示意图

(b) 数值模型

表1 数值模型参数

1.2 本构模型及动荷载

本文数值计算中综合考虑计算精度与计算时间，对桩体和加筋体均采用弹性模型，软土采用剑桥模型，路堤采用摩尔库伦模型。在不同材料间建立接触面，本文的接触面均采用罚系数接触模拟，加筋体与路堤间的摩擦角取路堤内摩擦角35°，桩与软土之间的摩擦角取软土内摩擦角的0.7倍。

车辆动荷载对路堤的作用是研究路基承载性能的重要内容之一，本文采用正弦函数模拟车辆动荷载[10]，进而研究在动荷载作用下加筋体的工作性能。动荷载函数如下：

P(t)=P0+Pdsin(wt)

(1)

1.3 模型验证

为验证本文所建模型的可行性，对文献[11]中的实际工程，进行模拟计算桩顶的沉降，与现场监测数据进行对比，如图2所示。该工程是位于江浙沪皖高速桩承式路堤，桩顶沉降监测点路段参数为路堤高4 m，桩径0.3 m，桩长14 m，桩间距2.5 m。由图中数据对比可知，本文数值模型计算结果与实测值吻合度较好，局部数据偏大，可能是由于桩侧与软土接触面摩擦系数设置偏小导致。因此，本文建模方法可用于加筋桩承式路堤的数值分析。

图2 软土沉降的实测值与模拟计算值Fig.2 Measured and simulated values of soft soil settlement

2 结果分析

对桩承式加筋路堤在静载和动载作用下的工况分别进行模拟计算，提取加筋体的应力应变数据，并对其加以分析，得到加筋体在路堤内应力传递过程中的作用机理。

2.1 加筋体沉降规律

在上部路堤和荷载作用下，加筋体在将荷载传递至桩帽的过程中，自身也会发生较大的沉降变形，图3给出了加筋体在对角线和边线上的沉降规律，由图可以看出在桩帽上加筋体的沉降基本为0，而桩间的加筋体沉降明显，动荷载下加筋体的沉降明显大于静载作用条件下的沉降，且AB方向加筋体在桩帽边缘处的变形突变更加剧烈，AC方向的变形要平缓些，分析原因为加筋体对角线经过桩帽的拐角，在此处造成加筋体的应力集中，因此变形突变较大。由图3(a)可以得到随着加筋体强度的提高，静载与动载作用下，加筋体的沉降均变小，且两者的差异也逐渐减小，由52 mm降低到34 mm，原因为加筋体强度提高后，传递荷载的能力提高，外荷载对其变形的影响降低，因此，在外荷载影响同等增幅下，加筋体的沉降差异减小。同样的规律，在图3(b)中也得到了验证。

(a) AB方向

(b) AC方向

对加筋体的沉降进一步分析，得到加筋体强度与最大沉降的关系，如图4所示，随着加筋体强度的增加，最大沉降逐渐减小并趋于稳定，给出相关系数为0.9885的拟合方程：

(2)

图4 加筋体强度与最大沉降的关系

2.2 加筋体应力规律

桩承式路堤的荷载主要由桩传递至持力层，加筋体将桩间荷载进一步传递至桩体，减小桩间软土的沉降，进而对路堤的沉降加以控制。图5中描述的是加筋体在静载和动载作用下，加筋体对角线和边线方向的应力变化情况。由图5(a)中可以看出，在桩帽上的加筋体，其应力很小，在接近桩帽角点处出现应力突变现象，随后应力快速减小，分析原因是由于上部路堤自重和外荷载传递到加筋体上，加筋体向下变形，桩帽的阻碍作用增大了加筋体的不均匀沉降，因此其整体应力差增大，因此，在桩帽角点处存在应力集中现象，且随着加筋体强度的增大，荷载由静载变为动载，该现象愈加明显。由图5 (b)可以看出相比于静载作用，动载作用下加筋体的应力显著增大，分析原因为动载循环作用下，土体内部结构发生变化，土体中土拱效应减弱，传递到加筋体上的荷载增加。随着加筋体强度的增加，动载对加筋体应力的影响增大，这是由于加筋体强度高，其变形就越小，传递到桩体和软土上的荷载相对减弱，上部荷载对加筋体的作用就越强，内应力就越大。对加筋体沿桩帽边线AC方向的应力进一步分析，得到加筋体强度与最大应力的关系，如图6所示，随着加筋体强度的增加，最大应力逐渐增大并趋于稳定，给出相关系数0.9956的拟合方程：

(3)

(a)AB方向

(b)AC方向

图6 加筋体强度与最大应力的关系

2.3 加筋体应变规律

图7描述的是动静荷载作用下，加筋体对角线和边线方向上，应变的分布规律。由图可见，随着加筋体强度的增大，两方向上的最大应变均减小，相比静载作用效果，动荷载显著增大加筋体应变。对比两图可见，沿加筋体对角线上的应变最大，且最大值发生的桩帽角点处，这与已有文献中的结论一致。分析原因，在相同荷载作用下，加筋体强度越大，显然应变越小，其次，动荷载对路堤的扰动作用更显著，因此加筋体所承受的荷载作用增大，应变随之增大。桩帽角点处的应力集中现象使得该处的加筋体收到明显大于别的应力作用，因此，该处的应变最大，这与Halvordson等人[12]的发现一致。

对加筋体应变进一步分析，得到加筋体强度与最大应变的关系，如图8所示，随着加筋体强度的增加，最大应变逐渐降低并趋于稳定，给出相关系数0.993的拟合方程：

(a) AB方向

(b) AC方向

图8 加筋体强度与最大应变的关系

3 结论

对动荷载作用下桩承式路堤中加筋体的作用机理进行数值研究，相对于静荷载，动荷载显著增加加筋体的受力与变形，主要结论如下：

1)桩帽处的加筋体沉降基本为0，应变相对软土区的加筋体也较小，加筋体强度对其应变具有显著影响，加筋体强度由0.5 MN/m增加至10 MN/m，应变减小了约6倍；

2)随着加筋体强度的增加，其沉降和应变均逐渐减小并趋于稳定，其应力逐渐增大并趋于稳定，最大值位于加筋体边线与桩帽的交点处。桩帽角点处的加筋体出现应力应变集中现象，应对其采取加固措施；

3)给出加筋体沉降、应力和应变与强度的关系公式，与试验数据的相关系数均大于0.98，具有较好的适用性。