高速铁路桩承式路基土拱效应研究进展＊

张彦明，吕 春，张学元，张 宇，王 丽

（齐齐哈尔大学建筑与土木工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

1 研究背景

高速铁路是现代交通的重要组成部分，是衡量国家运输能力和经济发展水平的重要标志，中国于2020年底已建成3.79 万km 的高速铁路运营里程，基本形成了覆盖人口密集区域的高速铁路网络，同时也是世界上高速铁路在建规模最大的国家。中国东西向和南北向跨度大，形成高速铁路的运输距离较长，势必会造成高速铁路不可避免地穿越复杂多样的地质环境。为保证高速铁路安全、快速、舒适的运营条件，采用桩基对软土地基进行加固处理，可有效减小路基不均匀沉降，是目前快速填筑高速铁路路堤较为安全、经济、可靠的方式。由于桩和桩间土的刚度差异以及桩间土的固结作用，导致在上部路堤填土荷载和列车动力荷载作用下，桩和桩间土发生差异沉降，造成桩和桩间土之间承载不均，最终在上部路堤中形成土拱。

2 高速铁路桩承式路基土拱效应研究进展

自1943 年，TERZAGHI[1]通过著名的Trapdoor 试验证实了土力学领域中土拱效应的存在，并在对土拱应力分布进行描述的基础上，得出了土拱效应的存在条件。之后国内外学者对高速铁路桩承式路基的土拱效应也进行了一系列相应研究。HEWLETT 等[2]通过试验提出了理论模型，认为路基中的土拱形状应该是具有均匀厚度的半圆形状的拱，并给出了土拱临界破坏点在土拱中可能出现的位置，基于此研究结果求解出了桩土应力比。费康等[3]通过桩承式路基三维模型试验，得出路堤填土中应力折减系数随填料密度变化通过对比分析，验证了TERZAGHI 方法和HEWLETT&RANDOLPH 方法的适用性，并且通过有限元模拟试验模型，进一步分析了路堤填土的大主应力方向和应力水平与理论设计方法的差异，但有限元模拟中没有计入填土内摩擦角和剪胀角变化的影响，与实际工程情况存在一定差异。徐超等[4]通过缩尺模型试验，发现路堤填土的粘聚力对填土中的土拱效应有增强作用，而于填土的成拱条件无关，并验证了桩承式加筋路堤中桩帽边缘处的土压力均大于桩帽中心处的土压力，而试验模型中的路堤填土和地基土采用了单一土体，并没有考虑实际工程中土体的多样性。费康等[5-6]通过分别建立二维和三维有限元模型，对不同桩间距、填土高度和内摩擦角的工况进行了参数敏感性分析，并对路堤填土的破坏模式进行研究，基于此研究结果，建立了土拱效应的二维和三维简化分析方法，并与已有有限元分析结果和试验数据进行对比，验证了简化计算方法的可靠性。芮瑞等[7]通过建立砂填料桩承式路堤模型，分析了不同桩距比和不同填土高度工况下，砂填料桩承式路堤土拱效应传力机制，提出了初始三角拱力学计算模型。庄妍等[8]认为轨枕、道床、底渣、基床以及桩体的本构模型为纯弹性，对路堤填料和桩间土采取单一土体，对高铁荷载进行简化，建立了高铁荷载作用下桩承式路堤三维有限元分析模型，分析了高铁荷载作用下路基的动力响应，研究了高铁荷载作用下道床和路堤不同位置处的竖向位移随时间的变化规律，以及路基中速度与加速度沿深度的分布规律，得出结论：动载作用下土拱效应依然存在，但有所减弱，最大动载作用下减弱程度最大，最小动载情况下有所恢复；桩间距和路堤高度对高铁荷载作用下桩承式路堤中土拱效应的影响较为明显，而路堤填料内摩擦角和剪胀角的影响则相对较小。王一楠等[9]提出了悬链线土拱计算模型，给出了在该计算模型下土拱高度及形态的求解方法，采用该方法计算所得土拱高度、土拱形态及桩顶应力与实测结果吻合较好；周思危等[10]基于Trapdoor 试验研究了在不同填土高度、活动门下移和宽度以及砂料密度等因素影响下，砂土土拱效应滑移面轮廓及演变模式的区别，提出了基于核心区几何形状的松动应力计算方法。王卫中等[11]在考虑土拱效应的基础上，将柔性长桩等效为刚性短桩，通过推导获得了柔性单桩水平极限承载力的改进计算方法，并将此方法计算结果与已有研究成果进行比较，结果吻合较好。庄妍等[12]通过室内模型试验和有限元相互印证的方法，说明了桩承式路堤颗粒流数值分析模型的可靠性，通过有限元分析，验证了平面土拱效应中，内外拱高度理论计算公式的正确性。通过改变路堤外荷载大小，分析路堤土拱效应的发展规律，研究发现：当路堤顶施加荷载在10～40 kPa 之间时，土拱效应相对稳定，随着荷载继续增大，土拱效应有所退化，并伴随有新的土拱结构形成。

总之，现有对高速铁路桩承式路基土拱效应的研究大多是进行静力作用下的试验分析和有限元模拟分析。其中，试验以缩尺模型为主，采用单一桩间土体和路堤填料，在试验过程中忽略了不同类型土层之间的相互作用，与现实工程条件存在差异；有限元分析过程中也会受计算机内存和运行性能影响，从而对有限元模型进行了简化，并且在模拟过程中忽略了桩间土的固结作用影响，桩土接触面摩擦系数、土体内摩擦角和其他土体参数保持不变，并没有随时间而变化，同样会造成分析结果存在一定的误差。

3 高速铁路桩承式路基土拱效应研究方法展望

中国幅员辽阔，地质条件复杂多变，工程条件比较差的软土在国内广泛分布，给安全性和稳定性要求较高的高铁路基建设带来了巨大的挑战，而桩基对软土地基加固有较为明显的作用。双线高铁荷载干扰、动荷载作用、桩间土的长期固结作用对桩承式路基土拱效应的影响等方面还有大量的难题有待解决。如列车高速运行下桩间土发生的固结沉降对土拱效应的影响、双线高铁荷载干扰对土拱效应的影响等。超重力模型试验可以提供列车动荷载作用下，桩间土固结对土拱效应影响的试验环境，可人为控制时间进程，在以往的试验中考虑时间效应；有限元模拟可以实现双线高铁荷载对土拱效应的影响分析，考虑列车之间的相对速度和相对距离等因素对土拱效应的影响。

在试验过程中应针对具体工程，考虑工程中实际土质的复杂性和多样性，计入不同土层间的相互作用对试验结果的影响，并且不能忽略时间效应对试验结果的影响，在高速铁路桩承式路基土拱效应研究中，尤其要考虑桩间土的固结作用以及高速列车多次循环通行对土拱效应所带来的影响。考虑时间效应的试验方法有3 种：①试验与真实工程相结合，在列车的实际运行过程中不断获取试验数据，分析土拱效应在列车动荷载和桩间土体固结作用下的变化机制。从试验数据的真实性和对实际工程的指导作用方面看，此种方法最为理想，但所需人力、物力及时间成本较大，所需时间动辄数年，甚至数十年。②应用超重力试验装置，加速时间效应在高铁路基土拱效应试验中的作用，以达到与方法①相同的结果，可节约大量的时间成本，但就目前而言，此方法受试验装置限制，还不能得以实现。③考虑用实际试验与有限元模拟相结合的方法来实现将时间效应施加在实际试验成果数据中，在具体试验过程中，充分考虑实际工程情况，尤其是土质的复杂多样性和各种情况下荷载工况的真实性，在有限元模拟的过程中考虑试验的时间效应；将通过具体试验取得的试验数据应用于有限元模型的建立过程当中，将有限元模拟作为试验的延续，来考虑时间效应对试验结果的影响。此方法将具体工程试验和有限元模拟相结合，发挥了试验接近真实工程情况和有限元节约成本的优点，同时也弥补了各自的不足之处，是目前在试验过程中考虑时间效应较为理想的研究方法。

相较于试验，有限元模拟方法操作方便、节约成本、可对实际工程情况中可能出现的结果进行预测，能够起到指导实际工程的作用；但受到计算机性能和软件发展水平等各方面因素的影响，在对实际工程进行有限元分析时，往往需要对模型进行简化，忽略一些次要因素，而各种被忽略因素的叠加效果通常会使得模拟结果与实际工程数据存在一定偏差，甚至错误。为能使有限元模拟方法更好应用于高速铁路桩承式路基土拱效应方面的研究，可用以下2 种方法对所建模型进行验证，具体是：①可以实际工程为依托，以实际工程中的土体参数、桩体参数、桩土界面参数和荷载参数为基础，并考虑其复杂性，来建立有限元分析模型，用实际工程测量数据验证建立模型的正确性，②以已有可靠的有限元模拟分析结果为依据，进行所需模型的建立，并用已有模拟结果的数据验证所建模型的可行性，分析所得结果误差是否在所要研究内容的可接受范围内。通过以上2 种方法对所建模型的正确性进行验证后，根据所研究内容的需要，改变模型中各部分参数，实现对所需研究工况进行模拟分析，从而达到较为准确的预测效果。

针对实际工程进行试验和有限元模拟，都是高速铁路桩承式路基土拱效应研究过程中2 种主要方法，在方法的选取过程中，要根据具体的试验条件和实际研究情况，合理选择能够较为准确达到分析目的的研究方法，尽可能将2 种研究方法相结合，相互印证，确保研究结果真实有效，发挥2 种研究方法的优势，避免不足。同时，2 种研究方法应该和理论研究相结合，注重对试验结果以及有限元分析结果进行总结，实现从试验现象或者模型现象到理论公式或者理论规律的上升。

4 结语

桩承式路基作为软土路基的主要加固形式，在高速铁路软土路基处理中具有不可替代的地位。研究其在静力荷载和高速列车动力荷载作用下的受力性能和土拱效应，对高速列车的安全平稳运行具有重要意义。

静力荷载作用下，路堤填土的粘聚力对填土中的土拱效应有增强作用，而与填土的成拱条件无关，桩承式加筋路堤中桩帽边缘处的土压力均比桩帽中心处的土压力大；动力荷载对土拱效应有所减弱，在最大动力荷载作用下减弱程度最大，最小动力荷载下则有所恢复；桩间距和路堤高度对高铁荷载作用下桩承式路堤中土拱效应有明显影响，而路堤填料内摩擦角和剪胀角的影响则相对较小。