桩体模量和加筋体刚度对路堤稳定性影响分析

■朱志明

（中城科泽工程设计集团有限责任公司，莆田 351100）

桩承路堤技术在国外起步于上个世纪70 年代，在与加筋技术的联合应用下，经过改良形成了桩承加筋路堤。 随着技术的不断发展，桩体类型、应用范围等更加丰富多样，各类桩体被广泛的应用于道路、铁路工程中，自此桩承加筋路堤进入高速发展时期。

由于桩承加筋路堤中各个部分相互作用，性状十分复杂，因此在理论分析中往往对其采用一些简化假设。 Pham 等[1]使用其中六种方法分别计算31 组工况，这些设计方法所计算出的结果都不能与所有实测结果一致，并且不同方法的计算结果存在着明显差异。 在试验方面，由于离心机试验具有可由原型材料制作模型，在原型应力状态下直接观察结构或土体变化状态及其破坏过程的优点， 因此近年来，在路堤稳定性研究领域得到了越来越广泛的应用[2-4]。 Miyake 等[5]通过离心机试验模拟了水泥土桩承路堤的填筑工程，并分析了不同桩体的排布形式的路堤稳定性的影响。 Kitazume[6-8]进行了多组水泥土桩承路堤离心机试验， 发现随着路堤荷载的增大，桩体并非仅发生剪切破坏，还发生包括整体滑移、整体倾覆、弯曲破坏、圆弧剪切破坏、水平剪切破坏等多种破坏模式； 并且当桩体发生弯曲破坏时，桩体并非同时发生破坏，而是具有明显的渐进破坏特征。 为了进一步认识路堤中各个设计参数对破坏模式的影响，随着计算机技术的发展，数值模拟技术逐步应用与岩土工程的分析与计算中。 与试验相比，数值模拟能考虑多种因素影响并通过设置合理的模型条件使结果更符合实际。 Navin[9]针对半刚性桩路堤的稳定性进行了理论计算及数值模拟，结果表明，在进行稳定性分析时结合数值模拟会使得结果更加符合实际，首先采用数值模拟方法确定桩体的破坏模式，随后通过可靠度分析考虑桩体的强度参数以及其他因素的影响，所得到的结果可以为桩体的成桩工艺与质量要求提供依据，极大地方便了施工。

本文采用Plaxis 有限元软件分析软土地基上桩承加筋路堤的性状，分析不同桩体模量与加筋体刚度对路堤稳定性的影响，以期为软土地基上的桩承加筋路堤性能的进一步研究提供参考。

1 数值模型

为了研究桩体与加筋体对路堤性状的影响，采用有限元软件Plaxis 建立典型的水泥土桩承加筋路堤二维模型（图1）。根据对称性，计算模型取路堤的一半，路堤顶面宽度为10 m，路堤高度3 m，边坡比1∶2，桩径0.5 m，桩长12 m，桩间距2 m，在距桩体上方0.5 m 处铺设一层加筋体。 模型宽度为50 m，保证边界影响可以忽略，土层厚度15 m，上部10 m 为软土层，下部5 m 为硬土层，侧向边界限制垂直边界方向水平位移，底部边界限制垂直及水平方向位移。

图1 路堤有限元模型示意图

计算模型中的路堤填土，土层以及桩体均采用摩尔库伦模型。 材料输入参数详见表1，此外，加筋体采用Geogrid 单元，筋土界面折减系数取0.8，轴向刚度EA 取2000 kN/m，抗拉强度T 取200 kN/m。

表1 模型参数

根据前人的研究可知，水泥土桩承加筋路堤发生整体失稳时，会同时发生剪切、弯曲2 种不同类型的破坏模式[10-11]；然而，桩体弹性模型与加筋体刚度的改变都会使得桩体的承载特性发生变化，从而改变其破坏模式。 本文将系统地研究不同桩体弹性模量与不同加筋体刚度对桩体受力特性与路堤性状的影响。

2 桩体模量对桩体受力及破坏模式的影响

2.1 桩体模量对桩体受力影响

为了方便分析描述，仅选择路肩下的6 号桩分析桩体模量对桩体弯矩和轴力的影响（图2）。

如图2（a）所示，桩体模量对水泥土桩的弯矩影响十分明显。低模量桩体（E=30 MPa）所受的弯矩较小。随着桩体模量提高，桩身所受弯矩明显提高。桩体模量为300 MPa 时，6 号桩最大弯矩为8.6 kN·m，当模量提高到3000 MPa 时，6 号桩最大弯矩提高到15.4 kN·m，此时弯矩分布规律相近，最大弯矩全部位于软硬土层交界处。

由图2（b）可知，不同模量下水泥土桩的轴力分布规律类似，顶部轴力较小，随着深度的增加不断增大；并且由于硬土层对于桩底有着较好的嵌固效果，因此大部分范围内土体沉降大于桩体，负摩阻力分布明显。 桩身最大轴力均位于桩身中心，当模量为10000 MPa 时，水泥土桩轴力较大且远大于模量为30 MPa 的情况，最大轴力约为275 kN。

图2 不同桩体模量下桩身内力

综上所述，桩体弯矩和轴力随桩体模量的增加而增加，特别是桩体模量大于3000 MPa 时。桩体刚度越大，对相邻桩体之间的土体的阻力就越大，导致土体中的水平应力增加。 同时桩体模量的增加还使得桩土应力比增加，导致上部荷载更多的向桩体传递。

2.2 桩体模量对桩体破坏模式影响

为了进一步明确桩体模量对路堤性状的影响，不同模量桩体在极限荷载下的塑性点分布情况见图3，图中浅色为压缩破坏点，深色为拉伸截断点。从图3 可以看出，桩体模量对桩体塑性点分布有着显著影响，随着桩体模量的增加，桩身塑性点也分布越广泛； 在路面下的桩体主要分布压缩破坏点，而拉伸截断点则是分布在坡面下的桩体，这说明路面下的桩体主要发生剪切破坏，而坡面下的桩体主要发生弯曲破坏。

图3 不同模量桩体在极限荷载下塑性点分布情况

3 水平加筋体刚度对桩体受力及路堤稳定性的影响

3.1 水平加筋体刚度对桩体受力的影响

不同水平加筋体轴向刚度对6 号桩桩身弯矩和轴力的影响见图4。 由图4（a）可知，在不同加筋体刚度情况下，桩身弯矩的分布也有差异，其主要表现为随着加筋体刚度的增加，-3 m 深度处的桩身弯矩逐渐减小，但对于弯矩变化趋势基本没有影响。 由图4（b）可知，桩身轴力随着加筋体刚度的增加而增加，相对于弯矩，不同模量下轴力变化幅度不明显。 这是由于设置加筋体后，随着其水平抗拉强度的发挥，将更多的上部荷载传递至桩体，减小了桩间土的竖向荷载，进而导致桩间土水平荷载的降低，水平方向上桩土相互作用的降低，从而减小了桩身弯矩。 同时可以发现当水平加筋体刚度达到4000 kN/m 后， 继续增大刚度对桩身内力所产生的效果较小。 这是主要是由于在相同情况下，加筋体刚度越大，使得所产生的加筋体应变就较小，筋体拉力没有得到充分发挥。

图4 不同加筋体刚度下桩身内力

3.2 水平加筋体刚度对路堤稳定性的影响

随着水平加筋体刚度变化路堤极限荷载的变化情况见图5。可以看出随着加筋体刚度的增加，路堤极限荷载也逐渐增加。 但是当加筋体刚度增加到4000 kN/m 后继续增加刚度， 此时极限荷载变化并不显著。 因此在实际工程中仅根据情况选择合适的加筋体即可显著地提高路堤稳定性。

图5 路堤极限荷载随加筋体刚度变化情况

4 结论

本文探讨了不同桩体模量、加筋体刚度的情况下，路堤性状情况。 相应的结论如下：

（1）增大桩体模量可以显著提高桩身弯矩和轴力，且弯矩最大值均出现在软硬土层交界处，而轴力最大值均出现在桩身中部位置。

（2）在路堤破坏时，桩体模量越大桩身塑性点分布也越广，并且在靠近路面中心下的桩体更易发生剪切破坏，而靠近坡脚下的桩体更易发生弯曲破坏。

（3）随着加筋体刚度的增加，桩身弯矩仅在桩体深度-3 m 处减小。且当加筋体刚度达到4000 kN/m后，继续增大轴向刚度对桩身内力所产生的效果较小。

（4）通过提高加筋体刚度的措施能有效提高路堤稳定性， 但当加筋体刚度增加至4000 kN/m 后，继续提高加筋体刚度对路堤稳定性影响不明显。