靳进钊 JIN Jin-zhao；王昕 WANG Xin；蒲昌瑜 PU Chang-yu；杨广庆 YANG Guang-qing

（①河北雄安荣乌高速公路有限公司，保定071799；②石家庄铁道大学，石家庄050043；③河北省交通规划设计研究院有限公司，石家庄050021）

0 引言

桩承式加筋路堤是由地基、桩、桩帽、加筋垫层和填土路堤构成的复杂土工结构物。实践表明，采用桩承式加筋路堤结构支撑路堤，具有施工工期短，处理深度大、施工质量易控制、对相邻建筑影响小、加固效果好的特点，在国内外高速路、铁路、机场及路桥过渡段等工程建设中得到广泛应用。在路堤填土的柔性荷载作用下，桩体和桩间土之间产生差异沉降，从而引起应力重分布，路堤荷载在桩土间进行传递和调整，使桩体承担大部分路堤荷载，即所谓的“土拱效应”[1-2]。土拱效应不仅使路堤荷载从桩间土向桩体上转移，而且还可有效减少桩土间的不均匀沉降。由于宽域断面的路基横断面宽度较大，地质条件不连续，因此路基横断面荷载的分布特征及变形特性与普通路基存在一定的差异。因此本文采用二维有限元进行数值模拟，研究桩长、桩间距、桩帽宽度和路堤高度对桩承式加筋路堤荷载传递的影响。分析对比路基中心处、中心线右侧和路肩处，路基表面土压力变化规律，对宽域断面路基横断面荷载变化规律进行研究。

1 现场试验

1.1 现场试验概述

河北省平原区某高速公路桩承式加筋路堤试验段为K42+450～K42+985区域，属湖积平原区，地势较平坦，地层主要为第四系全新统冲湖积及上更新统冲洪积形成的粉土、粉质黏土、粉细砂等。软土、软弱土连续分布。试验断面位于路桥过渡段，软土地基采用预应力管桩复合地基进行处理。预应力管桩混凝土强度为C60，桩长为14m，桩间距2m，正方形布置，桩顶设1.0m×1.0m×0.3m的C30钢筋混凝土桩帽，试验段设置了厚度为0.3m的土工格栅加筋碎石垫层。试验断面主要技术参数见表1。

表1 试验路基横断面技术指标

1.2 路基横断面荷载变化规律

路堤填筑过程中，路堤荷载的大小和作用范围不断变化，因此对应不同的路堤填筑高度，桩、土应力大小及横向分布特征会有所不同。图1给出了Ⅰ、Ⅲ断面桩土应力比与填土高度之间的关系。由图可见，随着路堤高度的增加，桩土应力比逐渐增大，土拱效应发挥程度逐渐增大。而同一试验段以路堤中心线开始向路肩方向，桩土应力比逐渐减小，土拱效应减弱。呈现出路堤中心线处土拱效应效应最强，路肩处土拱效应效应最弱的特征。

图1 桩土应力比变化曲线

说明，桩承式路堤应力集中效应的产生，不仅与路堤填筑高度有关，并且与测试点位置有关。以路堤中心线开始向路肩方向，应力集中效应逐渐减小。路肩处处于边坡临空面，因此应力状态与路基中心处存在差异。

1.3 土压力及桩土应力比变化规律

表2为各试验断面施工完成后和观测期结束时的桩土应力比。可以看出在路堤施工完成后桩土应力比略有下降，其主要原因是土拱效应的发挥，使得桩体承担更多荷载，从而在一定程度上减小了差异沉降。因此在工后观测期间桩土应力比略有减小。对比Ⅰ、Ⅱ断面，和Ⅱ、Ⅳ断面各观测阶段桩土应力比，可以看出提高路堤高度和增大桩间距都能提高桩土应力比，在一定程度上促进土拱效应的发挥。其中Ⅲ断面桩土应力比从峰值到稳定阶段变化幅度最大。可见加筋材料对均化路堤沉降有一定作用。

表2 各试验断面桩土应力比

2 数值模拟结果分析

为了进一步分析不同影响因素对荷载传递的的影响和宽域断面路基横断面荷载变化规律，本小节通过有限元方法进行分析。

2.1 模型建立及参数选取

利用有限元软件ABAQUS建立了二维全断面有限元模型。路堤宽度42m，边坡比1∶1.5。为减小边界效应的影响，建立模型时在地基两侧各加宽25m。地基软土、软弱土连续分布，深度为30m，有限元模型中软土地基采用分层设置，主要地层分5层。地下水位埋深10m，地下水位以下地基土考虑排水固结。垫层厚度为0.3m，路堤填土高度3-7m，分层填筑。数值模型条件与现场试验工况一致。软土采用修正剑桥模型，路堤材料采用摩尔-库伦模型，桩与加筋体均采用线弹性模型[3]，数值模型中，路堤、桩均采用4节点线性平面应变四边形单元CPE4，地下水位以上软土地基采用4节点线性平面应变四边形单元CPE4，地下水位以下软土地基采用4节点应力-孔压耦合单元CPE4P。土工格栅采用Truss单元离散，单元类型为T2D2。参数如表3所示。模型两侧约束x方向位移，模型底部约束x、y方向位移。地下水位在软土地基-10m位置，地下水顶面孔隙水压力pw=0，模拟自由排水边界。

表3 桩承式路堤有限元模型中的材料参数

2.2 路基横断面荷载变化规律

2.2.1 桩长

桩的荷载分担比Ep定义为由单桩所承担的路堤荷载与单桩承载范围内的路堤总荷载之比，可以直观地反映桩体的承载能力。图2为桩长不同时荷载分担比随路堤高度变化曲线。

图2 荷载分担比随路堤高度变化曲线

当桩长不同时，各计算模型的荷载分担比变化规律类似，当填筑高度小于0.3m时，各试验断面的荷载分担比均小于35%，此时单桩所承担的路堤荷载近似等于桩帽按面积比分担的上部荷载。当路堤填筑高度小于1.3m时，各计算模型的荷载分担比随填筑高度而增大。当路堤填筑高度大于1.3m后，荷载分担比的增长速率明显减小。说明随着填土高度的增加，桩土差异沉降逐渐增大，土拱在较小的差异沉降下开始形成，并且能在一定的差异沉降下保持稳定，因此荷载分担比增长迅速。当路堤填筑高度大于1.3m后，荷载分担比的增长速率明显减小，说明随着差异沉降的不断发展路堤内部逐渐形成稳定的土拱结构，荷载分担比曲线最终趋于稳定。

路肩处为边坡临空面，应力状态与路基中心处存在差异。可以看出当填筑高度大于1m后，路基中心处和路肩处的荷载分担比开始出现差异，随着填筑高度增加差异逐渐增大，当路堤填筑完成时路肩处的荷载分担比明显小于路基中心处[4-5]。其主要原因是，在路肩处除了受到由路堤自重而产生的竖向压力，还受到路堤边坡的横向推力，受力状态复杂。

2.2.2 桩间距

图3为不同桩间距下，荷载分担比随路堤高度变化曲线。各计算模型的荷载分担比变化规律类似，路堤填筑初期随着路堤填筑高度的增加，由土拱效应发挥而直接传递到桩顶上的荷载增加，当路堤高度较高时各计算模型荷载分担比增长幅度减缓。对比各计算模型路基中心处荷载分担比，可以看出当路堤填筑高度相同时，桩间距越小荷载分担比越大。说明，当桩帽尺寸相同时，桩间距增大，单桩处理范围增大，因此单桩承载范围内的路堤总荷载增加，桩体荷载分担比减小。

图3 荷载分担比随桩间距变化曲线

2.2.3 桩帽宽度

图4为不同桩帽宽度下，荷载分担比随路堤高度变化曲线。各计算模型的荷载分担比变化规律类似，在路堤填筑初期荷载分担比迅速增加，随着路堤填筑高度不断增加荷载分担比的增长幅度逐渐减小并最终趋于稳定。对比各计算模型路基中心处荷载分担比，当路堤填筑高度相同时，桩帽宽度越大荷载分担比越大。路堤填筑完成，a=0.8m时路堤中心处荷载分担比为57.5%。对比图4，当路堤填筑完成，s=2.2时路堤中心处荷载分担比为60%。可以看出当桩净间距（s-a）相同时，桩帽较大的模型，荷载分担比较大。因此在桩承式路堤设计中，当桩净间距相同时，建议采用大桩帽设计，以承担更多路堤荷载。

图4 荷载分担比随桩帽宽度变化曲线

2.2.4 路堤高度

图5为不同路堤高度下，路基中心处和路肩处荷载分担比随路堤高度变化曲线。从整体上看当路堤高度不同时，各计算模型路基中心处荷载分担比变化规律基本相同。对比各计算模型路肩处荷载分担比变化规律。当路堤填筑高度小于1.3m时各计算模型的荷载分担比走势基本相同，当填筑高度大于1.3m后，路肩处荷载分担比略有增长当达到峰值后逐渐减小，由于不同模型路堤高度不同，路肩处的荷载分担比差异较大。

图5 荷载分担比随路堤高度变化曲线

综上所述，增加桩长、桩帽宽度、路堤高度和减小桩间距都能提高单桩承载能力。从横断面荷载变化规律上看，路基横断面荷载分担比变化规律与观测点位置有关[6-7]，从路基中心向路肩方向，荷载分担比逐渐减小，并且在路肩处荷载分担比迅速下降。

3 小结

本文基于二维有限元模型，分析对比路基中心处、中心线右侧和路肩处，路基表面土压力变化规律以及宽域断面路基横断面荷载变化规律。结果表明：①增加桩长、桩间距、路堤高度和减小桩帽宽度，都可以增加桩土差异沉降，并在一定程度上促进土拱效应的发挥。②增加桩长、桩帽宽度、路堤高度和减小桩间距，都可以增大路堤荷载分担比，提高单桩承载能力。③路基横断面荷载分担比变化规律：从路基中心向路肩方向，荷载分担比逐渐减小，并且在路肩处荷载分担比迅速下降。