李国峰 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

1 引言

目前桩承式路堤在实践中已经大量使用，但是因为其工作原理特别复杂，国内外对其研究仍然不够充分，甚至国内都没有形成统一的适用于中国情况的规范。国内学术界及工程界对这种新技术的称呼也是大不相同[1-3]，没有形成统一的理论来指导工程建设。承式路堤研究的重点问题是路堤内部土拱效应以及土工格栅受力机理。从目前的研究来看，缩尺物理模型试验是研究这两个问题的主要方法。目前国内外学者大都采用砂土来模拟填料，但是由其所形成的砂土拱并不能代表现实项目中由粘性土形成的土拱，并且高速铁路、公路现场路堤的填料很少会用到砂土[4-7]。

针对上述问题，本文以粘性土来模拟填料，通过物理模型试验分析了路堤填筑过程和静力加载情况下土拱效应的发展机理以及土工格栅的加筋作用。

2 试验概况

2.1 实验装置及材料

如图1所示：试验在钢制模型槽中进行，模型槽分节搭接而成，高1.8m、长宽均为2m。本次模型试验中共设置了4根桩（简化研究对象，以桩帽代替），桩帽材料为60cm×60cm×20cm(厚)的方形钢板。为了试验中方形钢板的稳定，直接将其焊接在钢制模型槽底部。

图1 模型尺寸示意图

路堤填土采用粘土最大干密度ρdmax=1.81 g/cm3，最优含水率w最优=61%，液限为wL=39.6%，塑限wp=21.2%，塑性指数Ip=18.4，有效粘聚力c=18kPa，有效内摩擦角φ=22°。分层填路堤土，分9层，每层厚度通常为15cm，填筑完一层后，整平土顶面，并按1.5 g/cm3控制干密度，然后再填筑下一层土，直到高度为135cm。地基土采用压实的橡胶颗粒材料模拟，密度ρ橡胶=0.90g/cm3，试验测得橡胶颗粒在0～80kPa之间的压缩模量E橡胶=910kPa。

实验采用一层单向土工格栅，其横向抗拉强度为43 kN/m，抗拉刚度为400kN/m，延伸率为7%。

2.2 加载系统

静力加载系统：用反力架固定液压千斤顶从而形成了自平衡系统。液压千斤顶额定出力为600kN。加载板采用方形钢板，厚度1cm；加载板和千斤顶之间放有垫块。分10级加载，每级荷载3kPa。沉降稳定标准为每级沉降量小于0.02mm/10min。施加完成每一级荷载后，量测路堤内土压力。

2.3 试验量测设备及布置

为监测桩承式路堤的静力特性行为，本模型试验装置含有一套完整的量测系统。包括传感器，以及量测传感器数据的解调仪。

在路堤填土内部根据试验要求，布置了14个电阻式土压力盒，如图2、3所示。从某一桩帽中心（T1处）向上以15cm为间距逐渐向上共布置了5个土压力盒，从模型桩间土的中心（Ts1处）向上同样以15cm为间距逐渐向上共布置了5个土压力盒。填筑过程中埋设土压力盒且在读数稳定后开始填筑下一层土。

图2 桩顶平面土压力盒布置示意图

图3 纵剖面土压力盒布置示意图

3 试验结果及分析

3.1 路堤填筑过程

图4为桩顶平面T1和TS1处土压力随路堤填筑高度变化图。由图可知，填筑高度小于0.3 m时，随着路堤高度的增加桩顶和桩间土压力增长较为一致；填筑高度大于0.3 m后，桩顶出土压力和桩间处土压力开始分化。因为模拟地基土的橡胶刚度远小于桩帽刚度而且橡胶具有一定的流动性，随着填筑高度增加，填筑土压力向桩顶集中。当填筑高度为1.35m时，桩顶上土压力为41.3kPa，大于通过填土高度和密度计算得出的平均自重土压力25.93kPa，桩间土最大土压力为7.5kPa，小于平均自重土压力。此外从图中可以看到填筑高度在0-0.45m之间时，桩土应力比增长缓慢，此后桩土应力比增长速度明显增快。这说明在0.45m左右土拱形成，使土压力明显向桩顶集中。

图4 桩顶平面土压力随填筑高度增长图

图5为不同高度处土压力随填土高度变化图，随着填土高度的增长，土压力都有所增加，而对于0.15 m和0.3 m高度处土压力，随着填土高度的变大，桩顶上方与桩间上方土压力之间的差值越来越大；而对于0.45 m和0.60 m高度处，桩顶和桩间土压力基本相同。可见在路堤填筑过程中发生了土拱效应，0.45 m高度下方产生应力集中，而对0.45 m上方土压力未见此现象。

图5 不同高度处土压力随填筑高度变化图

图6是路堤填完后桩顶桩间的竖向应力变化图，由图可知，路堤表层至路堤0.9m深度内，土压力随路堤深度线性增大，且桩顶和桩间变化基本相同；而路堤0.9 m深度以下，桩顶上方和桩间上方土压力明显分化，应力逐渐向桩顶集中，发生土拱效应，土拱高约0.45 m（1.125倍桩间净距的）。

图6 填筑完后桩顶桩间的竖向应力分布

图7是桩土应力比竖向分布在路堤填筑不同阶段的变化曲线，由图可知，随着路堤填筑高度的变大，路堤深度0.9m以内的桩土应力比变化较小，路堤深度0.9-1.2m深度内桩土应力比急剧增大，说明这个过程土拱效应明显使土压力向桩顶集中。从图中还可以看到当填筑高度大于1.2m（3倍桩间净距）以后，随着路堤填筑高度的变大，桩土应力比趋向于不变。说明路堤填筑超过某一临界高度后填土不再影响土拱变化。

图7 桩土应力比竖向分布随路堤填筑过程的变化

3.2 路堤静力加载过程

图8为桩顶平面不同位置处的土压力随静荷载变化图，由图可知，桩顶和桩间土压力均随着静荷载增大而接近线性增长，可见在最大为30kPa的静载作用下，填土内部土拱稳定、未破坏。桩顶和桩间的土压力增长幅度差异很大。当静载从0增长到30kPa时，桩顶中心处的土压力增加了37kPa；而桩间土压力仅增加了3.72kPa。说明在静荷载作用下，由于土和桩刚度不同，土体内部应力发生调整，部分土压力转移到桩顶，桩间土承担的附加荷载不大，形成了较稳定的土拱。

图8 桩顶平面不同位置处的土压力随静荷载变化图

如图9和图10显示随着静荷载增加，桩顶上方不同深度处附加应力与桩上方不同深度处附加应力表现出相似的变化趋势，均随静荷载的增加而增加。然而，桩顶和桩间附加应力随深度的变化趋势不一致：桩间上方，附加应力的增长幅度随路堤深度变小；而桩顶上方，路堤深度在1.05m～1.35 m范围时，越靠近桩顶，路堤深度越大，附加应力增长幅度也越大，路堤深度在0.75m～0.9m范围时，越靠近路堤表面，路堤深度越浅，附加应力增长幅度越大。这是在填筑路堤期间，路堤内部形成土拱效应，使附加应力重新分布。以上分析说明土拱的影响范围在桩顶平面上方高0.45 m内，相当于1.125倍桩间净距。

图9 桩顶上方路堤不同深度处附加应

图10 桩间上方路堤不同深度处附加应力

由图11所示，桩顶上方路堤竖向附加应力分布呈现出V型反转的趋势。路堤表层至其下0.9m深度范围内，桩顶和桩间上方附加应力均随路堤深度增大而减小，且数值相差不大。而在路堤0.9m深度至桩顶平面范围内，桩顶上方附加应力随路堤深度增大而增大，桩间上方附加应力则随路堤深度增大而减小；并且随着静荷载的增大桩顶承担的附加应力递增幅度逐渐变大，桩间承担的附加应力衰减幅度也逐渐变大，附加应力向桩顶集中。说明在一定静荷载范围内随着静荷载的增大土拱效应表现得越来越显著。

图11 桩顶桩间附加应力竖向分布

在桩土附加静应力比与路堤深度协变关系图解上（图12），在施加静荷载过程中，当路堤深度≤0.9m时，桩土附加静应力比基本不随静荷载增加而变化；当路堤深度≥0.9m时，桩土附加静应力比随着路堤深度增加而显著增大。

图12 不同静荷载作用下桩土附加静应力比竖向分布

4 结论

①本次试验所得土拱高度约为桩间净距的1.125倍。随着填筑高度的增大，路堤深度小于土拱高度时桩土应力比变化较小。填筑高度大于3倍桩间净距时，随着填筑高度的增加桩土应力比基本不再变化。两者之间深度范围内桩土应力比急剧增大。说明存在某一临界高度，当路堤填筑超过此临界高度后填土不再影响土拱变化。

②静荷载附加应力的分布受土拱影响，土拱影响范围在桩顶上方1.125倍桩间净距以内。在一定静荷载范围内随着静荷载的增大土拱效应表现得越来越显著。路堤表层至土拱高度范围内，桩土附加静应力比基本不随静荷载增加而变化；而在土拱高度下方，在路堤静力加载过程中，桩土附加静应力比随着路堤深度增加而显著增大。