談樁承式路堤中土拱效應的研究現狀*

曾春梅 劉建強 郭瑞峰 劉 彪 劉亞明

(東華理工大學建筑工程學院，江西 南昌 330013)

0 引言

土拱效應是通過土體抗剪強度的發揮而實現的用來描述應力轉移的現象。自Terzaghi[1]通過著名的Trapdoor試驗證實了土拱效應的存在以來，土拱效應得到了巖土工程領域眾多學者的廣泛關注。從提出土拱效應的存在到得出樁土荷載分擔比的計算方法，再到揭示不同高度的路堤對樁承式路堤土拱形態的影響和荷載傳遞機制，學者們對土拱效應的研究取得極大進展。如今，土拱理論廣泛應用于隧道、邊坡工程、樁承式路堤等領域，筆者則重點論述土拱效應在樁承式路堤中的研究現狀。

樁承式路堤是利用剛性樁以及樁帽作用在軟土層的一種地基處理方式，與天然路堤相比，樁承式路堤具有穩定性好、施工工期短、不均勻沉降小、經濟效益高等特點，近年來在實際工程中得到越來越多的應用。當樁承式路堤中的樁及樁帽作用于軟土層時，樁間會形成土拱，土拱將應力傳遞至樁帽，因此樁承式路堤的設計必須考慮到土拱效應的作用。由于土拱效應的存在，樁承式路堤中上部路基的自重大部分應由樁體直接傳遞至持力層，從而增強了路堤的穩定性。考慮土拱效應能使樁承式路堤的設計更加經濟合理，因而樁承式路堤中土拱效應的研究對樁承式路堤的設計理論具有很大的指導意義。筆者從理論分析、現場試驗、模型試驗角度出發，對前人的研究成果進行總結，提出研究展望，為今后土拱效應的研究提供參考。

1 土拱效應的理論研究

在樁承式路堤中，由于地基條件的復雜性和上部荷載的不確定性，樁承式路堤中土拱效應的理論研究具有一定的難度，但前人在理論研究方面取得了很大的進展。對于樁承式路堤中土拱效應的研究，學者們大多數從已有的傳統土拱效應分析方法等理論方法入手，結合工程實例分析或進行模型試驗、提出計算模型，分析樁承式路堤中土拱效應涉及到的因素或計算分析所研究計算表達式中的參數，最終求得試驗理論或計算表達式和計算方法，使理論能夠切合實際工程的應用。

前人通過對已有理論的深刻研究，修正和改進了傳統理論的分析方法。陳云敏等[2]改進了傳統的Hewlett極限狀態空間土拱效應分析方法，并結合工程實例分析，求得樁體荷載分擔比計算的解析表達式。莊妍等[3]通過平面土拱效應室內模型試驗，修正了Hewlett & Randolph理論方法，分析了路堤高度的變化對樁土應力比的影響，計算結果表明：改進后的分析方法在理論上更加完善，更符合工程實際。

學者根據已有理論研究提出假設及試驗模型，求得土拱效應應用于樁承式路堤中的許多參數的計算方法，揭示了土拱效應的規律、機制和機理。劉洪凱等[4]通過假設土拱形態，對土拱效應進行公式推導、開展工程實例演算及進行參數分析，得到樁承式路堤下樁土荷載分擔比的計算方法，該方法計算的結果與工程實際較接近，切實可行。芮瑞等[5]采用二維拱效應自制模型試驗裝置進行砂填料的樁承式路堤拱效應模型試驗，提出了砂填料樁承式路堤的三角拱力學計算模型，通過推導建立了適用于砂填料樁承式路堤的樁土應力比計算方法。但由于其試驗采用的是砂作為填料，其結論的應用范圍具有一定的局限性。張八芳等[6]根據路堤荷載作用下的樁土變形特性，分析了樁承式路堤土拱效應形成機理及形成條件，提出了采用土拱效應比來反映土拱效應的發揮程度。趙子榮等[7]針對目前計算樁土應力比未考慮樁土相對位移的問題，通過假設路堤內部側摩阻力的傳遞規律和相對位移的分布形式，建立了能夠反映樁土應力比隨樁土相對位移變化的計算模型。馬一躍等[8]通過對Trapdoor試驗離散元模擬，從二維和三維角度研究不同高度的路堤對樁承式路堤土拱形態的影響和荷載傳遞機制。

2 土拱效應的試驗研究

2.1 土拱效應的模型試驗研究

模型試驗即根據相似原理，制成與原型邊界條件、受力機理等相似但縮小了尺寸的模型，在此模型中進行試驗研究。在樁承式路堤中土拱效應的研究過程中，因考慮到樁承式路堤土拱效應現場試驗費工費時、試驗周期長、條件有限等因素，模型試驗成為研究土拱效應的重要研究手段。

基于樁承式路堤的室內模型試驗，前人主要針對樁承式路堤中外界因素對土拱效應的影響以及土拱形狀進行了研究。CHEWHS等[9]通過模型試驗研究了樁承式路堤中水平加筋的作用，認為水平加筋對土拱效應有增強作用。芮瑞等[5]采用二維拱效應自制模型試驗裝置進行砂填料的樁承式路堤拱效應模型試驗。曹衛平等[10]通過模型試驗，對樁土應力比的變化規律、路堤沉降變形性狀及其影響因素進行了研究。徐超等[11]通過縮尺模型試驗，主要研究樁承式加筋路堤中正方形布樁的樁帽凈間距、路堤土性質對土拱效應的影響，分析填土黏聚力和樁帽間距對土拱效應的影響及其隨附加荷載變化的規律。丁選明等[12]利用透明土材料，通過PIV技術的模型試驗系統對樁承式路堤中土拱效應進行試驗，研究得出：樁間土下沉過程中，路堤中的土拱每個單拱近似于半橢圓，沉降量增大時土拱形狀幾乎不變，路堤中變形范圍擴大。

2.2 土拱效應的現場試驗研究

鑒于現場試驗受施工、自然條件、環境因素等影響，對自變量控制程度較低，無關因素影響的可能性較大，且現場試驗對資金和時間的耗費量較大。因此現場試驗尚處于起步階段，現場試驗有待進一步發展。

現階段的現場試驗多在高速公路開展，對樁間距的樁土應力比及填土高度進行分析。陳洋等[13]在某高速公路不同工況下進行現場試驗，采用振弦式二次感應土壓力計測量樁帽和樁間土表面土壓力，發現樁帽—土壓力比隨路堤荷載的增加而增大，隨樁帽寬度和樁間距的增加而減小。曾開華等[14]通過某高速公路軟土地基處理中進行現場試驗，對路堤柔性基礎下低強度混凝土樁復合地基的性狀進行了分析研究。結果表明：在柔性地基下這種復合地基可發揮樁間土的承載能力，其樁土應力比的變化趨勢為先減小后增大。陳庚等[15]采用了塑料套管現澆混凝土樁承式路堤現場試驗，對參數進行計算分析，研究填土高度對土拱效應產生的影響，得出：當填土高度達到0.5倍樁間距時，出現土拱效應；達到0.9倍樁間距時形成完全穩定土拱。

3 土拱效應的數值模擬研究

數值模擬成本低廉，具有非常靈活的可操作性，不受時間、空間以及多種外部環境的限制，將數值模擬與試驗研究相結合能使研究結論更加合理客觀。在土拱效應的研究中，由于試驗條件和技術手段的限制，無法測得樁間土體、樁后土體任意一點的土壓力，難以觀測土體顆粒的應變。數值模擬為掌握土體內部的土拱作用機理提供了一種可視化的方法，能夠彌補室內模型試驗和現場試驗的不足。

前人通過建立數值模型，主要對土拱結構、反映土拱效應的變量以及土拱形態進行研究分析，并取得了一定的成果。郭紅梅[16]采用PFC2D建立離散元(DEM)數值模型，對樁承式路堤中的接觸力分布、主應力偏轉、豎向位移和側向位移進行深入分析，認為路堤中土拱結構的完整程度與樁間距和路堤填土高度有關。高雁等[17]對筒樁樁承式路堤中的土拱效應進行了三維有限元數值模擬，重點分析了筒樁樁承式路堤中的豎向應力分布規律、大主應力方向以及土拱效應系數等反映土拱效應的變量。劉朝暉等[18]利用數值模擬試驗研究低填路堤下土拱效應的特性，通過建立三維土拱模型，對不同樁體布置形式下的土拱形態進行了研究。楊濤等[19]通過建立平面應變條件下樁承式加筋路堤土拱形態分析的彈塑性有限元模型，對樁承式加筋路堤中的土拱形態進行有限元數值模擬，并分析加筋對樁帽—土荷載分擔特性的影響。王軍軍等[20]通過二維數值模型，模擬了樁承式路堤中土拱效應的極限情況，分析了影響等沉面高度的因素，結果表明樁徑和樁間距的變化是影響等沉面高度變化的重要因素。楊濤等[21]采用彈塑性有限元數值模擬方法，建立平面應變條件下土拱形態分析的整體有限元模型和簡化有限元模型，確定土拱形態，并對土拱形態曲線點進行擬合，得到相應于不同模型的土拱形態方程。結果表明，采用土拱分析模型獲得的土拱的形態為半橢圓形，拱腳坐落在樁帽上。

4 研究展望

1)土拱效應自發現以來，國內外大量學者對其進行了細致深入的研究，然而對于土拱形態，據不完全統計，僅針對樁承式路堤就提出了六種形態模型，但均未通過實測真實探測到拱體的存在。對此，有學者對“土拱”的存在提出了質疑。而丁選明等[12]利用透明土模型研究土拱效應，結合粒子圖像測速技術，直觀地探測到宏觀土拱形態及路堤填土的位移分布。采用透明土模型或與之類似的模型方法，可以為研究土拱效應提供一個新思路。

2)在現有的關于樁承式路堤土拱效應研究中，大部分都是假設已發展為完整的土拱形態，或者認為路堤足夠高，能滿足形成完整土拱形態的條件。實際上，很多地區都是矮路堤公路，且我國東南沿海地區的公路一般建于軟土地基上。而根據Zhuang等[22]研究內容中所述，在軟弱土層中，只有當路堤高度與樁間凈間距之比大于1.5時，路堤中才能形成完整的土拱，此時路堤面才不會出現差異沉降。因此，建議今后研究考慮未形成完整土拱或者矮路堤的情況。

3)目前，因考慮到樁承式路堤土拱效應現場試驗費工費時，難控制、難重復，試驗周期長、條件有限等因素，國內外學者對樁承式路堤土拱效應的研究，絕大部分都是通過模型試驗方法和有限元數值模擬方法實現。然而，樁承式路堤中土拱效應的研究主體多為土拱形態、土拱高度、路堤高度對土拱效應的影響和樁土相對位移等，而這些主要研究目標的影響因素較多，例如土體的內摩擦角、黏聚力等，都會對土拱效應的產生和發展形成一個不容忽視的影響。因此，現場試驗更能反映出土拱效應真實情況，更具實際應用價值。在現有土拱效應部分研究內容還存在分歧的情況下，現場試驗有待進一步發展。