陳玲玲，馬 露，王志遠

(1.蚌埠學院 土木與水利水電工程學院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽科技學院 建筑學院，安徽 蚌埠 233030；3.南京林業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

樁承式路堤因其承載力高，可有效改善因下部軟土沉降過大導致上部路面沉降的問題，在高速公路路基中得到廣泛應用。填土路堤在上部荷載作用下，由于軟土與樁體的差異沉降，導致路堤內會出現(xiàn)應力重分布，荷載更多的傳遞到樁頂。為提高荷載傳遞效率，土工格柵多被應用于樁承式路堤，可有效減小路堤表面的不均勻沉降[1]。學者對加筋樁承式路堤進行了大量的研究，驗證了樁承式加筋路堤中土拱效應和拉膜效應，并對加筋體的工作性狀和作用機理進行了探討。

陳仁朋等[2]利用PVC材料水袋模擬樁間軟土，開展模型試驗，指出加筋體可以有效改善路堤內荷載傳遞，樁土應力比顯著提高，得到蔣德松等[3]驗證。Chen 等[4]考慮了樁土相對位移與埋深對側阻力的影響，并獲得了均質土條件下樁-土變形的解析解，但是未考慮路堤中相對位移對側阻力發(fā)揮程度以及拉模效應的影響。鄭俊杰等[5-6]在其研究基礎上，進一步在中低壓縮性土地區(qū)開展樁承式加筋路堤性能試驗，發(fā)現(xiàn)加筋體的拉膜效應明顯，顯著提高樁土應力比，在考慮加筋體拉膜效應的基礎上，提出樁承式加筋路堤荷載傳遞效率計算方法。隨后，通過計入筋-土界面摩擦作用，改進了張拉膜效應分析方法，進而推導出更加準確的荷載傳遞效率計算方法，其可靠性得到工程數(shù)據(jù)的驗證[7-8]。此外，加筋體在一些特殊地質場地的應用也得到了關注，張東卿等[9]對水平加筋體加固鐵路巖溶路基的受力機理進行了研究，從嚴格控制鐵路路基面變形的角度并考慮滑移效應，提出一種新加筋體加固鐵路巖溶路基的設計方法。

本文基于有限元軟件建立樁承式加筋路堤三維模型，驗證其可行性后，開展單層加筋體的沉降、應力與應變的分布規(guī)律研究，并提出加筋體強度與上述工作性狀的關系。

1 數(shù)值模型

1.1 模型簡介

樁承式加筋路堤示意圖如圖1(a)所示，圖中方形樁帽寬為1 m厚0.5 m，方樁邊長0.3 m，樁間距2.5 Dm，路堤填土高6 m，加筋體距離軟土頂面0.1 m，軟土深10 m，其下方為剛性土層，水位位于軟土層頂面。由于路堤是對稱結構，因此為節(jié)省計算時間，利用有限元軟件建立加筋樁承式路堤數(shù)值模型如圖1 (b)所示，圖中從樁心向對加筋體的對角線和邊線進行字母編號，以便后續(xù)研究。數(shù)值模型采用參數(shù)如表1所示。表中M為與有效內摩擦有關的參數(shù)，M=6sin φ'/(3-sinφ')，有數(shù)據(jù)表明加筋體承受在承受5%的應變時，強度為0.4-10 MN/m，因此，本文選擇的加筋體強度為J=0.5,1,3,10 MN/m。

(a) 示意圖

(b) 數(shù)值模型

表1 數(shù)值模型參數(shù)

1.2 本構模型及動荷載

本文數(shù)值計算中綜合考慮計算精度與計算時間，對樁體和加筋體均采用彈性模型，軟土采用劍橋模型，路堤采用摩爾庫倫模型。在不同材料間建立接觸面，本文的接觸面均采用罰系數(shù)接觸模擬，加筋體與路堤間的摩擦角取路堤內摩擦角35°，樁與軟土之間的摩擦角取軟土內摩擦角的0.7倍。

車輛動荷載對路堤的作用是研究路基承載性能的重要內容之一，本文采用正弦函數(shù)模擬車輛動荷載[10]，進而研究在動荷載作用下加筋體的工作性能。動荷載函數(shù)如下：

P(t)=P0+Pdsin(wt)

(1)

1.3 模型驗證

為驗證本文所建模型的可行性，對文獻[11]中的實際工程，進行模擬計算樁頂?shù)某两担c現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，如圖2所示。該工程是位于江浙滬皖高速樁承式路堤，樁頂沉降監(jiān)測點路段參數(shù)為路堤高4 m，樁徑0.3 m，樁長14 m，樁間距2.5 m。由圖中數(shù)據(jù)對比可知，本文數(shù)值模型計算結果與實測值吻合度較好，局部數(shù)據(jù)偏大，可能是由于樁側與軟土接觸面摩擦系數(shù)設置偏小導致。因此，本文建模方法可用于加筋樁承式路堤的數(shù)值分析。

圖2 軟土沉降的實測值與模擬計算值Fig.2 Measured and simulated values of soft soil settlement

2 結果分析

對樁承式加筋路堤在靜載和動載作用下的工況分別進行模擬計算，提取加筋體的應力應變數(shù)據(jù)，并對其加以分析，得到加筋體在路堤內應力傳遞過程中的作用機理。

2.1 加筋體沉降規(guī)律

在上部路堤和荷載作用下，加筋體在將荷載傳遞至樁帽的過程中，自身也會發(fā)生較大的沉降變形，圖3給出了加筋體在對角線和邊線上的沉降規(guī)律，由圖可以看出在樁帽上加筋體的沉降基本為0，而樁間的加筋體沉降明顯，動荷載下加筋體的沉降明顯大于靜載作用條件下的沉降，且AB方向加筋體在樁帽邊緣處的變形突變更加劇烈，AC方向的變形要平緩些，分析原因為加筋體對角線經過樁帽的拐角，在此處造成加筋體的應力集中，因此變形突變較大。由圖3(a)可以得到隨著加筋體強度的提高，靜載與動載作用下，加筋體的沉降均變小，且兩者的差異也逐漸減小，由52 mm降低到34 mm，原因為加筋體強度提高后，傳遞荷載的能力提高，外荷載對其變形的影響降低，因此，在外荷載影響同等增幅下，加筋體的沉降差異減小。同樣的規(guī)律，在圖3(b)中也得到了驗證。

(a) AB方向

(b) AC方向

對加筋體的沉降進一步分析，得到加筋體強度與最大沉降的關系，如圖4所示，隨著加筋體強度的增加，最大沉降逐漸減小并趨于穩(wěn)定，給出相關系數(shù)為0.9885的擬合方程：

(2)

圖4 加筋體強度與最大沉降的關系

2.2 加筋體應力規(guī)律

樁承式路堤的荷載主要由樁傳遞至持力層，加筋體將樁間荷載進一步傳遞至樁體，減小樁間軟土的沉降，進而對路堤的沉降加以控制。圖5中描述的是加筋體在靜載和動載作用下，加筋體對角線和邊線方向的應力變化情況。由圖5(a)中可以看出，在樁帽上的加筋體，其應力很小，在接近樁帽角點處出現(xiàn)應力突變現(xiàn)象，隨后應力快速減小，分析原因是由于上部路堤自重和外荷載傳遞到加筋體上，加筋體向下變形，樁帽的阻礙作用增大了加筋體的不均勻沉降，因此其整體應力差增大，因此，在樁帽角點處存在應力集中現(xiàn)象，且隨著加筋體強度的增大，荷載由靜載變?yōu)閯虞d，該現(xiàn)象愈加明顯。由圖5 (b)可以看出相比于靜載作用，動載作用下加筋體的應力顯著增大，分析原因為動載循環(huán)作用下，土體內部結構發(fā)生變化，土體中土拱效應減弱，傳遞到加筋體上的荷載增加。隨著加筋體強度的增加，動載對加筋體應力的影響增大，這是由于加筋體強度高，其變形就越小，傳遞到樁體和軟土上的荷載相對減弱，上部荷載對加筋體的作用就越強，內應力就越大。對加筋體沿樁帽邊線AC方向的應力進一步分析，得到加筋體強度與最大應力的關系，如圖6所示，隨著加筋體強度的增加，最大應力逐漸增大并趨于穩(wěn)定，給出相關系數(shù)0.9956的擬合方程：

(3)

(a)AB方向

(b)AC方向

圖6 加筋體強度與最大應力的關系

2.3 加筋體應變規(guī)律

圖7描述的是動靜荷載作用下，加筋體對角線和邊線方向上，應變的分布規(guī)律。由圖可見，隨著加筋體強度的增大，兩方向上的最大應變均減小，相比靜載作用效果，動荷載顯著增大加筋體應變。對比兩圖可見，沿加筋體對角線上的應變最大，且最大值發(fā)生的樁帽角點處，這與已有文獻中的結論一致。分析原因，在相同荷載作用下，加筋體強度越大，顯然應變越小，其次，動荷載對路堤的擾動作用更顯著，因此加筋體所承受的荷載作用增大，應變隨之增大。樁帽角點處的應力集中現(xiàn)象使得該處的加筋體收到明顯大于別的應力作用，因此，該處的應變最大，這與Halvordson等人[12]的發(fā)現(xiàn)一致。

對加筋體應變進一步分析，得到加筋體強度與最大應變的關系，如圖8所示，隨著加筋體強度的增加，最大應變逐漸降低并趨于穩(wěn)定，給出相關系數(shù)0.993的擬合方程：

(a) AB方向

(b) AC方向

圖8 加筋體強度與最大應變的關系

3 結論

對動荷載作用下樁承式路堤中加筋體的作用機理進行數(shù)值研究，相對于靜荷載，動荷載顯著增加加筋體的受力與變形，主要結論如下：

1)樁帽處的加筋體沉降基本為0，應變相對軟土區(qū)的加筋體也較小，加筋體強度對其應變具有顯著影響，加筋體強度由0.5 MN/m增加至10 MN/m，應變減小了約6倍；

2)隨著加筋體強度的增加，其沉降和應變均逐漸減小并趨于穩(wěn)定，其應力逐漸增大并趨于穩(wěn)定，最大值位于加筋體邊線與樁帽的交點處。樁帽角點處的加筋體出現(xiàn)應力應變集中現(xiàn)象，應對其采取加固措施；

3)給出加筋體沉降、應力和應變與強度的關系公式，與試驗數(shù)據(jù)的相關系數(shù)均大于0.98，具有較好的適用性。