谈桩承式路堤中土拱效应的研究现状*

曾春梅 刘建强 郭瑞峰 刘 彪 刘亚明

(东华理工大学建筑工程学院，江西 南昌 330013)

0 引言

土拱效应是通过土体抗剪强度的发挥而实现的用来描述应力转移的现象。自Terzaghi[1]通过著名的Trapdoor试验证实了土拱效应的存在以来，土拱效应得到了岩土工程领域众多学者的广泛关注。从提出土拱效应的存在到得出桩土荷载分担比的计算方法，再到揭示不同高度的路堤对桩承式路堤土拱形态的影响和荷载传递机制，学者们对土拱效应的研究取得极大进展。如今，土拱理论广泛应用于隧道、边坡工程、桩承式路堤等领域，笔者则重点论述土拱效应在桩承式路堤中的研究现状。

桩承式路堤是利用刚性桩以及桩帽作用在软土层的一种地基处理方式，与天然路堤相比，桩承式路堤具有稳定性好、施工工期短、不均匀沉降小、经济效益高等特点，近年来在实际工程中得到越来越多的应用。当桩承式路堤中的桩及桩帽作用于软土层时，桩间会形成土拱，土拱将应力传递至桩帽，因此桩承式路堤的设计必须考虑到土拱效应的作用。由于土拱效应的存在，桩承式路堤中上部路基的自重大部分应由桩体直接传递至持力层，从而增强了路堤的稳定性。考虑土拱效应能使桩承式路堤的设计更加经济合理，因而桩承式路堤中土拱效应的研究对桩承式路堤的设计理论具有很大的指导意义。笔者从理论分析、现场试验、模型试验角度出发，对前人的研究成果进行总结，提出研究展望，为今后土拱效应的研究提供参考。

1 土拱效应的理论研究

在桩承式路堤中，由于地基条件的复杂性和上部荷载的不确定性，桩承式路堤中土拱效应的理论研究具有一定的难度，但前人在理论研究方面取得了很大的进展。对于桩承式路堤中土拱效应的研究，学者们大多数从已有的传统土拱效应分析方法等理论方法入手，结合工程实例分析或进行模型试验、提出计算模型，分析桩承式路堤中土拱效应涉及到的因素或计算分析所研究计算表达式中的参数，最终求得试验理论或计算表达式和计算方法，使理论能够切合实际工程的应用。

前人通过对已有理论的深刻研究，修正和改进了传统理论的分析方法。陈云敏等[2]改进了传统的Hewlett极限状态空间土拱效应分析方法，并结合工程实例分析，求得桩体荷载分担比计算的解析表达式。庄妍等[3]通过平面土拱效应室内模型试验，修正了Hewlett & Randolph理论方法，分析了路堤高度的变化对桩土应力比的影响，计算结果表明：改进后的分析方法在理论上更加完善，更符合工程实际。

学者根据已有理论研究提出假设及试验模型，求得土拱效应应用于桩承式路堤中的许多参数的计算方法，揭示了土拱效应的规律、机制和机理。刘洪凯等[4]通过假设土拱形态，对土拱效应进行公式推导、开展工程实例演算及进行参数分析，得到桩承式路堤下桩土荷载分担比的计算方法，该方法计算的结果与工程实际较接近，切实可行。芮瑞等[5]采用二维拱效应自制模型试验装置进行砂填料的桩承式路堤拱效应模型试验，提出了砂填料桩承式路堤的三角拱力学计算模型，通过推导建立了适用于砂填料桩承式路堤的桩土应力比计算方法。但由于其试验采用的是砂作为填料，其结论的应用范围具有一定的局限性。张八芳等[6]根据路堤荷载作用下的桩土变形特性，分析了桩承式路堤土拱效应形成机理及形成条件，提出了采用土拱效应比来反映土拱效应的发挥程度。赵子荣等[7]针对目前计算桩土应力比未考虑桩土相对位移的问题，通过假设路堤内部侧摩阻力的传递规律和相对位移的分布形式，建立了能够反映桩土应力比随桩土相对位移变化的计算模型。马一跃等[8]通过对Trapdoor试验离散元模拟，从二维和三维角度研究不同高度的路堤对桩承式路堤土拱形态的影响和荷载传递机制。

2 土拱效应的试验研究

2.1 土拱效应的模型试验研究

模型试验即根据相似原理，制成与原型边界条件、受力机理等相似但缩小了尺寸的模型，在此模型中进行试验研究。在桩承式路堤中土拱效应的研究过程中，因考虑到桩承式路堤土拱效应现场试验费工费时、试验周期长、条件有限等因素，模型试验成为研究土拱效应的重要研究手段。

基于桩承式路堤的室内模型试验，前人主要针对桩承式路堤中外界因素对土拱效应的影响以及土拱形状进行了研究。CHEWHS等[9]通过模型试验研究了桩承式路堤中水平加筋的作用，认为水平加筋对土拱效应有增强作用。芮瑞等[5]采用二维拱效应自制模型试验装置进行砂填料的桩承式路堤拱效应模型试验。曹卫平等[10]通过模型试验，对桩土应力比的变化规律、路堤沉降变形性状及其影响因素进行了研究。徐超等[11]通过缩尺模型试验，主要研究桩承式加筋路堤中正方形布桩的桩帽净间距、路堤土性质对土拱效应的影响，分析填土黏聚力和桩帽间距对土拱效应的影响及其随附加荷载变化的规律。丁选明等[12]利用透明土材料，通过PIV技术的模型试验系统对桩承式路堤中土拱效应进行试验，研究得出：桩间土下沉过程中，路堤中的土拱每个单拱近似于半椭圆，沉降量增大时土拱形状几乎不变，路堤中变形范围扩大。

2.2 土拱效应的现场试验研究

鉴于现场试验受施工、自然条件、环境因素等影响，对自变量控制程度较低，无关因素影响的可能性较大，且现场试验对资金和时间的耗费量较大。因此现场试验尚处于起步阶段，现场试验有待进一步发展。

现阶段的现场试验多在高速公路开展，对桩间距的桩土应力比及填土高度进行分析。陈洋等[13]在某高速公路不同工况下进行现场试验，采用振弦式二次感应土压力计测量桩帽和桩间土表面土压力，发现桩帽—土压力比随路堤荷载的增加而增大，随桩帽宽度和桩间距的增加而减小。曾开华等[14]通过某高速公路软土地基处理中进行现场试验，对路堤柔性基础下低强度混凝土桩复合地基的性状进行了分析研究。结果表明：在柔性地基下这种复合地基可发挥桩间土的承载能力，其桩土应力比的变化趋势为先减小后增大。陈庚等[15]采用了塑料套管现浇混凝土桩承式路堤现场试验，对参数进行计算分析，研究填土高度对土拱效应产生的影响，得出：当填土高度达到0.5倍桩间距时，出现土拱效应；达到0.9倍桩间距时形成完全稳定土拱。

3 土拱效应的数值模拟研究

数值模拟成本低廉，具有非常灵活的可操作性，不受时间、空间以及多种外部环境的限制，将数值模拟与试验研究相结合能使研究结论更加合理客观。在土拱效应的研究中，由于试验条件和技术手段的限制，无法测得桩间土体、桩后土体任意一点的土压力，难以观测土体颗粒的应变。数值模拟为掌握土体内部的土拱作用机理提供了一种可视化的方法，能够弥补室内模型试验和现场试验的不足。

前人通过建立数值模型，主要对土拱结构、反映土拱效应的变量以及土拱形态进行研究分析，并取得了一定的成果。郭红梅[16]采用PFC2D建立离散元(DEM)数值模型，对桩承式路堤中的接触力分布、主应力偏转、竖向位移和侧向位移进行深入分析，认为路堤中土拱结构的完整程度与桩间距和路堤填土高度有关。高雁等[17]对筒桩桩承式路堤中的土拱效应进行了三维有限元数值模拟，重点分析了筒桩桩承式路堤中的竖向应力分布规律、大主应力方向以及土拱效应系数等反映土拱效应的变量。刘朝晖等[18]利用数值模拟试验研究低填路堤下土拱效应的特性，通过建立三维土拱模型，对不同桩体布置形式下的土拱形态进行了研究。杨涛等[19]通过建立平面应变条件下桩承式加筋路堤土拱形态分析的弹塑性有限元模型，对桩承式加筋路堤中的土拱形态进行有限元数值模拟，并分析加筋对桩帽—土荷载分担特性的影响。王军军等[20]通过二维数值模型，模拟了桩承式路堤中土拱效应的极限情况，分析了影响等沉面高度的因素，结果表明桩径和桩间距的变化是影响等沉面高度变化的重要因素。杨涛等[21]采用弹塑性有限元数值模拟方法，建立平面应变条件下土拱形态分析的整体有限元模型和简化有限元模型，确定土拱形态，并对土拱形态曲线点进行拟合，得到相应于不同模型的土拱形态方程。结果表明，采用土拱分析模型获得的土拱的形态为半椭圆形，拱脚坐落在桩帽上。

4 研究展望

1)土拱效应自发现以来，国内外大量学者对其进行了细致深入的研究，然而对于土拱形态，据不完全统计，仅针对桩承式路堤就提出了六种形态模型，但均未通过实测真实探测到拱体的存在。对此，有学者对“土拱”的存在提出了质疑。而丁选明等[12]利用透明土模型研究土拱效应，结合粒子图像测速技术，直观地探测到宏观土拱形态及路堤填土的位移分布。采用透明土模型或与之类似的模型方法，可以为研究土拱效应提供一个新思路。

2)在现有的关于桩承式路堤土拱效应研究中，大部分都是假设已发展为完整的土拱形态，或者认为路堤足够高，能满足形成完整土拱形态的条件。实际上，很多地区都是矮路堤公路，且我国东南沿海地区的公路一般建于软土地基上。而根据Zhuang等[22]研究内容中所述，在软弱土层中，只有当路堤高度与桩间净间距之比大于1.5时，路堤中才能形成完整的土拱，此时路堤面才不会出现差异沉降。因此，建议今后研究考虑未形成完整土拱或者矮路堤的情况。

3)目前，因考虑到桩承式路堤土拱效应现场试验费工费时，难控制、难重复，试验周期长、条件有限等因素，国内外学者对桩承式路堤土拱效应的研究，绝大部分都是通过模型试验方法和有限元数值模拟方法实现。然而，桩承式路堤中土拱效应的研究主体多为土拱形态、土拱高度、路堤高度对土拱效应的影响和桩土相对位移等，而这些主要研究目标的影响因素较多，例如土体的内摩擦角、黏聚力等，都会对土拱效应的产生和发展形成一个不容忽视的影响。因此，现场试验更能反映出土拱效应真实情况，更具实际应用价值。在现有土拱效应部分研究内容还存在分歧的情况下，现场试验有待进一步发展。