高速公路桩承式加筋路堤沉降规律数值分析

张超 ZHANG Chao；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

桩承式加筋路堤是通过土拱效应和拉膜效应，将大部分的荷载传递至桩顶，从而有效地控制了路堤的整体沉降。在桩承式加筋路堤的填筑中，桩体的抗压刚度远大于桩间土的抗压刚度，在路堤荷载作用下，桩体压缩变形小于桩间土压缩变形量。由于桩体和桩间土的差异沉降，会引起应力重分布，使桩体承担大部分路堤荷载，从而形成“土拱效应”。在上部荷载作用下，水平加筋体向下弯曲，产生拉伸应力，同时路堤填土的侧向推力使水平加筋体产生一个限制地基土体侧向变形的约束力，从而可以分担一部分路堤荷载。这种通过拉伸变形调节差异沉降，限制土体侧向变形的效应即为“拉膜效应”。在土拱效应和拉膜效应的共同作用下路堤荷载从桩间土向桩体上转移，从而有效减少桩土间的不均匀沉降。

在桩承式路堤沉降控制研究方面，朱学敏[1]基于模型试验分了土工格栅筋材抗拉强度和铺设层数对地基竖向沉降的影响。崔晓艳[2]分析了刚性桩复合地基沉降分布规律与竖向应力的分布特点。Chen[3]通过模型试验研究路堤沉降变化规律以及荷载传递规律。陈仁朋[4-6]对软土层未打穿的桩承式路堤进行现场试验，分析填筑过程中及填筑完成后桩、土压力、路基沉降及下卧层沉降的变化规律。费康[7]对低置换率桩承式加筋路堤进行了现场试验，对沉降及侧向水平变形等内容进行了观测分析。张良[8]研究了桩端持力层对桩承式路基承载特性的影响，测试了路堤荷载作用下的地基变形、垫层筋带拉力、路堤基底压力等数据，分析了桩端持力层强度的变化对桩承式路基的破坏模式、变形和承载特性、筋带拉力等的影响规律。

控制路基工后沉降是高速公路路基设计的关键。目前关于桩承式路堤的研究主要集中在承载能力分析以及力的传递机制上，对桩承式路堤的沉降研究相对较少。对软土地基路堤的设计而言，路堤沉降控制尤为重要。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。因此为研究桩承式加筋路堤沉降规律，本文采用二维有限元模型分析桩长、桩间距、桩帽宽度和路堤高度对桩承式加筋路堤路基中心处、中心线右侧和路肩处，路基表面不均匀沉降的影响以及加固区、下卧层沉降特点，对宽域断面路基横断面沉降演化进行研究。

1 桩承式加筋路堤数值模型

本文利用有限元软件ABAQUS建立了二维全断面有限元模型。桩承式路堤的尺寸如图1所示。路堤宽度为42m，边坡比1∶1.5。建立模型时，为减小边界效应的影响，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。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。

图1 桩承式加筋路堤断面图

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，参数如表1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。数值模型中，路堤、桩均以及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单元，地下水位以下软土地基采用4节点应力-孔压耦合单元CPE4P单元，地下水顶面孔隙水压力pw=0，模拟自由排水边界。土工格栅采用T2D2单元。

表1 桩承式路堤有限元模型中的材料参数

2 路基横断面沉降规律

为了进一步分析不同影响因素对路基横断面不均匀沉降变化规律，本小节通过有限元方法进行分析。

2.1 桩长

图2为路基中心处和路肩处加固区沉降和下卧层沉降随桩长变化曲线。可以看出随着桩长增加，各观测点下卧层沉降值迅速减小，而加固区沉降略有增加但整体变化不大。其主要原因是桩长增加，加固区范围增加，因此加固区沉降增加。由于地基总影响深度不变，所以受荷载扰动的下卧层深度减小，下卧层沉降减小。由于路肩处为边坡临空面，应力状态与路基中心处存在差异。因此路肩处路降明显小于路基中心处沉降。

图2 路基沉降随桩长变化曲线

表2为路基横断面沉降差，反映了路堤荷载下路基横断面的不均匀沉降。随着桩体长度增加，路基横断面不均匀沉降逐渐减小。对比桩长为12m和20m时路基横断面沉降差，可以看出，当桩长增加66.7%时，路基横断面不均匀沉降可减小44.4%。由于下卧层沉降占总沉降比例较大，而桩长增加可以有效减小下卧层沉降，因此采用较长的桩体可以有效减小路基沉降以及路基横断面的不均匀沉降。

表2 路基横断面沉降差

2.2 桩间距

图3为各观测点加固区沉降和下卧层沉降随桩间距变化曲线。随着桩间距增加，加固区沉降增大，而下卧层沉降变化不明显。表3为不同桩间距下路基横断面不均匀沉降值。可以看出随着桩间距增大，路基表面不均匀沉降略有增加但变化幅度较小。对比桩间距为2m和2.8m时加固区沉降差，当桩间距增加40%时，加固区沉降差增加66.7%。可以看出桩间距对加固区沉降影响较大。

图3 路基沉降随桩间距变化曲线

表3 路基横断面沉降差

其主要原因是，桩间距增大单桩承载能力减弱，桩间土承担更多荷载，因此加固区沉降增加。而下卧层主要承担桩体和桩间土传递的荷载，由于各计算模型的路堤高度相同，由路堤填土产生的附加荷载相同，因此通过桩体和桩间土传递的总荷载相同，所以下卧层沉降受桩间距影响较小。

2.3 桩帽宽度

图4为各观测点加固区沉降和下卧层沉降随桩帽宽度变化曲线。可以看出桩帽宽度增加，加固区沉降略有减小，而下卧层沉降变化不明显。其主要原因是随着桩帽宽度增加，桩体荷载分担比增加，桩体承担的荷载增加，桩间土承担的荷载减小，因此加固区沉降减小。由于路堤总荷载不变，通过桩体和桩间土传递到下卧层的总荷载相同，因此下卧层沉降基本不变。

图4 路基沉降随桩帽宽度变化曲线

表4为桩净间距（s-a）相同是路基沉降变化。可以看出，桩帽较大的模型，地基总沉降和路基横断面不均匀沉降较小。因为当桩净间距相同时，桩帽较大的模型荷载分担比较大，桩体承载能力较高。因此从沉降控制考虑，当桩净间距相同时，建议采用大桩帽设计。

表4 a=0.8m和s=2.2m路基沉降变化

2.4 路堤高度

图5为路基中心处和路肩处地基沉降随路堤高度变化曲线。可以看出，路堤高度增加，各计算模型加固区和下卧层沉降都有一定增加，但是下卧层沉降值增长更大。其主要原因是，下卧层承担桩体和桩间土传来的全部荷载，所以受路堤高度的影响较大，沉降值增长显著。

图5 路基沉降随路堤高度变化曲线

表5为不同路堤高度下路基横断面不均匀沉降值。可以看出随着路堤高度增大，路基表面不均匀沉降迅速增加，当路堤高度较高时（H＞5.3m）路基横断面沉降差基本稳定。路基横断面不均匀沉降主要受下卧层沉降影响，下卧层处的不均匀沉降变化规律与路基横断面不均匀沉降变化规律一致。其主要原因是下卧层沉降与地基土体固结有关，孔隙水受压逐渐排除，孔隙比减小，沉降增大。因此随着路堤填筑高度的增加路堤沉降逐渐增大。当路堤荷载达到一定值后，软土地基固结完成，下卧层沉降基本稳定。

表5 路基横断面沉降差

综上所述，增加桩长、桩帽宽度和减小桩间距、路堤高度都能减小路基沉降。从横断面荷载变化规律上看，路基横断面沉降变化规律与观测点位置有关，从路基中心向路肩方向，沉降值逐渐减小，并且在路肩处沉降值迅速下降。

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加固区、下卧层沉降特点，对宽域断面路基沉降演化进行研究。结果表明：①增加桩长、桩帽宽度和减小桩间距、路堤高度都能有效降低路基沉降。②从沉降位置上分析，桩长变化，主要影响下卧层沉降；桩间距变化，主要影响加固区沉降；桩帽宽度变化，主要影响加固区沉降；路堤高度变化，主要影响下卧层沉降。③路基横断面沉降变化规律：从路基中心向路肩方向，沉降值逐渐减小，并且在路肩处沉降值迅速下降。