浅谈桩承式加筋路堤的应力荷载机理

王朦诗

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

随着国家经济的持续稳定发展，国家整体建设长远规划和区域经济、城镇化等进程不断推进，我国的高速公路、高速铁路、其他交通道路等在大规模的规划和建设之中。而随着道路建设的发展以及国家对道路需求的不断提升，越来越多的公路、铁路开始修建在软土层路基上，由于软土层路基自身缺陷，道路不均匀沉降、裂缝、滑坡等现象时有发生，对道路安全构成了极大的隐患，因此进行合理的路基处理显得尤为重要[1]。针对软土层路基等不良路基，桩承式加筋路堤可以有效地控制地基不均匀沉降和侧向变形，且施工填筑工效快、避免预压和二次开挖，降低了对不良路基的二次破坏，缩短施工工期，控制施工质量，降低施工成本，具有很好的经济效益和社会效益[1-3]。然而，由于路堤力学机理和荷载传递机理的复杂性，因此在实际工程应用中仍旧会出现由于抗压强度差异、应力集中效应等问题而导致的道路沉降、裂缝等现象。

1 桩承式加筋路堤概念及特点

为了对不良路基进行有效的加固处理，专家学者针对不同的施工环境和施工对象，提出了排水固结法、置换法、强夯法、复合地基法等多种路基处理办法，而这些技术对不良路基的控制效果和推广应用有限。桩承式加筋路堤有效弥补了这些技术存在的不足，能够有效控制不良路基沉降和侧向变形，在提高施工工效的同时，有效降低工程后期沉降和差异沉降，道路稳定性得到有效控制，在我国道路施工现有地质条件复杂、环境较为恶劣的条件下得到了广泛应用[1,3]。桩承式加筋路堤结构主要包括桩体、桩帽、土工合成材料加筋垫层（加筋体）和路堤4个部分，见图1。路堤桩体根据软土层厚度及力学特性打设于软土层底部或硬土层，加筋体一般放置于桩帽之上，路堤通过桩体结构和桩体之间的土产生的土拱效应以及加筋体与桩体之间产生的拉膜效应，使路堤荷载应力传递至桩体顶端，相对于软土层来说，刚度较大的桩体承担了来自路堤的大部分荷载，降低了软土层承受的应力荷载，有效降低因不良路基受到路堤荷载而发生的不均匀沉降和侧向变形，进而有效控制路堤的整体沉降[2-3]。

图1 桩承式加筋路堤结构示意图

鉴于桩承式加筋路堤的特点及其对软土层路基的控制效果，目前该路堤的应用主要集中在桥台后过渡段软土、路堤软土、高填土分段路堤软土、旧路改造扩建等新路堤软土以及较为重要的设备（如贮油罐）设置软土等工程施工工期较紧或沉降控制要求较为严格的工程路段路基加固。

2 桩承式加筋路堤的应力荷载机理

桩承式加筋路堤之所以能够对路堤不均匀沉降、侧向变形等进行有效控制，是因为通过整体结构之间的相互作用、互相影响以及桩体与土层之间发生的土拱效应、水平加筋材料产生的拉膜效应，使路堤荷载的应力发生转变并向桩体集中，进而降低路堤荷载对土层的力学作用，而路堤荷载在桩帽顶部集中并进行分摊后，通过桩体与土层之间的相互作用，在加固范围内形成复合加固路基，从而控制路堤差异沉降和变形，见图2[3-5]。

图2 路堤荷载传递机理示意图

2.1 土拱效应

土拱效应的原理如下：是由于不同介质对应力的不同荷载，为了达到应力平衡，不同介质间产生应力转移现象，土体自身存在的抗剪强度会使这种应力转移现象对土体进行作用，产生压缩和变形，从而形成土拱效应。桩承式加筋路堤发生土拱效应，是由于桩体比软土层的支撑抗压刚度更大，在路堤荷载应力作用下，桩体的压缩变形量要小于桩体之间土体的压缩变形量，局部土体产生移动，造成路堤土体与桩体之间土体产生相对位移，进而形成剪应力，代表路堤荷载的剪应力传递至桩顶，使桩顶荷载集中，桩体之间土体对应荷载作用强度降低，土体内部由于荷载作用发生压缩和变形等结构变化而产生互相楔紧作用，从而导致路堤中出现土拱效应，见图2。土拱效应的存在使桩体与桩体之间土体重新构成了在路堤荷载作用下的相对稳定支撑体，而土拱效应的发挥效果直接决定了桩承式加筋路堤的承载能力和稳定性：当土拱效应不足时，即桩体之间土体受荷载作用产生的互相楔紧作用不充分，当受到更大的荷载作用的时候，土体仍旧会因受到压缩和变形进行互相楔紧，路堤顶面容易发生不均匀沉降和变形；而当土拱效应过大时，桩体荷载应力较为集中，施工过程中对桩体的要求过高，不能达到预期的经济效果。

2.2 拉膜效应

拉膜效应的原理如下：加筋体受到路堤荷载作用后，发生向下弯曲的应力变形，产生拉伸应力，加筋体在承受一定竖向荷载应力作用的条件下，在路堤填土的侧向推力作用下，产生一个限制路基土体侧向变形的约束力，从而将部分垂直应力分量传递至桩体，在桩体上形成因加筋体荷载转移的应力集中，从而对路基土体进行变形和差异沉降限制，即为拉膜效应，见图2。拉膜效应对桩承式加筋路堤稳定性的影响，主要体现在：所选择的加筋体层在双重荷载应力作用下，是否能够限制路基边坡填土的侧向推力的影响。

3 桩承式加筋路堤的沉降和承载力分析

桩承式加筋路堤对路堤差异沉降和变形进行有效控制，主要在于：桩体和水平加筋体层的存在，促使路堤填土荷载以及路面交通荷载对软土层的荷载应力作用发生转移，通过应力作用产生的土拱效应和拉膜效应，荷载因不同介质间应力强度不同而发生转移，周边土体应力向桩体转移，桩体荷载向桩基硬土层转移，整体结构应力平衡被打破之后又重新恢复平衡，且路堤的整体结构更加稳定，承受荷载作用的能力更强，进而起到控制路堤在荷载作用下的沉降和变形的作用[4-6]。因此，桩承式加筋路堤起到有效作用的关键在于：如何充分有效地利用土拱效应以及土工材料的拉膜效应。

3.1 桩承式加筋路堤沉降分析

根据桩承式加筋路堤的作用机理，可以将沉降分析分为路堤荷载传递、加筋体层、桩帽间整平层、加固区、下卧层等5个部分。

1）路堤荷载传递。即路堤荷载造成桩帽与桩间土体产生差异沉降，在路堤填土内部产生剪切应力，荷载向桩帽转移集中，进而形成土拱效应。而当路堤填土高度较低时，路堤填土内部不会形成完整土拱，土拱效应波及路堤表面形成差异沉降或变形；反之，路堤填土内部形成完整土拱，土拱处至路堤表面形成共同沉降效果，路堤表面不会出现差异沉降或变形，即完整土拱高度即为路堤填土高度的临界值。

2）加筋体层。水平加筋体层的研究重点在于确定加筋体层的受力情况分布，即在固定荷载的条件下，计算桩帽边缘处加筋体层受应力作用产生的水平位移和纵向拉力极限。

3）桩帽间整平层。整平层的分析主要是考虑加筋体层在荷载作用下发生的应力转移，整平层在应力作用下会发生压缩变形，从而造成桩帽下土体与桩帽逐渐脱离，排除摩擦力作用，桩帽上的荷载则会全部转移至桩体，而整平层的荷载会通过整平层的扩散作用全部传递给桩间土体。

4）加固区和下卧层。桩体、加筋体层、桩间土体共同作用形成加固区，随着荷载向桩体、桩间土体、下部持力土层的不断转移，加固区逐渐形成；而荷载向桩体不断集中致使桩端与桩周土体间产生差异沉降，使桩端荷载向下往周围土体扩散，而扩散到一定深度后，桩体与持力层中形成均匀沉降，进而路堤、加筋体层、桩体、桩体间土体、持力层逐渐形成共同均匀沉降区。

3.2 桩承式加筋路堤承载力分析

桩承式加筋路堤能够有效对路堤进行沉降控制，是基于路堤力学效应对路面承载力的提升和增强，从而促使路堤具有较其他路堤来说更为强大的承载力，以及维持路堤、路面稳定的控制力。受荷载作用下，桩承式加筋路堤各结构间发生荷载转移和应力变化，产生力学效应，从而起到路堤承载作用，保证路堤结构的稳定性。根据桩承式加筋路堤的承载效应原理，力学效应主要分为3个部分：一是土拱效应大部分路堤荷载向桩体转移；二是由于加筋体层与周边土体受到荷载效应后发生的变形模量存在差异，促使加筋体层与土体间产生摩擦，形成抑制土体因荷载作用发生的拉伸现象，从而提升路堤与路基的承载力；三是另一方面，发生的变形模量差异引起的加筋体层力学作用在垂直方向的分量，将荷载进一步向桩体转移，并对由于受到荷载发生应力扩散的路堤填土进行进一步应力分布均匀增强，从而提升路堤整体的稳定性。因此，在对桩承式加筋路堤承载力进行分析的时候，应当同时对桩体、路堤填土、加筋体层等对路堤承载力的增强作用进行综合考虑。

4 结束语

桩承式加筋路堤在控制路堤沉降、提升施工工效、施工环境恶劣等方面具有突出优点，尤其在处理软弱土的软土层路基方面，具有明显的社会意义和经济效益，对我国现有道路建设方法的选择具有重要意义。通过分析可以得出，为了控制差异沉降，保证路堤的长期稳定，在对桩承式加筋路堤进行施工的过程中，应当对路堤高度、填土性质、桩体结构、桩体间距、加筋体层结构以及路堤修建的地质环境等进行充分综合考虑，在控制施工成本和施工工期的前提下，保证路堤力学结构的稳定性和持效性。