刚性桩复合地基桩间土拱效应研究进展＊

龚 悦，刘晓红，江思卿，王宇鑫，刘昱辰

（湖南理工学院，湖南 岳阳 414006）

随着中国高速公路、高速铁路建设规模的不断扩大，对高路堤下复合地基力学性能要求越来越高，刚性桩复合地基由于其出色的抗沉降性能和承载性能，越来越多地被应用于高速公路及高速铁路建设中。在刚性桩复合地基设计工作中，桩间距的取值非常重要，而研究桩间土拱效应能为桩间距的取值优化提供依据。如图1 所示，利用桩间土拱将上部荷载传递到刚性桩稳定受荷段，从而充分发挥刚性桩复合地基的力学性能。由于桩间土拱的形成与破坏，与桩间距、桩间土体类型、上部荷载形式及大小等诸多因素直接相关，而刚性桩复合地基桩间土拱的形成机理研究远落后于工程实践的需要，造成设计时桩间距的取值会过于保守，不能兼顾工程安全与经济2 个方面的需求。

图1 桩网复合地基荷载传递机理示意图[1]

土拱效应是指在刚性桩复合地基中，由于桩与土的相互作用，土体会形成一种拱效应，类似于在桥梁上的拱形结构。土拱效应能够提高刚性桩复合地基的承载能力和稳定性，因此具有重要的应用价值。TERZAGHI[2]通过活动门试验证实了土拱效应的存在。在刚性桩复合地基中，桩体承受的荷载作用要比桩间土承受的荷载作用大得多，这就是土拱效应作用所致。土拱效应和土拱的形态息息相关，但是，自土拱效应提出以来，对其具体形态的研究不多，直至近20 年来才有了较多的研究。目前，土拱具体形态有：CARLSSON[3]提出的三角拱形模型、LOW 等[4]提出的半圆形模型、HEWLETT 等[5]提出的半球形模型、陈云敏等[6]根据HEWLEIF 模型试验结果提出的半球壳形模型。

本文对刚性桩复合地基桩间土拱效应的理论研究、数值模拟研究和试验研究进展情况进行了归纳总结分析，为以后类似的研究提供了一定的参考。

1 理论研究

刚性桩复合地基桩间土拱效应的理论研究是研究该效应的重要手段之一。理论研究可以通过建立数学模型，分析刚性桩复合地基桩间土拱效应的力学行为和特性，为实际工程提供参考和指导。

近年来，国内外学者[7-8]在刚性桩复合地基桩间土拱效应方面取得了一些重要的研究成果。其中，一些研究表明[9-10]，刚性桩复合地基中的土拱效应可以明显提高地基的承载能力和稳定性，并且可以减小地基的沉降量和变形量。此外，一些学者[11-12]还研究了拱效应的影响因素，如桩间距、桩径、土体性质等，为刚性桩复合地基的设计和施工提供了重要的参考依据。

总之，理论研究是刚性桩复合地基桩间土拱效应研究中的一种重要手段，可以为实际工程提供参考和指导。在进行理论研究时，需要选择合适的理论方法，建立合理的数学模型，求解模型的解析解或数值解，分析刚性桩复合地基桩间土拱效应的力学行为和特性。同时，需要对理论分析结果进行验证，并结合实际工程情况进行合理的解释和说明。

2 数值模拟研究

刚性桩复合地基桩间土拱效应的研究中，数值模拟是一种非常重要的研究手段。数值模拟可以通过计算机软件对复杂的桩土体系进行仿真和分析，得到桩土体系的力学行为和特性，为实际工程提供参考和指导。下面介绍一些常见的数值模拟方法。

2.1 有限元法

有限元法是目前应用最为广泛的数值模拟方法之一，其基本思想是将复杂的桩土体系分割成若干个小区域，每个小区域内的力学行为近似为线性的，然后通过求解节点间的连续性方程组来分析整个体系的力学行为。有限元法可以模拟各种不同类型的刚性桩复合地基桩间土拱效应，适用范围广泛。国内外学者[13-14]利用有限元分析软件对桩间土拱的形成机理以及影响土体成拱的因素进行了数值模拟和分析，进一步分析了土拱效应的特性，得出了土拱的发展规律。

2.2 有限差分法

有限差分法是一种数值解微分方程的方法，其基本思想是将微分方程中的导数用差分近似代替，然后通过求解差分方程组来分析力学问题。有限差分法适用于分析非线性桩土体系中的刚性桩复合地基桩间土拱效应。

一些学者[15-16]基于FLAC3D 数值计算软件，模拟温度、桩间距、桩宽、埋入深度等因素对桩间土拱效应的影响，建立出土拱整体稳定和局部稳定2 种模型，并提出了温度、桩间距、桩宽、埋入深度等影响因素与土拱效应之间的回归方程。

2.3 离散元法

离散元法是一种模拟颗粒间相互作用的数值模拟方法，其基本思想是将物体分解成若干个小颗粒，然后通过求解颗粒之间的相互作用来分析整个体系的力学行为。离散元法适用于分析刚性桩复合地基桩间土拱效应中的颗粒间相互作用问题。国内外学者[17-18]运用离散元数值模拟软件PFC2D 研究了桩间水平土拱的形成、发展及失效整个过程，分析了桩间距对土拱效应的影响并对比了桩形的差异对土拱效应方面的影响。还有一些学者[19-20]利用离散元数值分析方法，揭示了动力土拱的荷载传递机理。从宏细观力学方面分析了静动载作用下的接触力、应力主方向和应力分布的规律与土拱影响因素并对土拱厚度的演化规律做了深入研究，提出结合相对位移和最大主应力等值线综合确定土拱厚度的新方法。

总之，数值模拟是刚性桩复合地基桩间土拱效应研究中的一种重要方法，可以模拟各种不同类型的拱效应，为实际工程提供参考和指导。选择合适的数值模拟方法需要根据具体问题进行评估和比较。此外，数值模拟的精度和可靠性也需要考虑。数值模拟的精度受到多种因素的影响，如网格划分、边界条件、材料模型等。为了提高数值模拟的精度，需要进行合理的网格划分、选择适当的边界条件、采用适当的材料模型等措施。同时，为了保证数值模拟的可靠性，需要对模拟结果进行验证和比较，与试验结果或理论分析结果进行对比，以确定模拟结果的正确性和可靠性。

3 试验研究

刚性桩复合地基桩间土拱效应的试验研究是研究该效应的重要手段之一。试验研究可以通过试验数据分析刚性桩复合地基桩间土拱效应的力学行为和特性，为实际工程提供参考和指导。下面介绍一些常见的试验研究方法。

3.1 模型试验

模型试验是一种常见的试验方法，其基本思想是在试验室中制作刚性桩复合地基桩间土拱效应的模型，通过对模型的加载和变形情况进行观察和记录，分析其力学行为和特性。模型试验可以控制试验条件，重复试验，获得较为准确的试验数据。学者王成等[21]采用黏性土抗滑桩离心模型试验，研究了不同桩间距对桩间土拱形态变化及破坏状态的影响，分析得出抗滑桩的合理桩间距是设计中的关键参数之一。有研究表明[22]，动荷载作用下土拱效应依然有效，并随着填土的增高，土拱效应在增强，另外土工格栅的存在可以增强土拱效应的作用，但当高度达到一定值之后，填土高度的影响就可忽略。

3.2 原型试验

原型试验是在实际工程中进行的试验，其基本思想是对实际工程中的刚性桩复合地基桩间土拱效应进行观测和记录，分析其力学行为和特性。原型试验可以获得实际工程中的试验数据，具有较强的可靠性和适用性。有学者[22]通过现场试验，研究桩间距和桩帽宽度对桩承式加筋路堤土拱效应的影响，实测了路堤荷载下不同桩间距和桩帽宽度下桩帽及桩间土表面的竖向土压力，据此获得土拱高度与桩帽净距的关系。

刚性桩复合地基桩间土拱效应的试验研究需要考虑多个方面，如试验模型的设计、试验数据的采集和处理、试验条件的控制和试验结果的验证等。通过合理的试验研究，可以深入了解刚性桩复合地基桩间土拱效应的力学行为和特性。总之，试验研究是刚性桩复合地基桩间土拱效应研究中的一种重要手段，可以为实际工程提供参考和指导。另外在进行试验研究时，需要选择合适的试验方法与较为准确的试验数据。同时，需要对试验数据进行分析和处理，得出有关刚性桩复合地基桩间土拱效应的结论和建议。

4 结论与展望

目前，虽然刚性桩复合地基桩间土拱效应的研究已经取得了一些重要的成果，但仍然存在一些问题需要进一步研究。例如，土拱效应的作用机理尚不完全清楚，需要进一步探索；实验测量中存在一定的误差，需要加强测量方法和技术的研究；刚性桩复合地基的设计和施工也需要进一步优化和完善。笔者认为，以下方面有待进一步发展与研究。

目前对于土拱效应的研究，仍然没有一个公认的研究成果，仍存在多方面值得探讨、需要探讨的问题，土拱模型的研究主要还是建立在假设的基础上，尤其对几何参数的研究，主观因素很大。

目前认为桩体承担的荷载比桩间土多是土拱效应的作用所致，但是土拱效应是如何作用的，荷载作用是如何传递的，一直以来都不清晰。

目前关于刚性桩复合地基桩间土拱效应的研究，通过室内模型试验方法进行研究的成果较少。在进行室内模型试验时，可以借助于PIV 等数字测量技术来获取土体的变形规律，得到拱线形态。目前基于PIV等数字测量技术已在其他土工试验中得到验证，有待于进一步用到刚性桩复合地基桩间土拱效应的研究中。

未来，刚性桩复合地基桩间土拱效应的研究预计将呈现以下趋势。

多学科交叉融合，将结构力学、土力学、岩土工程、计算机科学等学科融合起来，进行更加深入的研究；加强基础理论研究，深入探究拱效应的作用机理和影响因素；推广应用新技术，如人工智能、大数据等技术，加强实验测量和数值模拟；加强工程实践，将研究成果应用于实际工程中，提高刚性桩复合地基的应用效果和经济效益。

除了刚性桩复合地基桩间土拱效应的研究外，还可以拓展研究领域，例如刚性桩与非饱和土的相互作用、软土地基的拱效应、桩土体系的动力响应等方面的研究，这些研究也具有重要的理论和应用价值。此外，还可以将荷载下沉过程中桩土体系统的响应与桩顶水平位移相结合，进行深入的研究，以便更好地了解桩土体系的力学行为和特性。

总之，刚性桩复合地基桩间土拱效应的研究具有重要的理论和应用价值，其研究将面临挑战和机遇，需要加强多学科交叉融合，推进基础理论研究，推广应用新技术，加强工程实践，实现其在工程中的广泛应用。