摘要：为桩承式路基土拱效应研究提供科学依据，开展桩承式路基二维土拱效应及其加固机理研究进展分析。查阅桩承式路基二维土拱效应及其加固机理研究相关文献资料，从国内与国外两方面对目前的研究进展进行归纳与总结。目前桩承式路基二维土拱效应及其加固机理研究主要集中于静荷载，动荷载的相关研究较少。

关键词：桩承式路基;土拱效应

1研究背景

由于我国经济的快速发展，各种大型工程方兴未艾。在我国，高铁、高速公路等项目的快速发展中，不可避免的会碰到软粘土的问题。由于软粘土极易压缩、渗透性低、强度低、含水率高，在软粘土区域进行施工会造成基础不均匀的沉陷。较大的非均质性沉陷会造成基础建筑物倾斜，管线开裂，影响线路的运行，提高维护费用。在高铁施工中，路基不均匀沉降的防治工作更加严格，路基施工后的最大变形允许值只有20mm。日本关西机场建设在松软的土地基础上，因未对基础进行适当的加固，导致工程后的沉陷超过2m，对机场的运行造成极大的影响。因此，在软弱地基中应采用适当的加固方法，以确保上部建筑在软弱地区的正常工作。

2桩承式复合路基研究现状

2.1国内研究现状

曹卫平等人提出，路基施工会使桩间的软土产生固结，而桩间的软土则会对桩土传递产生一定的不利作用。作者从路基施工和软土之间的相互作用出发，对桩承式路堤土拱的影响进行了研究，得到了一种新的方法。

饶为国、赵成刚等人忽视了路堤边坡的荷载重分布问题，以“充分利用桩间土承载力”为指导，对其进行了受力平衡分析。

曹卫平等采用最小势能理论，对单桩加强区的地基进行了计算。通过与实际测量数据的比较，证明了本文提出的方法是有效的。对路基的桩顶与桩身的比例、托板宽度与桩间的比例进行了研究。结果表明：水平加筋体的抗剪模量、水平加筋体抗拉强度、桩-土的相对刚性等因素均会对承重分摊比例从而产生较大的作用。当路基高度固定时，增加桩的间隔和加长可以最好地改善桩身的承载能力。然而，笔者在研究中忽视了地基与加固体间的抗剪效应，并未从荷载分摊比例及路基沉陷等角度来全面考虑其效应。

吕伟华等人提出，如果路基的高度较低，或者桩距较短，则路基填筑材料不能完全产生土拱效应。根据对路堤的地表沉陷幅度的观测，笔者发现，在以上条件下，由于地基软土的沉陷，导致了侧向滑动，并非竖直，而是向坡度发展。另外，路基地基不同的沉陷对路基土壤的剪切强度有很大的影响，所以潜在滑移面上的土体未必处在极限应力的作用下。在以上假定的前提下，本文探讨了不完整的土拱效应下土工格栅的加固机理，并对其进行了初步的计算。然而，在此基础上，假定路基的差沉量不会随着路基的高度而改变，从而得到在桩间土壤上的垂直荷载。

2.2国外研究现状

Terzaghi曾于1943年进行了一项名为“Trapdoor”的实验，他提出了一种叫做土拱效应的应力重分布现象。本文在假定竖向滑动平面与滑动平面的高度（本文所述的最大高度为2倍的桩间净距）时，给出了相应的公式。Terzaghi公式是建立在静态平衡的基础上得出的，它包含了侧向土压力系数（K），Terzaghi假定它的数值为1。1988，Hewlett等人在研究了半圆和半球形的地拱（也就是一种单壳结构的拱形）时，考虑了二维和三维条件下应力重分布。在假定桩与拱顶土单元均处于强度限制条件下，推导出桩土的应力比值的计算公式，并将填土材料、桩间距等因素综合在一起。

基于Hewellet等德国学者，建立了一个多层的压力拱形结构。结果表明：在土拱影响范围内，其主要受力轨道以拱状形式支承于桩顶部，并彼此相连，轨迹线在桩顶部的坡度也随之增大。与单壳结构的比较，多层拱形结构更适用于任意高度的路基。根据实验结果，Van Eekelen等人指出，多层拱形模型会忽略对桩顶部的受力，从而导致了工程的安全性。van Eekelen等对以往的研究成果进行了归纳，发现Hewellet等人的假定（对土拱的高度进行了约束）是不精确的，而且在路基内受一系列同心圆土拱激发的。和 Hewellet等人的方法相比，他们的方法非常复杂。

英国BS8006工业规范中，根据Marston的理论，建立了一种用于桩顶受压的数学模型。陈云敏等人提出，在路基较矮时，不论在拱顶或桩顶部，其地基均未达强度极限。据此，本文对Hewlett的计算模式进行了改进，并对路基承载能力和路基填筑材料特性、填筑高度等方面进行了深入的探讨;桩的距离与桩顶尺寸的相关性。Iglesia等根据不同的桩土的不同沉陷程度，将路基内的土拱分成曲线拱、三角形拱、方形拱三类，并分别推导了其对应的计算公式。

以上的实验结果显示，在不同的实验模式下，所得出的结论是不尽相同的，比如，桩间土应力不同的分布状态，这也说明了桩网复合路基的复杂性。

3 结论

3.1目前研究存在的问题

（1）在对桩基础施工特性的研究中，出现了许多与之对应的计算方法，为今后的施工提供参考。然而，由于各种假定的条件的不同，采用不同的理论分析方法得到的预测结论必然会有一定的差别。所以用模型实验对其进行分析，并对其效果进行评估是十分必要的。

（2）在桩基础上，等沉面的产生，表明了路堤不会产生不同程度的沉陷，这在工程和理论上都有着重大的实际应用价值。但是，纵观国内外已有的有关等沉面的研究，很少有对等深面进行实验的，特别是在三度实验中。所以，利用实验室模拟实验来分析等沉面的形成是十分有意义的。

（3）采用桩-网组合基础加固方法进行路堤施工，既要承担静载荷，又要承担车辆动力载荷。然而，对地基在动载荷作用下的工作特性的实验，例如土的拱形效应等，尚属罕见。为此，进行桩承式路堤动态荷载作用下的抗剪强度的实验是十分有意义的。

3.2未来研究方向

（1）总结目前关于二元、三元的土拱理论和薄膜理论的基本原理;

（2）利用二维土拱模型实验，探讨不同桩距、路基高度时的受力传递规律，并与二维理论进行比较，以证实该方法的正确性;

（3）采用简化的有限元方法对桩基础进行了三维桩基础的强化计算，并通过计算结果对桩高、桩间距、加筋体是否存在以及软粘土特性等因素的影响进行了研究。

参考文献

[1]曹卫平， 陈云敏， 陈仁朋. 考虑路堤填筑过程与地基土固结相耦合的桩承式路堤土拱效应分析[J]. 岩 石力学与工程学报， 2008， 27（8）：1610-1617.

[2]饶为国， 赵成刚. 桩-网复合地基应力比分析与计算[J]. 土木工程学报， 2002， 35（2）：74-80.

[3]Van Eekelen S. J. M.， Bezuijen A.， Lodder H. J. and van Tol A. F. Model experiments on piled embankments， Part II[J]. Geotextiles and Geomembranes， 2012， 32：82-94.

[4]Van Eekelen S. J. M.， Bezuijen A. and van Tol A. F. An analytical model for arching in piled embankments[J]. Geotextiles and Geomembranes， 2013， 39：78-102.