淺談樁承式加筋路堤的應力荷載機理

王朦詩

（黃河水利職業技術學院，河南 開封 475004）

隨著國家經濟的持續穩定發展，國家整體建設長遠規劃和區域經濟、城鎮化等進程不斷推進，我國的高速公路、高速鐵路、其他交通道路等在大規模的規劃和建設之中。而隨著道路建設的發展以及國家對道路需求的不斷提升，越來越多的公路、鐵路開始修建在軟土層路基上，由于軟土層路基自身缺陷，道路不均勻沉降、裂縫、滑坡等現象時有發生，對道路安全構成了極大的隱患，因此進行合理的路基處理顯得尤為重要[1]。針對軟土層路基等不良路基，樁承式加筋路堤可以有效地控制地基不均勻沉降和側向變形，且施工填筑工效快、避免預壓和二次開挖，降低了對不良路基的二次破壞，縮短施工工期，控制施工質量，降低施工成本，具有很好的經濟效益和社會效益[1-3]。然而，由于路堤力學機理和荷載傳遞機理的復雜性，因此在實際工程應用中仍舊會出現由于抗壓強度差異、應力集中效應等問題而導致的道路沉降、裂縫等現象。

1 樁承式加筋路堤概念及特點

為了對不良路基進行有效的加固處理，專家學者針對不同的施工環境和施工對象，提出了排水固結法、置換法、強夯法、復合地基法等多種路基處理辦法，而這些技術對不良路基的控制效果和推廣應用有限。樁承式加筋路堤有效彌補了這些技術存在的不足，能夠有效控制不良路基沉降和側向變形，在提高施工工效的同時，有效降低工程后期沉降和差異沉降，道路穩定性得到有效控制，在我國道路施工現有地質條件復雜、環境較為惡劣的條件下得到了廣泛應用[1,3]。樁承式加筋路堤結構主要包括樁體、樁帽、土工合成材料加筋墊層（加筋體）和路堤4個部分，見圖1。路堤樁體根據軟土層厚度及力學特性打設于軟土層底部或硬土層，加筋體一般放置于樁帽之上，路堤通過樁體結構和樁體之間的土產生的土拱效應以及加筋體與樁體之間產生的拉膜效應，使路堤荷載應力傳遞至樁體頂端，相對于軟土層來說，剛度較大的樁體承擔了來自路堤的大部分荷載，降低了軟土層承受的應力荷載，有效降低因不良路基受到路堤荷載而發生的不均勻沉降和側向變形，進而有效控制路堤的整體沉降[2-3]。

圖1 樁承式加筋路堤結構示意圖

鑒于樁承式加筋路堤的特點及其對軟土層路基的控制效果，目前該路堤的應用主要集中在橋臺后過渡段軟土、路堤軟土、高填土分段路堤軟土、舊路改造擴建等新路堤軟土以及較為重要的設備（如貯油罐）設置軟土等工程施工工期較緊或沉降控制要求較為嚴格的工程路段路基加固。

2 樁承式加筋路堤的應力荷載機理

樁承式加筋路堤之所以能夠對路堤不均勻沉降、側向變形等進行有效控制，是因為通過整體結構之間的相互作用、互相影響以及樁體與土層之間發生的土拱效應、水平加筋材料產生的拉膜效應，使路堤荷載的應力發生轉變并向樁體集中，進而降低路堤荷載對土層的力學作用，而路堤荷載在樁帽頂部集中并進行分攤后，通過樁體與土層之間的相互作用，在加固范圍內形成復合加固路基，從而控制路堤差異沉降和變形，見圖2[3-5]。

圖2 路堤荷載傳遞機理示意圖

2.1 土拱效應

土拱效應的原理如下：是由于不同介質對應力的不同荷載，為了達到應力平衡，不同介質間產生應力轉移現象，土體自身存在的抗剪強度會使這種應力轉移現象對土體進行作用，產生壓縮和變形，從而形成土拱效應。樁承式加筋路堤發生土拱效應，是由于樁體比軟土層的支撐抗壓剛度更大，在路堤荷載應力作用下，樁體的壓縮變形量要小于樁體之間土體的壓縮變形量，局部土體產生移動，造成路堤土體與樁體之間土體產生相對位移，進而形成剪應力，代表路堤荷載的剪應力傳遞至樁頂，使樁頂荷載集中，樁體之間土體對應荷載作用強度降低，土體內部由于荷載作用發生壓縮和變形等結構變化而產生互相楔緊作用，從而導致路堤中出現土拱效應，見圖2。土拱效應的存在使樁體與樁體之間土體重新構成了在路堤荷載作用下的相對穩定支撐體，而土拱效應的發揮效果直接決定了樁承式加筋路堤的承載能力和穩定性：當土拱效應不足時，即樁體之間土體受荷載作用產生的互相楔緊作用不充分，當受到更大的荷載作用的時候，土體仍舊會因受到壓縮和變形進行互相楔緊，路堤頂面容易發生不均勻沉降和變形；而當土拱效應過大時，樁體荷載應力較為集中，施工過程中對樁體的要求過高，不能達到預期的經濟效果。

2.2 拉膜效應

拉膜效應的原理如下：加筋體受到路堤荷載作用后，發生向下彎曲的應力變形，產生拉伸應力，加筋體在承受一定豎向荷載應力作用的條件下，在路堤填土的側向推力作用下，產生一個限制路基土體側向變形的約束力，從而將部分垂直應力分量傳遞至樁體，在樁體上形成因加筋體荷載轉移的應力集中，從而對路基土體進行變形和差異沉降限制，即為拉膜效應，見圖2。拉膜效應對樁承式加筋路堤穩定性的影響，主要體現在：所選擇的加筋體層在雙重荷載應力作用下，是否能夠限制路基邊坡填土的側向推力的影響。

3 樁承式加筋路堤的沉降和承載力分析

樁承式加筋路堤對路堤差異沉降和變形進行有效控制，主要在于：樁體和水平加筋體層的存在，促使路堤填土荷載以及路面交通荷載對軟土層的荷載應力作用發生轉移，通過應力作用產生的土拱效應和拉膜效應，荷載因不同介質間應力強度不同而發生轉移，周邊土體應力向樁體轉移，樁體荷載向樁基硬土層轉移，整體結構應力平衡被打破之后又重新恢復平衡，且路堤的整體結構更加穩定，承受荷載作用的能力更強，進而起到控制路堤在荷載作用下的沉降和變形的作用[4-6]。因此，樁承式加筋路堤起到有效作用的關鍵在于：如何充分有效地利用土拱效應以及土工材料的拉膜效應。

3.1 樁承式加筋路堤沉降分析

根據樁承式加筋路堤的作用機理，可以將沉降分析分為路堤荷載傳遞、加筋體層、樁帽間整平層、加固區、下臥層等5個部分。

1）路堤荷載傳遞。即路堤荷載造成樁帽與樁間土體產生差異沉降，在路堤填土內部產生剪切應力，荷載向樁帽轉移集中，進而形成土拱效應。而當路堤填土高度較低時，路堤填土內部不會形成完整土拱，土拱效應波及路堤表面形成差異沉降或變形；反之，路堤填土內部形成完整土拱，土拱處至路堤表面形成共同沉降效果，路堤表面不會出現差異沉降或變形，即完整土拱高度即為路堤填土高度的臨界值。

2）加筋體層。水平加筋體層的研究重點在于確定加筋體層的受力情況分布，即在固定荷載的條件下，計算樁帽邊緣處加筋體層受應力作用產生的水平位移和縱向拉力極限。

3）樁帽間整平層。整平層的分析主要是考慮加筋體層在荷載作用下發生的應力轉移，整平層在應力作用下會發生壓縮變形，從而造成樁帽下土體與樁帽逐漸脫離，排除摩擦力作用，樁帽上的荷載則會全部轉移至樁體，而整平層的荷載會通過整平層的擴散作用全部傳遞給樁間土體。

4）加固區和下臥層。樁體、加筋體層、樁間土體共同作用形成加固區，隨著荷載向樁體、樁間土體、下部持力土層的不斷轉移，加固區逐漸形成；而荷載向樁體不斷集中致使樁端與樁周土體間產生差異沉降，使樁端荷載向下往周圍土體擴散，而擴散到一定深度后，樁體與持力層中形成均勻沉降，進而路堤、加筋體層、樁體、樁體間土體、持力層逐漸形成共同均勻沉降區。

3.2 樁承式加筋路堤承載力分析

樁承式加筋路堤能夠有效對路堤進行沉降控制，是基于路堤力學效應對路面承載力的提升和增強，從而促使路堤具有較其他路堤來說更為強大的承載力，以及維持路堤、路面穩定的控制力。受荷載作用下，樁承式加筋路堤各結構間發生荷載轉移和應力變化，產生力學效應，從而起到路堤承載作用，保證路堤結構的穩定性。根據樁承式加筋路堤的承載效應原理，力學效應主要分為3個部分：一是土拱效應大部分路堤荷載向樁體轉移；二是由于加筋體層與周邊土體受到荷載效應后發生的變形模量存在差異，促使加筋體層與土體間產生摩擦，形成抑制土體因荷載作用發生的拉伸現象，從而提升路堤與路基的承載力；三是另一方面，發生的變形模量差異引起的加筋體層力學作用在垂直方向的分量，將荷載進一步向樁體轉移，并對由于受到荷載發生應力擴散的路堤填土進行進一步應力分布均勻增強，從而提升路堤整體的穩定性。因此，在對樁承式加筋路堤承載力進行分析的時候，應當同時對樁體、路堤填土、加筋體層等對路堤承載力的增強作用進行綜合考慮。

4 結束語

樁承式加筋路堤在控制路堤沉降、提升施工工效、施工環境惡劣等方面具有突出優點，尤其在處理軟弱土的軟土層路基方面，具有明顯的社會意義和經濟效益，對我國現有道路建設方法的選擇具有重要意義。通過分析可以得出，為了控制差異沉降，保證路堤的長期穩定，在對樁承式加筋路堤進行施工的過程中，應當對路堤高度、填土性質、樁體結構、樁體間距、加筋體層結構以及路堤修建的地質環境等進行充分綜合考慮，在控制施工成本和施工工期的前提下，保證路堤力學結構的穩定性和持效性。