高速鐵路樁承式路基土拱效應研究進展＊

張彥明，呂 春，張學元，張 宇，王 麗

（齊齊哈爾大學建筑與土木工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

1 研究背景

高速鐵路是現代交通的重要組成部分，是衡量國家運輸能力和經濟發展水平的重要標志，中國于2020年底已建成3.79 萬km 的高速鐵路運營里程，基本形成了覆蓋人口密集區域的高速鐵路網絡，同時也是世界上高速鐵路在建規模最大的國家。中國東西向和南北向跨度大，形成高速鐵路的運輸距離較長，勢必會造成高速鐵路不可避免地穿越復雜多樣的地質環境。為保證高速鐵路安全、快速、舒適的運營條件，采用樁基對軟土地基進行加固處理，可有效減小路基不均勻沉降，是目前快速填筑高速鐵路路堤較為安全、經濟、可靠的方式。由于樁和樁間土的剛度差異以及樁間土的固結作用，導致在上部路堤填土荷載和列車動力荷載作用下，樁和樁間土發生差異沉降，造成樁和樁間土之間承載不均，最終在上部路堤中形成土拱。

2 高速鐵路樁承式路基土拱效應研究進展

自1943 年，TERZAGHI[1]通過著名的Trapdoor 試驗證實了土力學領域中土拱效應的存在，并在對土拱應力分布進行描述的基礎上，得出了土拱效應的存在條件。之后國內外學者對高速鐵路樁承式路基的土拱效應也進行了一系列相應研究。HEWLETT 等[2]通過試驗提出了理論模型，認為路基中的土拱形狀應該是具有均勻厚度的半圓形狀的拱，并給出了土拱臨界破壞點在土拱中可能出現的位置，基于此研究結果求解出了樁土應力比。費康等[3]通過樁承式路基三維模型試驗，得出路堤填土中應力折減系數隨填料密度變化通過對比分析，驗證了TERZAGHI 方法和HEWLETT&RANDOLPH 方法的適用性，并且通過有限元模擬試驗模型，進一步分析了路堤填土的大主應力方向和應力水平與理論設計方法的差異，但有限元模擬中沒有計入填土內摩擦角和剪脹角變化的影響，與實際工程情況存在一定差異。徐超等[4]通過縮尺模型試驗，發現路堤填土的粘聚力對填土中的土拱效應有增強作用，而于填土的成拱條件無關，并驗證了樁承式加筋路堤中樁帽邊緣處的土壓力均大于樁帽中心處的土壓力，而試驗模型中的路堤填土和地基土采用了單一土體，并沒有考慮實際工程中土體的多樣性。費康等[5-6]通過分別建立二維和三維有限元模型，對不同樁間距、填土高度和內摩擦角的工況進行了參數敏感性分析，并對路堤填土的破壞模式進行研究，基于此研究結果，建立了土拱效應的二維和三維簡化分析方法，并與已有有限元分析結果和試驗數據進行對比，驗證了簡化計算方法的可靠性。芮瑞等[7]通過建立砂填料樁承式路堤模型，分析了不同樁距比和不同填土高度工況下，砂填料樁承式路堤土拱效應傳力機制，提出了初始三角拱力學計算模型。莊妍等[8]認為軌枕、道床、底渣、基床以及樁體的本構模型為純彈性，對路堤填料和樁間土采取單一土體，對高鐵荷載進行簡化，建立了高鐵荷載作用下樁承式路堤三維有限元分析模型，分析了高鐵荷載作用下路基的動力響應，研究了高鐵荷載作用下道床和路堤不同位置處的豎向位移隨時間的變化規律，以及路基中速度與加速度沿深度的分布規律，得出結論：動載作用下土拱效應依然存在，但有所減弱，最大動載作用下減弱程度最大，最小動載情況下有所恢復；樁間距和路堤高度對高鐵荷載作用下樁承式路堤中土拱效應的影響較為明顯，而路堤填料內摩擦角和剪脹角的影響則相對較小。王一楠等[9]提出了懸鏈線土拱計算模型，給出了在該計算模型下土拱高度及形態的求解方法，采用該方法計算所得土拱高度、土拱形態及樁頂應力與實測結果吻合較好；周思危等[10]基于Trapdoor 試驗研究了在不同填土高度、活動門下移和寬度以及砂料密度等因素影響下，砂土土拱效應滑移面輪廓及演變模式的區別，提出了基于核心區幾何形狀的松動應力計算方法。王衛中等[11]在考慮土拱效應的基礎上，將柔性長樁等效為剛性短樁，通過推導獲得了柔性單樁水平極限承載力的改進計算方法，并將此方法計算結果與已有研究成果進行比較，結果吻合較好。莊妍等[12]通過室內模型試驗和有限元相互印證的方法，說明了樁承式路堤顆粒流數值分析模型的可靠性，通過有限元分析，驗證了平面土拱效應中，內外拱高度理論計算公式的正確性。通過改變路堤外荷載大小，分析路堤土拱效應的發展規律，研究發現：當路堤頂施加荷載在10～40 kPa 之間時，土拱效應相對穩定，隨著荷載繼續增大，土拱效應有所退化，并伴隨有新的土拱結構形成。

總之，現有對高速鐵路樁承式路基土拱效應的研究大多是進行靜力作用下的試驗分析和有限元模擬分析。其中，試驗以縮尺模型為主，采用單一樁間土體和路堤填料，在試驗過程中忽略了不同類型土層之間的相互作用，與現實工程條件存在差異；有限元分析過程中也會受計算機內存和運行性能影響，從而對有限元模型進行了簡化，并且在模擬過程中忽略了樁間土的固結作用影響，樁土接觸面摩擦系數、土體內摩擦角和其他土體參數保持不變，并沒有隨時間而變化，同樣會造成分析結果存在一定的誤差。

3 高速鐵路樁承式路基土拱效應研究方法展望

中國幅員遼闊，地質條件復雜多變，工程條件比較差的軟土在國內廣泛分布，給安全性和穩定性要求較高的高鐵路基建設帶來了巨大的挑戰，而樁基對軟土地基加固有較為明顯的作用。雙線高鐵荷載干擾、動荷載作用、樁間土的長期固結作用對樁承式路基土拱效應的影響等方面還有大量的難題有待解決。如列車高速運行下樁間土發生的固結沉降對土拱效應的影響、雙線高鐵荷載干擾對土拱效應的影響等。超重力模型試驗可以提供列車動荷載作用下，樁間土固結對土拱效應影響的試驗環境，可人為控制時間進程，在以往的試驗中考慮時間效應；有限元模擬可以實現雙線高鐵荷載對土拱效應的影響分析，考慮列車之間的相對速度和相對距離等因素對土拱效應的影響。

在試驗過程中應針對具體工程，考慮工程中實際土質的復雜性和多樣性，計入不同土層間的相互作用對試驗結果的影響，并且不能忽略時間效應對試驗結果的影響，在高速鐵路樁承式路基土拱效應研究中，尤其要考慮樁間土的固結作用以及高速列車多次循環通行對土拱效應所帶來的影響。考慮時間效應的試驗方法有3 種：①試驗與真實工程相結合，在列車的實際運行過程中不斷獲取試驗數據，分析土拱效應在列車動荷載和樁間土體固結作用下的變化機制。從試驗數據的真實性和對實際工程的指導作用方面看，此種方法最為理想，但所需人力、物力及時間成本較大，所需時間動輒數年，甚至數十年。②應用超重力試驗裝置，加速時間效應在高鐵路基土拱效應試驗中的作用，以達到與方法①相同的結果，可節約大量的時間成本，但就目前而言，此方法受試驗裝置限制，還不能得以實現。③考慮用實際試驗與有限元模擬相結合的方法來實現將時間效應施加在實際試驗成果數據中，在具體試驗過程中，充分考慮實際工程情況，尤其是土質的復雜多樣性和各種情況下荷載工況的真實性，在有限元模擬的過程中考慮試驗的時間效應；將通過具體試驗取得的試驗數據應用于有限元模型的建立過程當中，將有限元模擬作為試驗的延續，來考慮時間效應對試驗結果的影響。此方法將具體工程試驗和有限元模擬相結合，發揮了試驗接近真實工程情況和有限元節約成本的優點，同時也彌補了各自的不足之處，是目前在試驗過程中考慮時間效應較為理想的研究方法。

相較于試驗，有限元模擬方法操作方便、節約成本、可對實際工程情況中可能出現的結果進行預測，能夠起到指導實際工程的作用；但受到計算機性能和軟件發展水平等各方面因素的影響，在對實際工程進行有限元分析時，往往需要對模型進行簡化，忽略一些次要因素，而各種被忽略因素的疊加效果通常會使得模擬結果與實際工程數據存在一定偏差，甚至錯誤。為能使有限元模擬方法更好應用于高速鐵路樁承式路基土拱效應方面的研究，可用以下2 種方法對所建模型進行驗證，具體是：①可以實際工程為依托，以實際工程中的土體參數、樁體參數、樁土界面參數和荷載參數為基礎，并考慮其復雜性，來建立有限元分析模型，用實際工程測量數據驗證建立模型的正確性，②以已有可靠的有限元模擬分析結果為依據，進行所需模型的建立，并用已有模擬結果的數據驗證所建模型的可行性，分析所得結果誤差是否在所要研究內容的可接受范圍內。通過以上2 種方法對所建模型的正確性進行驗證后，根據所研究內容的需要，改變模型中各部分參數，實現對所需研究工況進行模擬分析，從而達到較為準確的預測效果。

針對實際工程進行試驗和有限元模擬，都是高速鐵路樁承式路基土拱效應研究過程中2 種主要方法，在方法的選取過程中，要根據具體的試驗條件和實際研究情況，合理選擇能夠較為準確達到分析目的的研究方法，盡可能將2 種研究方法相結合，相互印證，確保研究結果真實有效，發揮2 種研究方法的優勢，避免不足。同時，2 種研究方法應該和理論研究相結合，注重對試驗結果以及有限元分析結果進行總結，實現從試驗現象或者模型現象到理論公式或者理論規律的上升。

4 結語

樁承式路基作為軟土路基的主要加固形式，在高速鐵路軟土路基處理中具有不可替代的地位。研究其在靜力荷載和高速列車動力荷載作用下的受力性能和土拱效應，對高速列車的安全平穩運行具有重要意義。

靜力荷載作用下，路堤填土的粘聚力對填土中的土拱效應有增強作用，而與填土的成拱條件無關，樁承式加筋路堤中樁帽邊緣處的土壓力均比樁帽中心處的土壓力大；動力荷載對土拱效應有所減弱，在最大動力荷載作用下減弱程度最大，最小動力荷載下則有所恢復；樁間距和路堤高度對高鐵荷載作用下樁承式路堤中土拱效應有明顯影響，而路堤填料內摩擦角和剪脹角的影響則相對較小。