剛性樁復合地基樁間土拱效應研究進展＊

龔 悅，劉曉紅，江思卿，王宇鑫，劉昱辰

（湖南理工學院，湖南 岳陽 414006）

隨著中國高速公路、高速鐵路建設規模的不斷擴大，對高路堤下復合地基力學性能要求越來越高，剛性樁復合地基由于其出色的抗沉降性能和承載性能，越來越多地被應用于高速公路及高速鐵路建設中。在剛性樁復合地基設計工作中，樁間距的取值非常重要，而研究樁間土拱效應能為樁間距的取值優化提供依據。如圖1 所示，利用樁間土拱將上部荷載傳遞到剛性樁穩定受荷段，從而充分發揮剛性樁復合地基的力學性能。由于樁間土拱的形成與破壞，與樁間距、樁間土體類型、上部荷載形式及大小等諸多因素直接相關，而剛性樁復合地基樁間土拱的形成機理研究遠落后于工程實踐的需要，造成設計時樁間距的取值會過于保守，不能兼顧工程安全與經濟2 個方面的需求。

圖1 樁網復合地基荷載傳遞機理示意圖[1]

土拱效應是指在剛性樁復合地基中，由于樁與土的相互作用，土體會形成一種拱效應，類似于在橋梁上的拱形結構。土拱效應能夠提高剛性樁復合地基的承載能力和穩定性，因此具有重要的應用價值。TERZAGHI[2]通過活動門試驗證實了土拱效應的存在。在剛性樁復合地基中，樁體承受的荷載作用要比樁間土承受的荷載作用大得多，這就是土拱效應作用所致。土拱效應和土拱的形態息息相關，但是，自土拱效應提出以來，對其具體形態的研究不多，直至近20 年來才有了較多的研究。目前，土拱具體形態有：CARLSSON[3]提出的三角拱形模型、LOW 等[4]提出的半圓形模型、HEWLETT 等[5]提出的半球形模型、陳云敏等[6]根據HEWLEIF 模型試驗結果提出的半球殼形模型。

本文對剛性樁復合地基樁間土拱效應的理論研究、數值模擬研究和試驗研究進展情況進行了歸納總結分析，為以后類似的研究提供了一定的參考。

1 理論研究

剛性樁復合地基樁間土拱效應的理論研究是研究該效應的重要手段之一。理論研究可以通過建立數學模型，分析剛性樁復合地基樁間土拱效應的力學行為和特性，為實際工程提供參考和指導。

近年來，國內外學者[7-8]在剛性樁復合地基樁間土拱效應方面取得了一些重要的研究成果。其中，一些研究表明[9-10]，剛性樁復合地基中的土拱效應可以明顯提高地基的承載能力和穩定性，并且可以減小地基的沉降量和變形量。此外，一些學者[11-12]還研究了拱效應的影響因素，如樁間距、樁徑、土體性質等，為剛性樁復合地基的設計和施工提供了重要的參考依據。

總之，理論研究是剛性樁復合地基樁間土拱效應研究中的一種重要手段，可以為實際工程提供參考和指導。在進行理論研究時，需要選擇合適的理論方法，建立合理的數學模型，求解模型的解析解或數值解，分析剛性樁復合地基樁間土拱效應的力學行為和特性。同時，需要對理論分析結果進行驗證，并結合實際工程情況進行合理的解釋和說明。

2 數值模擬研究

剛性樁復合地基樁間土拱效應的研究中，數值模擬是一種非常重要的研究手段。數值模擬可以通過計算機軟件對復雜的樁土體系進行仿真和分析，得到樁土體系的力學行為和特性，為實際工程提供參考和指導。下面介紹一些常見的數值模擬方法。

2.1 有限元法

有限元法是目前應用最為廣泛的數值模擬方法之一，其基本思想是將復雜的樁土體系分割成若干個小區域，每個小區域內的力學行為近似為線性的，然后通過求解節點間的連續性方程組來分析整個體系的力學行為。有限元法可以模擬各種不同類型的剛性樁復合地基樁間土拱效應，適用范圍廣泛。國內外學者[13-14]利用有限元分析軟件對樁間土拱的形成機理以及影響土體成拱的因素進行了數值模擬和分析，進一步分析了土拱效應的特性，得出了土拱的發展規律。

2.2 有限差分法

有限差分法是一種數值解微分方程的方法，其基本思想是將微分方程中的導數用差分近似代替，然后通過求解差分方程組來分析力學問題。有限差分法適用于分析非線性樁土體系中的剛性樁復合地基樁間土拱效應。

一些學者[15-16]基于FLAC3D 數值計算軟件，模擬溫度、樁間距、樁寬、埋入深度等因素對樁間土拱效應的影響，建立出土拱整體穩定和局部穩定2 種模型，并提出了溫度、樁間距、樁寬、埋入深度等影響因素與土拱效應之間的回歸方程。

2.3 離散元法

離散元法是一種模擬顆粒間相互作用的數值模擬方法，其基本思想是將物體分解成若干個小顆粒，然后通過求解顆粒之間的相互作用來分析整個體系的力學行為。離散元法適用于分析剛性樁復合地基樁間土拱效應中的顆粒間相互作用問題。國內外學者[17-18]運用離散元數值模擬軟件PFC2D 研究了樁間水平土拱的形成、發展及失效整個過程，分析了樁間距對土拱效應的影響并對比了樁形的差異對土拱效應方面的影響。還有一些學者[19-20]利用離散元數值分析方法，揭示了動力土拱的荷載傳遞機理。從宏細觀力學方面分析了靜動載作用下的接觸力、應力主方向和應力分布的規律與土拱影響因素并對土拱厚度的演化規律做了深入研究，提出結合相對位移和最大主應力等值線綜合確定土拱厚度的新方法。

總之，數值模擬是剛性樁復合地基樁間土拱效應研究中的一種重要方法，可以模擬各種不同類型的拱效應，為實際工程提供參考和指導。選擇合適的數值模擬方法需要根據具體問題進行評估和比較。此外，數值模擬的精度和可靠性也需要考慮。數值模擬的精度受到多種因素的影響，如網格劃分、邊界條件、材料模型等。為了提高數值模擬的精度，需要進行合理的網格劃分、選擇適當的邊界條件、采用適當的材料模型等措施。同時，為了保證數值模擬的可靠性，需要對模擬結果進行驗證和比較，與試驗結果或理論分析結果進行對比，以確定模擬結果的正確性和可靠性。

3 試驗研究

剛性樁復合地基樁間土拱效應的試驗研究是研究該效應的重要手段之一。試驗研究可以通過試驗數據分析剛性樁復合地基樁間土拱效應的力學行為和特性，為實際工程提供參考和指導。下面介紹一些常見的試驗研究方法。

3.1 模型試驗

模型試驗是一種常見的試驗方法，其基本思想是在試驗室中制作剛性樁復合地基樁間土拱效應的模型，通過對模型的加載和變形情況進行觀察和記錄，分析其力學行為和特性。模型試驗可以控制試驗條件，重復試驗，獲得較為準確的試驗數據。學者王成等[21]采用黏性土抗滑樁離心模型試驗，研究了不同樁間距對樁間土拱形態變化及破壞狀態的影響，分析得出抗滑樁的合理樁間距是設計中的關鍵參數之一。有研究表明[22]，動荷載作用下土拱效應依然有效，并隨著填土的增高，土拱效應在增強，另外土工格柵的存在可以增強土拱效應的作用，但當高度達到一定值之后，填土高度的影響就可忽略。

3.2 原型試驗

原型試驗是在實際工程中進行的試驗，其基本思想是對實際工程中的剛性樁復合地基樁間土拱效應進行觀測和記錄，分析其力學行為和特性。原型試驗可以獲得實際工程中的試驗數據，具有較強的可靠性和適用性。有學者[22]通過現場試驗，研究樁間距和樁帽寬度對樁承式加筋路堤土拱效應的影響，實測了路堤荷載下不同樁間距和樁帽寬度下樁帽及樁間土表面的豎向土壓力，據此獲得土拱高度與樁帽凈距的關系。

剛性樁復合地基樁間土拱效應的試驗研究需要考慮多個方面，如試驗模型的設計、試驗數據的采集和處理、試驗條件的控制和試驗結果的驗證等。通過合理的試驗研究，可以深入了解剛性樁復合地基樁間土拱效應的力學行為和特性。總之，試驗研究是剛性樁復合地基樁間土拱效應研究中的一種重要手段，可以為實際工程提供參考和指導。另外在進行試驗研究時，需要選擇合適的試驗方法與較為準確的試驗數據。同時，需要對試驗數據進行分析和處理，得出有關剛性樁復合地基樁間土拱效應的結論和建議。

4 結論與展望

目前，雖然剛性樁復合地基樁間土拱效應的研究已經取得了一些重要的成果，但仍然存在一些問題需要進一步研究。例如，土拱效應的作用機理尚不完全清楚，需要進一步探索；實驗測量中存在一定的誤差，需要加強測量方法和技術的研究；剛性樁復合地基的設計和施工也需要進一步優化和完善。筆者認為，以下方面有待進一步發展與研究。

目前對于土拱效應的研究，仍然沒有一個公認的研究成果，仍存在多方面值得探討、需要探討的問題，土拱模型的研究主要還是建立在假設的基礎上，尤其對幾何參數的研究，主觀因素很大。

目前認為樁體承擔的荷載比樁間土多是土拱效應的作用所致，但是土拱效應是如何作用的，荷載作用是如何傳遞的，一直以來都不清晰。

目前關于剛性樁復合地基樁間土拱效應的研究，通過室內模型試驗方法進行研究的成果較少。在進行室內模型試驗時，可以借助于PIV 等數字測量技術來獲取土體的變形規律，得到拱線形態。目前基于PIV等數字測量技術已在其他土工試驗中得到驗證，有待于進一步用到剛性樁復合地基樁間土拱效應的研究中。

未來，剛性樁復合地基樁間土拱效應的研究預計將呈現以下趨勢。

多學科交叉融合，將結構力學、土力學、巖土工程、計算機科學等學科融合起來，進行更加深入的研究；加強基礎理論研究，深入探究拱效應的作用機理和影響因素；推廣應用新技術，如人工智能、大數據等技術，加強實驗測量和數值模擬；加強工程實踐，將研究成果應用于實際工程中，提高剛性樁復合地基的應用效果和經濟效益。

除了剛性樁復合地基樁間土拱效應的研究外，還可以拓展研究領域，例如剛性樁與非飽和土的相互作用、軟土地基的拱效應、樁土體系的動力響應等方面的研究，這些研究也具有重要的理論和應用價值。此外，還可以將荷載下沉過程中樁土體系統的響應與樁頂水平位移相結合，進行深入的研究，以便更好地了解樁土體系的力學行為和特性。

總之，剛性樁復合地基樁間土拱效應的研究具有重要的理論和應用價值，其研究將面臨挑戰和機遇，需要加強多學科交叉融合，推進基礎理論研究，推廣應用新技術，加強工程實踐，實現其在工程中的廣泛應用。