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

第27卷第8期岩石力学与工程学报Vol.27No.82008年8月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringAug.，2008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122曹卫平，陈云敏，陈仁朋(1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055；2.浙江大学岩土工程研究所，浙江杭州310027)摘要：土拱效应分析是桩承式路堤设计时需要解决的首要问题，在总结分析已有现场测试资料及研究成果的基础上，建立能考虑路堤填筑过程与地基土固结相耦合的土拱效应计算模型。该计算模型比较完整地反映了从路堤开始填筑直到地基土固结完成整个过程中土拱效应的发展变化历程，模型计算结果与现场实测结果比较吻合。利用该计算模型对台缙高速公路工程桩承式路堤土拱效应及桩身中性点位置的变化特征进行分析，研究结果表明：(1)在路堤填筑过程中，桩土应力比迅速增加，路堤填筑完毕直至地基土固结完成这个过程中，桩土应力比虽然有所变化，但变化的幅度不大，与路堤刚填筑完毕时的桩土应力比相比，后期桩土应力比的变化幅度不大于15%；(2)在路堤填筑及地基土固结过程中，桩身中性点位置经历了先逐渐向下移动、尔后向上移动、再向下移动、最终趋于稳定位置的过程。该研究成果可为桩承式路堤设计提供有益的参考。关键词：土力学；桩承式路堤；土拱效应；桩土应力比；路堤填筑；地基土固结中图分类号：TU44文献标识码：A文章编号：1000–6915(2008)08–1610–08ANALYSISOFSOILARCHINGINPILEDEMBANKMENTSCONSIDERINGCOUPLEDEFFECTOFEMBANKMENTFILLINGANDSOILCONSOLIDATION122CAOWeiping，CHENYunmin，CHENRenpeng(1.CollegeofCivilEngineering，Xi′anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi′an，Shaanxi710055，China；2.InstituteofGeotechnicalEngineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou，Zhejiang310027，China)Abstract：Theanalysisofsoilarchingisthefirstimportantissueforthedesignofpiledembankments.Ananalyticalmodelforsoilarchingwithinpiledembankmentsisdeveloped，whichcanconsiderthecoupledeffectoftheembankmentfillingandsoilconsolidation.Thecalculatedvaluesofthestressconcentrationratiousingtheproposedmodelhereinareingoodagreementwiththefieldmeasurements.Thisdemonstratesthatthemodelcanreflectthevariationcharacteristicsofsoilarchingwithtime.Afurtherstudyofcharacteristicsofsoilarchingandtheneutralpointofpileshaftduringtheembankmentfillingandthesoilconsolidationwasalsoconducted.Theresultsshowthat：(1)Withtheembankmentfilling，thestressconcentrationratioincreasesandreachesamaximumvalueattheendoffilling，thendecreasesabout15percentofthemaximumvalueandmaintainsnearlyaconstantvalue.(2)Duringtheembankmentfillingandsoilconsolidating，thelocationoftheneutralpointofpileshaftdescendsfirstly，thenascendstilltheendofembankmentfilling.Withthecontinuousconsolidatingofsoil，thedepthoftheneutralpointbecomesdeeper，andattheendofsoilconsolidating，thelocationoftheneutralpointis收稿日期：2008–01–31；修回日期：2008–05–10基金项目：陕西省教育厅科学研究计划项目(08JK332)；西安建筑科技大学科技基金资助项目(JC0801，RC0803)作者简介：曹卫平(1969–)，男，博士，1992年毕业于西安建筑科技大学建筑工程系工业与民用建筑专业，现任高级工程师，主要从事岩土工程方面的研究工作。E-mail：caowp@xauat.edu.cn 第27卷第8期曹卫平，等.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•1611•unaltered.Theobtainedconclusionscanprovidevaluablereferencestoengineeringdesign.Keywords：soilmechanics；piledembankments；soilarching；stressratioofpiletosoil；embankmentfilling；consolidationofsoil其得到的桩土应力比(或桩体荷载分担比)对应于路1引言堤填筑施工或者地基土固结过程中的哪个时刻，即这些计算方法没有反映土拱效应随时间的变化特桩承式路堤由路堤填土、桩帽、桩和地基土组征。成，具有施工速度快、沉降小、稳定性高、能有效在总结分析前人研究成果的基础上，本文建立地控制桥头跳车等优点，近年来在软基高速公路工了能考虑路堤填筑过程与地基土固结相耦合的土拱[1～5]程中得到了广泛的应用。桩的抗压刚度大于桩效应计算模型，该模型能够反应桩承式路堤土拱效间土的抗压刚度，桩间土上路堤沉降大于桩帽上路应随时间的发展变化特征。堤沉降，两者之间存在差异沉降。桩间土上路堤通过与桩帽上路堤之间相互作用的剪应力将部分自重2考虑路堤填筑与地基土固结相耦合传递给桩帽上路堤，使得桩承担的路堤荷载增加，而的桩承式路堤土拱效应计算模型桩间土承担的路堤荷载减小，即路堤荷载在桩和桩间土之间发生了转移和重分布，这就是桩承式路堤2.1桩承式路堤完整土拱高度[14]中的土拱效应。在进行桩承式路堤设计时，首要解曹卫平等通过对台缙高速公路桩承式路堤3决的问题就是如何计算土拱效应。个里程K18+223，K18+253和K18＋283的现场监到目前为止，国内外学者提出了多种土拱效应测资料分析发现，在路堤填筑过程中，当路堤高度[6]小于某一“特定高度”时，随着路堤填筑，桩帽及计算方法。D.Russell和N.Pierpoint在Terzaghi平面土拱效应计算方法的基础上提出了三维土拱效应桩间土土压力均逐渐增大，且桩帽上土压力稍大于计算方法。W.J.Hewlett和M.F.Randolph[7]将路堤桩间土土压力；当路堤高度大于该“特定高度”后，中形成的土拱假定为半球壳形，并将其拆分为一个随着路堤填筑，桩帽上土压力则迅速增大，而桩间球形土拱和四个平面土拱，认为球形土拱拱顶或者土土压力不但不增大，反而逐渐减小；路堤填筑完平面土拱拱脚的土单元体会达到极限状态，得到了毕后，随着时间发展，桩帽上土压力有所减小而桩桩及桩间土承担的路堤荷载。英国规范[8]给出了间土土压力有所增大，最终两者均趋于稳定(见图1，[16]计算桩帽、桩间土土压力的经验公式，并规定当路里程为K18+223)。朱明双在对杭宁高速公路桩承堤高度大于1.4倍的桩帽净间距时，该高度以上的式路堤现场测试中也发现了与上述相同的规律。桩路堤荷载全部由桩承担。德国规范[9]在Kempfert帽、桩间土土压力的上述变化特征说明了这一“特定高度”就是路堤中形成完整土拱的高度。三维土拱效应分析的基础上，得到桩帽及桩间土土[10，11]压力。陈云敏等基于Hewlett方法分别提出了210[12～14]改进的土拱效应计算方法。另外，有许多学者180/kPa150根据模型试验或现场测试结果对目前较为流行的几120桩帽土压力平均值90桩间土土压力平均值种土拱效应计算方法进行了比较，发现各种土拱效60路堤土压力30应计算方法得到的结果与模型试验和现场测试结果0均有不小的差异。桩承式路堤模型试验[15]及现场测1050100150200250300350[14]/m2时间/d试结果均说明，土拱效应不但与路堤填料及地基34土的物理力学参数、桩长、桩间距和桩帽大小等因特定高度路堤填高5素有关，且随着路堤填筑过程及地基土固结在不断67发展变化，即反应土拱效应的参数–桩土应力比–图1台缙高速公路桩承式路堤土压力–时间–路堤高度曲线随着时间在逐渐变化，最终将随着地基土固结完成Fig.1Curvesofsoilpressure-time-embankmentheightfor而趋于稳定。现有的土拱效应计算模型均未指出Taizhou—JinyunExpressway •1612•岩石力学与工程学报2008年在路堤填筑过程中，桩帽、桩间土土压力的变时间/d化决定于两方面因素，即路堤填筑高度和地基土固05010015020025030035000结进程。路堤填筑是逐步连续进行的，可以看作是15多次瞬时施加荷载，每一次填筑可以看作是瞬时在2/mm/m桩帽、桩间土上施加了路堤荷载，在路堤荷载施加103的瞬时，地基土还来不及固结，则该次填筑的路堤415里程K18+223路堤填高荷载在桩帽、桩间土上均匀分布，随着时间的推移，桩土沉降差路堤填高里程K18+2535里程K18+283地基土逐渐固结，桩土之间出现沉降差，则该次填206筑的路堤荷载在桩帽、桩间土上进行了重分布，即257出现了土拱效应。当路堤高度还未达到完整土拱高图2台缙高速公路桩承式路堤桩土沉降差–时间–路堤度时，尽管由于土拱效应，每一次填筑的路堤荷载高度曲线Fig.2Curvesofpile-soildifferentialsettlement-time-embankment由桩分担的多一些，而由桩间土分担的少一些，但heightforTaizhou—JinyunExpressway不论桩帽上土压力还是桩间土土压力均随着路堤的填高在逐渐增大。但当路堤高度大于完整土拱高度表1台缙高速公路桩承式路堤完整土拱高度时，路堤中形成了完整土拱，则后续填筑的路堤荷Table1Completedarchheightofpiledembankmentof载全部由桩承担，而桩间土不再分担完整土拱高度Taizhou—JinyunExpressway以上的路堤荷载。同时，随着地基土固结继续进行，桩长桩间距桩帽桩帽净完整土拱完整土拱高度与里程/m/m宽度/m间距/m高度/m桩帽净间距之比完整土拱高度以下、桩间土上部的路堤还会通过与K18+223202.51.31.23.83.20完整土拱高度以下、桩帽上部的路堤之间的相互剪K18+253203.01.61.45.23.70切作用将部分自重传递给桩，因而使得桩间土土压K18+283202.01.01.03.53.50力不但不增加、反而减小，相应地，桩帽上土压力则迅速增大。净间距不同，完整土拱高度是不同的，但各路段完当路堤填筑完毕后，路堤总荷载不再增加，桩整土拱高度与相应的桩帽净间距之比却相差不大，帽、桩间土土压力的变化就只受到地基土固结的影为3.20～3.70，平均值为3.46。即完整土拱高度与响。在路堤填筑完毕后的一段时间内，桩土沉降差桩帽净间距之比约为3.5。[17]还会继续增大，完整土拱高度以下、桩间土上部的K.Terzaghi通过Trapdoor试验发现，对于平路堤与完整土拱高度以下、桩帽上部的路堤之间的面土拱，完整土拱高度与桩梁净间距之比为2.0，英[8]相互剪切作用会使得桩间土土压力继续减小，而桩国规范认为，完整土拱高度与桩帽净间距之比为[8]帽上土压力继续增大，这就是路堤填筑完毕后初期1.4。无论K.Terzaghi还是英国规范均认为，完整一段时间内桩土应力比继续增大的原因。随着地基土拱高度以上的路堤荷载全部由桩承担，桩间土不土继续固结，桩间土沉降增量较小，而桩由于承担承担此部分路堤荷载，但英国规范并未明确指出其了较多的路堤荷载使得其沉降增量较大，桩的沉降规定的完整土拱高度适用于平面土拱还是空间土增量大于桩间土的沉降增量，即桩土沉降差有所减拱。本文作者从其曾经进行的桩承式路堤平面土拱小(见图2)，这使得小部分由桩承担的路堤荷载反过试验得到了完整土拱高度与桩梁净间距之比为[15]来传递给了桩间土，因而后期桩间土土压力有所增1.4～1.6。与平面土拱具有连续的拱脚支撑相比，大，而桩帽上土压力有所减小。空间土拱的拱脚支撑是不连续的，因此空间土拱完从图1可以看出，对于里程K18+223，当路堤整土拱高度应大于平面土拱完整土拱高度。A.[18]填筑到3.8m高度时，桩间土土压力没有随着路堤James认为，空间土拱完整土拱高度与桩帽净间的填筑而增加，反而开始减小，这说明此时路堤填距之比为3.0。基于以上分析，本文认为，从台缙筑高度达到了完整土拱高度，即该里程处路堤完整高速公路桩承式路堤现场实测资料反算得到的空间土拱高度为3.8m。同理，里程K18+253及K18+283土拱完整土拱高度与桩帽净间距之比为3.5是可信处的路堤完整土拱高度分别为5.2，3.5m。的。表1汇总了台缙高速公路K18+223，K18+2532.2土拱效应计算模型的建立及K18+283三个里程桩间距、桩帽大小、完整土拱2.2.1基本假设高度等信息。可以看出，对于不同路段，由于桩帽(1)路堤分步填筑到设计高度，路堤荷载下地基 第27卷第8期曹卫平，等.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•1613•土的固结为Terzaghi一维固结。桩(2)桩为理想弹性材料，不考虑桩帽自身的变计算单元s内外形，即在路堤荷载作用下，桩帽随桩发生相同的沉τ土τ土降，忽略桩帽面积范围内地基土对桩帽的反力支承b桩帽s桩桩(t)bSd作用。ss桩帽(3)桩帽顶范围内各点竖向土压力均匀分布，(a)桩平面布置图桩间土范围内各点竖向土压力均匀分布。桩桩侧土(4)完整土拱高度与桩帽净间距之比为3.5，完D0整土拱高度以上的路堤重量全部由桩承担，桩间土不承担该部分路堤重量。桩端土(5)完整土拱高度以下内外土柱之间相互作用(b)计算单元平面图(c)计算单元剖面图的剪应力与这两者间相对位移的关系符合双曲线规图3计算模型律。Fig.3Calculationmodelofpiledembankments上述第(1)条假设采用K.Terzaghi一维固结理论使计算过程较为简单，便于应用。在路堤荷载作土柱之间存在沉降差S(t)。内土柱的侧表面受到外d用下，桩间土沉降大于桩沉降，桩帽下地基土对土柱作用的向下的剪应力τ，根据牛顿第三定律，桩帽反力支承作用很小，两者间甚至会出现脱开的外土柱的内侧表面则受到内土柱向上作用的剪应力[19]情况，因此第(2)条假设是合理的。无论桩帽范围τ。因此作用在桩帽上的荷载除了内土柱自身的重还是桩间土范围内，竖向土压力的分布都是不均匀力外，还有一部分附加荷载，即内外土柱之间剪应力的，但本文分析的重点是桩、桩间土各自承担了多的合力。相应地，作用在桩间土上的荷载为外土柱少路堤荷载，对桩而言，桩顶总荷载才有实际意义，自身的重力减去内外土柱之间剪应力的合力，即桩因此将桩帽上竖向土压力假定为均匀分布并不影承担的路堤荷载大于桩帽面积范围内的路堤重力，响桩顶总荷载的大小。第(4)条假设得到了节2.1而桩间土承担的路堤荷载小于桩间土面积范围内的分析结果的支持。第(5)条假设得到了SSI剪切试验[20～22]路堤重力。成果的支持。从上述分析可知，路堤外土柱有多大一部分重2.2.2模型的建立及求解力传递给内土柱是与内外土柱之间相互作用的剪应本文分析时，取单桩及其处理范围内的路堤、[20～22]力大小密切相关的。从SSI剪切试验可知，内地基土为研究对象，如图3所示。按照面积相等的外土柱之间的剪应力τ与内外土柱之间的相对位移原则，将桩帽上部路堤等效为直径为D的内土柱，iS(t)相关，两者之间的关系可表达为将桩间土上部路堤等效为内直径为D、外直径为siS(t)sD0的空心圆柱外土柱，且有τ=(2)a+bS(t)00sD=2b/π⎫i⎪⎬(1)式中：a0，b0均为待定参数。D0=2s/π⎪⎭不同时刻、路堤不同高度位置处，内外土柱之式中：b，s分别为桩帽宽度和桩中心距。间的相对位移Ss(t)是不同的，在桩顶平面位置处，在路堤荷载作用下，内土柱的侧向位移受到外内外土柱之间的相对位移Ss(t)等于桩土沉降差土柱的约束，外土柱的侧向位移则受到内土柱及相Sd(t)。桩土沉降差Sd(t)除了与桩顶荷载(即桩帽上邻等效圆柱体的约束，因此，等效圆柱路堤只发生荷载)、桩间土上荷载大小有关外，还随着地基土的竖向位移，而没有侧向位移。相邻的等效圆柱体均固结处于一个变化过程中，而桩顶荷载、桩间土上发生相同的竖向位移，故外土柱的外侧表面仅有水荷载除了与路堤高度有关外，与桩土沉降差Sd(t)平作用力而无竖向作用力。在桩顶平面处，内土柱也是相关的，因此，桩、桩间土各自承担的路堤荷竖向位移与桩帽(桩)的沉降相同，而外土柱竖向位载与桩土沉降差Sd(t)以及地基土固结进程是相互移与桩间土沉降相同。由于桩抗压刚度大于桩间土耦合的。抗压刚度，在路堤荷载作用下，桩间土沉降大于桩在路堤填筑过程中，路堤高度随时间在逐渐增沉降，因此，内土柱沉降小于外土柱沉降，即内外大，单桩等效处理范围内的路堤总重力荷载在逐渐 •1614•岩石力学与工程学报2008年11增加，同时在已填筑的路堤荷载作用下，地基土固Δσs(t2)，Δσp(t2)均未知，且σp(t2)及σs(t2)结也在逐渐发展，因此，路堤填筑过程中的土拱效均与t2时刻桩土之间的沉降差Sd(t2)是耦合的，因11应受到路堤高度变化及地基土固结的双重影响。而此σp(t2)，σs(t2)难以直接求得，需要进行迭代求路堤填筑完毕后，单桩等效处理范围内的路堤总重解，具体步骤如下：11力荷载维持不变，因此，该阶段的土拱效应仅受到(1)假定σp(t2)=γh1，σs(t2)=γh1。地基土固结的影响。(2)在步骤(1)假定的桩帽及桩间土土压力作用[23]下面先介绍路堤填筑过程中土拱效应的求解。下、根据桩土相互作用计算方法求得桩土沉降差S(t)。现场路堤填筑既不是一次瞬时加载，也难以用单级d2匀速加载过程来表示，为了较真实的表示现场施工(3)根据式(2)求得此时内外土柱间相互作用的剪应力τ。过程，将路堤填筑过程简化为若干个瞬时加载过程，12(4)根据下面两式计算Δσ(t)及Δσ(t)：如图4所示。p2s2πD2⎫h(t)πDh=Δ(t)iτ12i1σp24⎪路堤实际填筑过程⎪⎬(4)hnπ(D2−D2)⎪oiτπDh=Δσ(t)12i1s2⎪4⎭hj1N1N(5)根据式(3)可求得新的σ(t)，σ(t)，比p2s21N11N较σ(t)与步骤(1)假定的σ(t)及σ(t)与p2p2s2简化的路堤填筑过程1σ(t)是否在误差范围内，若误差均在设定的误差s2h1范围内(本文计算时，误差限设为0.1kPa)，则说明o11Nt1tjtnt步骤(1)的假定是适宜的；否则，取σp(t2)=σp(t2)11N和σ(t)=σ(t)，重复步骤(2)～(5)直到满足要求图4路堤填筑过程简化s2s2Fig.4Simplifiedprocedureofembankmentfilling为止。在t2时刻，地基土除了经历了上述t1～t2时间路堤从t时刻开始填筑，在t时刻填筑完成，段的固结过程、第一次填筑的路堤(高度h)内外土1n1路堤高度达到设计高度h。将时间段t1～tn分为n−柱之间发生了剪切相互作用外，还瞬时填筑了新的1个时间间隔，在ti时刻路堤瞬时加载高度为hi−路堤(高度为h2−h1)，同样，在t2时刻，新填筑的路hi−1。当n取得足够大时，n次瞬时加载就比较接近堤也来不及使地基土固结，因此，这一部分路堤荷现场实际路堤填筑情况。载均匀分配到桩帽及桩间土上，即此时桩帽上土压在t时刻，路堤进行了第一次填筑，瞬时填高力σ2(t)及桩间土土压力σ2(t)分别为1p2s2为h，此时，地基土还来不及固结，桩与桩间土之121Nσ(t)=σ(t)+γ(h−h)⎫间还未出现沉降差，即桩土沉降差S(t)=0，因此，p2p221⎪d1⎬(5)21N作用在桩帽上、桩间土上的土压力均为γh1，γ为σs(t2)=σs(t2)+γ(h2−h1)⎪⎭路堤填料重度。当时间过渡到t时刻时，地基土在2对于t～t时间段地基土固结、内外土柱间剪23第一次填筑的路堤荷载下(高度为h)已经固结了1应力的求解可按照与上述t～t时间段同样的方法12t−t时间，此时，桩与桩间土之间出现了差异沉降21进行。S(t)，内外土柱之间也产生剪应力τ(下标“12”d212当在某一时刻t，路堤高度h(t)恰好等于3.5ii表示在第2个时刻、第1次填筑的路堤内外土柱之倍的桩帽净间距时，则下一个时刻t新填筑的路堤i+1间的剪应力)，即路堤中出现了荷载从外土柱向内土荷载(高度为h(t)−h(t))在t时刻全部传递给i+1ii+1柱转移的现象，因此，桩间土土压力会减小Δσ(t)，s2桩，桩间土不承担该部分路堤荷载，而t～t时而桩帽土压力会增大Δσ(t)，即此时桩帽上的土i+1i+2p211间段由于地基土固结引起的桩帽、桩间土土压力的压力σ(t)及桩间土上土压力σ(t)分别为p2s2变化仍可按照与上述相同的方法求解。h(t)高度以1iσ(t)=γh+Δσ(t)⎫p21p2⎪⎬(3)上的路堤内外土柱间没有相互作用的剪应力。重复1σ(t)=γh−Δσ(t)⎪⎭s21s2上述过程直到路堤填筑完毕，路堤填筑过程中的土 第27卷第8期曹卫平，等.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•1615•拱效应就计算完成。1210从上述计算步骤可以看出，计算时，应将路堤8填筑步骤分得足够多，以便正好在某一步填筑后，6实测值4本文计算值路堤高度等于3.5倍的桩帽净间距。桩土应力比2当路堤填筑完成后，路堤高度不再变化，桩帽0/m2050100150200250300350400及桩间土土压力的变化就只受到地基土固结进程的4时间/d影响，该阶段土拱效应的求解过程与上述路堤填筑6路堤填高8过程中土拱效应的求解过程相同，只是在各时刻没(a)里程K18+223有瞬时加载而已。应该说明的是，不同时刻、内外土柱不同高度108处的相对位移是不同的。如在t，t时刻，第一次236填筑的路堤(高度为h)内外土柱之间的相对位移分14桩土应力比实测值别为Sd(t2)和Sd(t3)；而对于第二次填筑的路堤(高2本文计算值0度为h−h)，在t时刻，内外土柱之间的相对位移213/m2050100150200250300350400为S(t)−S(t)。4时间/dd3d26当用式(2)计算各时刻内外土柱间相互作用的路堤填高8剪应力时，需要确定双曲线参数a，b。从SSI剪00(b)里程K18+253[20～22]切试验成果可知，参数b为当前时刻内外土柱0界面剪切强度的倒数，即161b=(6)120γh(1−sinϕ)tanϕ8实测值式中：γ，ϕ分别为路堤填料重度和内摩擦角；h为4本文计算值桩土应力比计算点以上路堤高度。0参数a为双曲线起始切线斜率的倒数，即/m205010015020025030035040004时间/da0=Scr/[γh(1−sinϕ)tanϕ](7)6路堤填高8式中：S为内外土柱极限相对位移。cr(c)里程K18+283当内外土柱间的相对位移达到S时，两者之间cr图5桩土应力比计算值与实测值的比较的剪应力达到极限值，一般可取S=2mm。可以crFig.5Comparisonofstressratiosofpiletosoilbetween看出，对于任一高度位置，双曲线参数a、b是随00thecalculatedandthemeasuredvalues着路堤高度变化的，即内外土柱间的剪应力在不同时刻是不同的。测结果吻合较好，这说明本文方法是合理的。在路堤填筑过程中，随着路堤逐渐填高，桩土3路堤填筑及地基土固结对土拱效应的影响分析应力比迅速增大，路堤填筑完毕后，随着地基土固结，桩土应力比仍有小幅变化。本文模型计算结果3.1模型计算结果与现场实测结果的比较表明，与路堤刚填筑完毕时的桩土应力比相比，后将台缙高速公路工程K18+223，K18+253及期桩土应力比的变化幅度为10%～15%，这与现场K18+283三个里程处的实测结果与本文模型计算结实测结果也是相同的。果进行比较。利用本文模型计算时，路堤填料及地3.2路堤填筑及地基土固结过程中桩土相互作用[14]分析基土物理力学参数见有关研究结果，桩长、桩间距及桩帽大小见表1。从台缙高速公路工程现场实测的桩承式路堤土图5为上述3个里程处桩土应力比实测结果和压力及沉降可知，在路堤填筑过程中，当路堤填筑本文模型计算结果。可以看出，对于K18+253路段，高度小于完整土拱高度时，桩及桩间土承担的路堤本文计算结果与现场实测结果有一定差异，其余两荷载均逐渐增大，桩承担的路堤荷载大于桩间土承个路段，本文方法计算得到的桩土应力比与现场实担的路堤荷载；当路堤填筑高度大于完整土拱高度 •1616•岩石力学与工程学报2008年时，桩承担的路堤荷载急剧增大，而桩间土承担的地基土固结对土拱效应的影响。本文模型计算结果路堤荷载逐渐减小；当路堤填筑完毕后，随着地基与现场实测结果比较吻合，这说明本文模型是正确土继续固结，桩承担的路堤荷载小幅减小、而桩间合理的。土承担的路堤荷载小幅增大，最终渐趋于各自的稳(2)桩土应力比随着路堤填筑及地基土固结处定值。土压力的上述变化特征说明桩承担的荷载有于一个发展变化过程中。在路堤填筑过程中，桩土一个增大、而后减小、最终趋于稳定的过程，而桩应力比迅速增大，路堤填筑完毕后，随着地基土固间土承担的荷载也有一个逐渐增大、而后减小、再结继续进行，桩土应力比先小幅增加，然后有所减增大、最终趋于稳定的过程。这决定了桩承式路堤小，最终趋于稳定值。本文模型计算结果表明，与中桩土之间的相互作用有别于一般的桩顶荷载及桩路堤刚填筑完毕时的桩土应力比相比，后期桩土应周土表面荷载维持不变时的情形。力比的变化幅度一般不超过15%，这与现场实测发仍以台缙高速公路为例，利用本文方法对路堤现的规律是相同的。填筑及地基土固结过程中桩土之间的相互作用进行(3)在路堤填筑过程及地基土固结过程中，桩分析。图6表示了桩身中性点深度在整个时间历程中的变化。可以看出，3个里程处桩身中性点深度身中性点位置经历了先逐渐向下移动、尔后向上移的变化特征是相同的，即随着路堤填筑及地基土固动、再向下移动、最终趋于稳定位置的过程。结，中性点位置均是先逐渐下移，当路堤高度大于完整土拱高度后，中性点位置则逐渐上移，路堤填参考文献(References)：筑完毕后，随着地基土继续固结，中性点位置逐渐下移并最终维持不变。可见，桩身中性点位置经历[1]贾宁，陈仁朋，陈云敏，等.杭甬高速公路拓宽工程理论分析了下移、上移、再下移、最终稳定的过程，这一变及监测[J].岩土工程学报，2004，26(6)：755–760.(JIANing，CHEN化特征是与桩、桩间土所承担路堤荷载大小的变化Renpeng，CHENYunmin，etal.Theoreticalanalysisandmeasurement特征相对应的。台缙高速公路现场测试并未对桩身forwideningprojectofHangzhou—Ningboexpressway[J].Chinese轴力沿深度的变化进行监测，因此，无从判断图6JournalofGeotechnicalEngineering，2004，26(6)：755–760.(in所示桩身中性点位置的变化规律是否真实，但徐立Chinese))[24]新对申苏浙皖高速公路桩承式路堤中桩身轴力[2]JONESCJFP，LAWSONCR，AYRESDJ.Geotextilereinforced的监测结果证实了图6所示规律确实是存在的。可piledembankments[C]//HOEDTDed.Proceedingsofthe4th见，桩承式路堤中桩身中性点位置的变化是较为复InternationalConferenceonGeotextiles：GeomembranesandRelated杂的。Products.Rotterdam：A.A.Balkema，1990：155–160.0[3]陈仁朋，贾宁，陈云敏.桩承式加筋路堤受力机制及沉降分析[J].2路堤填筑完毕岩石力学与工程学报，2005，24(23)：4358–4367.(CHEN4/mRenpeng，JIANing，CHENYunmin.Mechanismandsettlement6里程K18+223里程K18+253analysisofpile-supportedandgeogrid-reinforcedembankments[J].8里程K18+283中性点深度10ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2005，24(23)：124358–4367.(inChinese))14[4]夏元友，芮瑞.刚性桩加固软土路堤竖向土拱效应的试验研究[J].050100150200250300350400时间/d岩土工程学报，2006，28(3)：327–331.(XIAYuanyou，RUIRui.图6路堤填筑及地基土固结过程中桩身中性点深度的变化ExperimentalresearchonverticalsoilarchingeffectofembankmentFig.6Variationofneutralpointsofpileduringembankmentreinforcedbyrigidpiles[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，fillingandsoilconsolidation2006，28(3)：327–331.(inChinese))[5]陈小庭，夏元友，芮瑞，等.管桩加固软土路堤桩土应力比现4结论场试验[J].中国公路学报，2006，19(3)：12–18.(CHENXiaoting，XIAYuanyou，RUIRui，etal.Fieldexperimentonpile-soilstressof(1)本文建立的土拱效应计算模型反应了桩承softsubgradereinforcedbypre-stressconcretepiles[J].Chinese式路堤的承载变形机理，能够考虑路堤填筑过程及JournalofHighwayandTransport，2006，19(3)：12–18.(inChinese)) 第27卷第8期曹卫平，等.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•1617•[6]RUSSELLD，PIERPOINTN.Anassessmentofdesignmethodsforinpiledreinforcedembankments[J].ChineseJournalofGeotechnicalpiledembankments[J].GroundEngineering，1997，30(11)：39–44.Engineering，2007，29(3)：436–441.(inChinese))[7]HEWLETTWJ，RANDOLPHMF.Analysisofpiledembankments[J].[16]朱明双.现浇筒桩桩–土共同工作试验与数值研究[博士学位论GroundEngineering，1988，21(3)：12–18.文][D].杭州：浙江大学，2006.(ZHUMingshuang.Experimentaland[8]BritishStandardInstitute.BritishStandardBS8006：codeofpracticenumericalstudyontheinteractioncharacteristicsofcast-in-placeforstrengthened/reinforcedsoilsandotherfills[S].London：[s.n.]，tubularpileandsoil[Ph.D.Thesis][D].Hangzhou：ZhejiangUniversity，1995.2006.(inChinese))[9]DeutscheGesellschaftfurGeotechnike.EVentwurfderempfeblung，[17]TERZAGHIK.Stressdistributionindryandsaturatedsandabovebewehrteerdkorperaufpunkf-orderlinienfomigentraggliendern[S].ayieldingtrap-door[C]//TheFirstInternationalConferenceonSoilBerlin：ErnstandSohn，2004.MechanicsandFoundationEngineering.Cambridge，MA：[s.n.]，[10]陈云敏，贾宁，陈仁朋.桩承式路堤土拱效应分析[J].中国公路1936：1307–1311.学报，2004，17(4)：1–6.(CHENYunmin，JIANing，CHENRenpeng.[18]JAMESA.Theanatomyofsoilarching[J].GeotextilesandGeo-Soilarchanalysisofpile-supportedembankments[J].ChinaJournalmembranes，1994，13(5)：317–329.ofHighwayandTransport，2004，17(4)：1–6.(inChinese))[19]贾宁.软土地基高速公路拓宽的沉降性状及处理研究[博士学位[11]陈福泉，李阿池，吕艳萍.桩承式路堤土拱效应的改进Hewlett算论文][D].杭州：浙江大学，2004.(JIANing.Researchonsettlement法[J].岩石力学与工程学报，2007，26(6)：1278–1283.(CHENbehaviorofhighwaywideningonsoftsoilsandimprovementFuquan，LIAchi，LUYanping.AnimprovedsolutionofHewlett′smethods[Ph.D.Thesis][D].Hangzhou：ZhejiangUniversity，2004.(inmethodforsoilarchingeffectonpiledembankments[J].ChineseChinese))JournalofRockMechanicsandEngineering，2007，26(6)：1278–[20]GÓMEZJE，FILZGM，EBELINGRM.Developmentofan1283.(inChinese))improvednumericalmodelforconcrete-to-soilinterfacesinsoil-[12]ORIANNEJ，DANIELD，RICHARDK.Softgroundimprovementstructureinteractionanalyses[R].Vicksburg，MI：U.S.ArmyEngineerbyverticalrigidpilestwo-dimensionalphysicalmodelingandResearchandDevelopmentCenter，2000.comparisonwithcurrentdesignmethods[J].SoilsandFoundations，[21]KISHIDAH，UESUGIM.Testsoftheinterfacebetweensandand2005，45(6)：15–30.steelinthesimpleshearapparatus[J].Geotechnique，1987，37(1)：[13]周镜，叶阳升，蔡德钩.国外加筋垫层桩支承路基计算方法分45–52.析[J].中国铁道科学，2007，28(2)：1–6.(ZHOUJing，YEYangsheng，[22]YINZZ，ZHUH，XUGH.AstudyofdeformationintheinterfaceCAIDegou.Analysisofcalculationmethodforforeigngeosyntheticbetweensoilandconcrete[J].ComputersandGeotechnics，1995，reinforcedpilesupportedembankments[J].ChinaRailwayScience，17(1)：75–92.2007，28(2)：1–6.(inChinese))[23]陈仁朋，周万欢，曹卫平，等.改进的桩土截面荷载传递双曲线[14]曹卫平，凌道盛，陈云敏.刚性桩加固高速公路软基土拱效应现模型及其在单桩负摩阻力时间效应研究中的应用[J].岩土工程学场试验研究及与解析解的比较[J].岩土工程学报，2007，29(10)：报，2007，29(6)：824–830.(CHENRenpeng，ZHOUWanhuan，1577–1581.(CAOWeiping，LINGDaosheng，CHENYunmin.FieldCAOWeiping，etal.Improvedhyperbolicmodelofload-transferfortestsonsoilarchingofhighwayembankmentsreinforcedwithrigidpile-soilinterfaceanditsapplicationinstudyofnegativefrictionofpilesandtheircomparisonwithcurrentanalyticalmethods[J].singlepilesconsideringtimeeffect[J].ChineseJournalofChineseJournalofGeotechnicalEngineering，2007，29(10)：1577–GeotechnicalEngineering，2007，29(6)：824–830.(inChinese))1581.(inChinese))[24]徐立新.桩承式加筋路堤的设计计算方法研究[博士学位论文][D].[15]曹卫平，陈仁朋，陈云敏.桩承式加筋路堤土拱效应试验研究[J].杭州：浙江大学，2007.(XULixin.Studyondesignandcomputation岩土工程学报，2007，29(3)：436–441.(CAOWeiping，CHENmethodofgeosyntheticreinforcedpile-supportedembankments[Ph.Renpeng，CHENYunmin.ExperimentalinvestigationonsoilarchingD.Thesis][D].Hangzhou：ZhejiangUniversity，2007.(inChinese))