[摘 要]本文以单桩等效处理范围及其上部路堤组成的圆柱体为研究对象，采用弹塑性有限元法建立轴对称模型，分析了端承型桩与摩擦型桩两种工况下桩顶及桩间压力、桩土应力比、桩顶与桩间土沉降、路堤沉降等的发展变化规律，研究了土工格栅的受力与变形特性及其对桩土应力比与桩土差异沉降的影响。分析结果表明：端承型桩及摩擦型桩的桩顶与桩间土压力随时间的变化规律相似。端承型桩与桩间土的沉降在路堤填筑期间已完成大半，而摩擦型桩与桩间土的沉降主要发生在软土固结过程中。土工格栅的抗拉刚度存在一临界值，超过该临界值后，软土地基表面桩土差异沉降不再减小。
　　[关键词]路堤；端承型桩；摩擦型桩；土工格栅；数值分析
　　中图分类号：U213.1+1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）30-0183-01
　　在我国东南沿海及部分内陆地区修建高速公路、铁路等交通基础设施时，经常需要穿越软土路段，常规的工程措施包括采用轻质路堤填料、预压排水固结、碎石桩、深层搅拌桩等。上述这些方法在适应复杂地质条件、工期与经济方面存在较大的局限性。近年来，桩承式加筋路堤作为一种新型路堤形式，为软土地区修建高填方路堤提供了经济合理的解决方案，已在国内外得到了较为广泛的应用。桩承式加筋路堤是由上部路堤、砂石垫层、水平加筋体、桩（帽）、桩间土组成的复杂系统。它依靠路堤填料中形成的土拱效应与土工格栅等水平加筋体的张拉膜效应将大部分路堤荷载转移到桩体上，从而减小桩间软土地基的受力与压缩变形。同传统的软土地基处理措施相比，桩承式加筋路堤具有施工工期短、路堤沉降、差异沉降及坡脚侧向变形小、整体稳定性高等显著优势。
　　本文以单桩处理范围及其上部路堤组成的圆柱体为研究对象，通过建立轴对称有限元模型分析端承桩与摩擦桩两种工况下桩顶及桩间土土压力、沉降变形、桩体荷载分担比的发展变化规律。
　　1 有限元模型
　　参照实际工程，本文计算模型中路堤高度取为5.0m，桩长20m，直径0.6m，桩间距3m，桩帽尺寸为1m×1m×0.3m，地下水位位于桩顶平面处。对于端承型桩，软土层厚度为20m，下伏5m厚硬土层，桩端进入硬土层1.5m；对于摩擦型桩，软土层厚度为25m，桩端以下软土层厚5m。模型边界条件为：同时约束底边界的水平与竖向位移，侧边界仅约束水平向位移，桩顶平面为固结排水面，其余边界均设置为封闭固结边界。为了提高计算精度，采用15节点三角形单元划分网格。
　　桩采用弹性本构模型，路堤填料及硬土层为Mohr-Coulomb模型，土工格栅采用geogrid单元模拟，轴向刚度EA=1200kN/m，铺设于桩帽平面以上20cm处。有限元模型中材料的物理力学参数见表1。路堤填筑以0.5m为一个加载步，对应的时间为3天，即瞬时加载高度为0.5m，然后等载固结3天，接着施加下一级荷载，直至路堤填筑完成。在路堤填筑完成后，继续固结直至软土层中超孔隙水压力小于1kPa。固结计算采用小变形Biot固结理论。
　　2 计算结果及分析
　　2.1 承载特性分析
　　计算结果得出了路堤填筑期间与工后软土地基固结过程中桩顶及桩间土土压力随时间的发展变化过程。从计算结果中可以看出，端承型桩与摩擦型桩的桩顶及桩间土压力随时间变化规律相似。在路堤填筑期间，随着填土高度的增加，桩顶及桩间土土压力均迅速增大。路堤填筑完成时，端承型桩与摩擦型桩的桩间土压力分别达到最大值52.7kPa、58.2kPa，相应的桩顶土压力分别为438.2、403.6kPa。在软土地基固结初期，桩间土压力出现小幅度的减小，随着软土的进一步固结逐渐趋于稳定。桩间土将一部分土压力转移到桩顶，因此桩顶土压力先是逐渐增加，之后趋于一稳定值。在软基固结基本结束时，端承型桩与摩擦型桩的桩顶土压力分别为598.4、564.8kPa，相应的桩间土压力分别为47.1、52.6kPa。
　　桩土应力比消除了桩帽面积大小的影响，而桩体荷载分担比考虑了桩帽面积。桩体荷载分担比越大，表示桩分担的路堤荷载比例越大。本文定义桩体荷载分担比为桩帽上所承担的路堤荷载与单桩处理范围内路堤总荷载之比。计算得出了路堤填筑完成后端承型桩与摩擦型桩的桩体荷载分担比随时间的变化过程。从计算结果中可以看出，路堤填筑完成时，端承型桩的桩体荷载分担比为52%，摩擦型桩的桩体荷载分担比为45.3%.。无论是端承型桩还是摩擦型桩，在软基固结初期桩体荷载分担比均迅速增大，说明路堤填料内的土拱效应与土工格栅的张拉膜效应充分发挥作用。而在固结后期，桩体荷载分担比增长速率逐渐减小，最终都趋于各自的稳定值。
　　由于摩擦型桩工况下桩端软土排水固结历时较长，因此摩擦型桩的桩体荷载分担比需要比端承桩更多的时间才能趋于稳定。软基固结基本完成时，端承型桩与摩擦型桩的桩体荷载分担比分别为63.3%、59.8%，可见其它参数相同的情况下，端承型桩承担了更多的路堤荷载。
　　2.2 变形特性分析
　　根据计算结果分别绘制了端承桩与摩擦型桩各点的沉降随时间的变化曲线，如计算结果所示。从计算结果中可以看出，在路堤填筑及软土固结初期，桩顶与桩间土的沉降均迅速增加，但桩间土沉降增加速率大于桩顶，对于端承桩二者差值更为显著。随着软土的继续固结，桩顶与桩间土的沉降速率都逐渐下降，最终都趋于稳定的变形值。对于端承型桩，路堤填筑完成时桩间土的沉降约为20.6mm，软土固结基本完成时沉降量约为40.8mm，路堤填筑完成时桩间土沉降量约占总沉降量的50.5%，而对于摩擦型桩，路堤填筑完成时桩间土的沉降量约为26.2mm，软土固结基本完成时的沉降量约为132mm，路堤填筑完成时的沉降量约占总沉降量的19.8%，可见，端承型桩桩间土沉降在路堤填筑期间已完成大半，而摩擦型桩的沉降大部分发生于软土的固结过程中，桩顶、桩端及路堤表面沉降也大致表现出与上述相似的规律。
　　结论
　　本文将单桩处理范围及其上部路堤等效为圆柱体，建立轴对称有限元模型，分别对端承型桩与摩擦型桩两种情况下桩顶与桩间土土压力、沉降、桩土应力比、路堤表面沉降等进行了分析，并探讨了土工格栅的工作性状，主要得到以下结论：
　　（1）端承型与摩擦型桩的桩顶及桩间土土压力随时间的变化规律相近，端承型桩的桩土应力比略大于摩擦型桩，承担了更多的路堤荷载。
　　（2）对于端承桩支承式路堤，桩顶、桩间土及路堤的沉降在路堤填筑完成后已完成多半，而摩擦型桩对应的沉降主要发生于软土地基固结过程中。