高速公路路堤下复合地基理论的探究

近年来利用复合地基技术处理高速公路软土地基日益增多，与其他方法相比，具有施工工期短，提高地基承载力快，减小工后沉降效果显著等优点。

　　在研究前人工作的基础上，对路堤下复合地基的研究现状作了总结和分析，指出了其中存在的问题，并对今后研究工作提出了若干建议，以期为将来的研究提供一定的参考。

　　1.研究现状分析

　　目前，对于路堤这种柔性基础下的复合地基理论研究还处在初步阶段，这方面的研究成果国内外极少。现有的研究成果主要集中在试验研究、理论计算和数值模拟三方面。

　　1.1 试验研究 ①模型试验。S·H·Chew通过室内模型试验对路堤下刚性桩复合地基的工作机理开展研究，得到了加载过程中桩土应力比、地表沉降的变化规律。方磊通过室内模型试验，研究了柔性基础下桩土应力比与桩底持力层强度和上部荷载的关系。Allersma通过离心机模型试验对比分析了路堤下天然地基、水泥搅拌桩、刚性桩复合地基和半刚性桩复合地基的破坏模式、工作性状及其主要影响因素。②现场试验。Eksortm通过现场测试证明了柔性基础（路堤）下桩顶位移与桩间土体位移并不相等。孙军、李海芳对路堤荷载下复合地基的变形特性进行了长期现场观测研究，发现桩与桩间土体的沉降不一致，桩与桩周土存在等沉面。曾开华、吴少汉通过现场试验，对公路路堤下复合地基的力学特性进行了分析，结果表明低强度混凝土刚性桩复合地基桩土应力比的变化趋势为先减小后增大，而水泥土柔性桩的桩土应力比变化趋势是逐渐增大的。

　　1.2 理论计算研究 Alamgir通过假定典型单元体的位移模式，提出了“单位元”的概念，获得了柔性基础下端承桩复合地基中桩和桩周土的附加应力和沉降计算的解析方法。杨涛等修正了Alamgir的典型单元体变形模式，提出了柔性基础下竖向增强体复合地基沉降计算的复合本构有限元分析方法，该方法未能反映桩土之间竖向不协调性。李海芳在杨涛的基础上考虑了桩土相互作用，提出了改进的位移分布模式，通过力学推导，得到了路堤荷载下复合地基加固区压缩量的简化算法等等。实践表明，利用这些计算方法得到的结果与实测值有较好的吻合，因此这种求解柔性基础下沉降与应力的分析方法是有价值的。

　　1.3 数值模拟研究 J·Han采用典型单元体和Duncan-chang模型，对桩承式加筋路堤的性状进行了数值分析研究，分析了路堤填土高度、加筋体刚度以及桩体模量对桩土应力比的影响。杨虹等利用弹性、Duncan-chang非弹性两种本构模型，将平面问题有限元用于填土路堤下复合地基性状的研究，对复合地基沉降及桩土应力比的变化规律进行了研究。曾远、刘国明等利用Biot固结理论，采用非线性有限元法分析了高速公路下复合地基变形的影响因素，并提出了合理布桩方式等等。可以看出，这些研究大都是对路堤下复合地基力学与变形特性做定性的分析。

　　2.存在的问题

　　2.1 试验方面 现有的试验研究比较少，且大都是在刚性承载板下进行的，仍然沿用刚性基础下复合地基试验方法，不能真正反映路堤下复合地基的工作性状；模型试验是在理想的条件下进行的，存在着尺寸效应，很难模拟实际情况，具有一定的局限性；现场试验，因影响因素过多，必须经过大量的试验积累，才能找出规律。

　　2.2 理论计算方面 研究时基本将复合地基与路堤基础相脱离，未考虑路堤填土——刚性垫层——复合地基——下卧层土体四者之间的应力及变形耦合；研究中采用的桩问土竖向位移模式，大多数做法是假定在桩长范围内有一刚性位移，对解析计算的模型进行了简化，这种简化处理方法不能反映出桩土之间的力学机制。

　　2.3 数值模拟方面 ①材料本构问题由于土的突出非线性，到目前为止，还没有找到可以体现土的各种特性的本构模型。采用不同的本构关系，计算结果不同。刚性桩、柔性桩、半柔半刚性桩的本构有较大的差别，但研究中大多数都视为线弹性体②计算模型建模时大都将桩假设成连续墙或板，将复合地基简化成平面问题进行研究，而实际由于桩的存在，路基的力学性质在长度方向上不再有均匀性，这将影响数值模拟结果的真实性。③计算参数的选用现场土体的性质很不均匀，且各向异性，选取计算参数比较困难，实际计算时，往往对某一段范围内土体进行简化，一般按经验公式取值，带有随意性，计算参数取值不同，计算结果也不同，这将影响数值模拟的可信度。④桩土接触面的处理研究中大都没有考虑桩土之间的相对滑动，仍采用刚性基础下复合地基中桩和桩间土竖向变形相等的假设，不能反映路堤荷载下桩与桩间土的竖向不协调性及桩土之间的荷载传递规律。

　　3.今后研究工作的建议

　　3.1 数值分析与试验相结合 单纯应用数值分析和试验研究都是行不通的，必须以数值分析与试验研究相结合，进行优势互补

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　　3.2 理论计算方法的改进 柔性基础下复合地基的荷载传递机理应当包括：基础填土的拱效应、基础的刚度效应、刚性垫层效应、桩土间差异沉降引起的荷载传递以及下卧层土体的支承作用五个部分。

　　3.3 提高数值模拟的可信度 ①应建立三维计算模型进行路堤和复合地基的三维数值模拟，使模拟结果更加真实。②为了更好地反映桩与土间的相互作用，真实模拟路堤荷载下桩与桩间土的竖向不协调性及桩土之间的荷载传递规律，应特别重视对桩土接触面的模拟，需要在桩土之间设置接触面单元。③选择合理的材料本构。土的本构比较复杂，不同土的本构，往往针对某个问题才具有合理性，因此要根据所研究的问题灵活选用，必要时对土的本构关系进行修正。桩的本构关系应通过试验确定，不能盲目的照搬经验。