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高速公路路堤下復合地基理論的幾點探究
摘要：結合國內外研究資料和當前路堤下復合地基的現狀，探討了國內現行的幾種高速公路路堤下復合地基理論研究成果，并指出研究中存在的問題，對今后的研究工作提出建議。
關鍵詞：高速公路；路堤；柔性基礎；復合地基
0 引言
近年來利用復合地基技術處理高速公路軟土地基日益增多，與其他方法相比，具有施工工期短，提高地基承載力快，減小工后沉降效果顯著等優點。
在研究前人工作的基礎上，對路堤下復合地基的研究現狀作了總結和分析，指出了其中存在的問題，并對今后研究工作提出了若干建議，以期為將來的研究提供一定的參考。
1 研究現狀分析
目前，對于路堤這種柔性基礎下的復合地基理論研究還處在初步階段，這方面的研究成果國內外極少。現有的研究成果主要集中在試驗研究、理論計算和數值模擬三方面。
1．1 試驗研究 ①模型試驗。S·H·Chew通過室內模型試驗對路堤下剛性樁復合地基的工作機理開展研究，得到了加載過程中樁土應力比、地表沉降的變化規律。方磊通過室內模型試驗，研究了柔性基礎下樁土應力比與樁底持力層強度和上部荷載的關系。Allersma通過離心機模型試驗對比分析了路堤下天然地基、水泥攪拌樁、剛性樁復合地基和半剛性樁復合地基的破壞模式、工作性狀及其主要影響因素。②現場試驗。Eksortm通過現場測試證明了柔性基礎（路堤）下樁頂位移與樁間土體位移并不相等。孫軍、李海芳對路堤荷載下復合地基的變形特性進行了長期現場觀測研究，發現樁與樁間土體的沉降不一致，樁與樁周土存在等沉面。曾開華、吳少漢通過現場試驗，對公路路堤下復合地基的力學特性進行了分析，結果表明低強度混凝土剛性樁復合地基樁土應力比的變化趨勢為先減小后增大，而水泥土柔性樁的樁土應力比變化趨勢是逐漸增大的。
1．2 理論計算研究 Alamgir通過假定典型單元體的位移模式，提出了“單位元”的概念，獲得了柔性基礎下端承樁復合地基中樁和樁周土的附加應力和沉降計算的解析方法。楊濤等修正了Alamgir的典型單元體變形模式，提出了柔性基礎下豎向增強體復合地基沉降計算的復合本構有限元分析方法，該方法未能反映樁土之間豎向不協調性。李海芳在楊濤的基礎上考慮了樁土相互作用，提出了改進的位移分布模式，通過力學推導，得到了路堤荷載下復合地基加固區壓縮量的簡化算法等等。實踐表明，利用這些計算方法得到的結果與實測值有較好的吻合，因此這種求解柔性基礎下沉降與應力的分析方法是有價值的。
1．3 數值模擬研究 J·Han采用典型單元體和Duncan-chang模型，對樁承式加筋路堤的性狀進行了數值分析研究，分析了路堤填土高度、加筋體剛度以及樁體模量對樁土應力比的影響。楊虹等利用彈性、Duncan-chang非彈性兩種本構模型，將平面問題有限元用于填土路堤下復合地基性狀的研究，對復合地基沉降及樁土應力比的變化規律進行了研究。曾遠、劉國明等利用Biot固結理論，采用非線性有限元法分析了高速公路下復合地基變形的影響因素，并提出了合理布樁方式等等。可以看出，這些研究大都是對路堤下復合地基力學與變形特性做定性的分析。
2 存在的問題
2.1 試驗方面 現有的試驗研究比較少，且大都是在剛性承載板下進行的，仍然沿用剛性基礎下復合地基試驗方法，不能真正反映路堤下復合地基的工作性狀；模型試驗是在理想的條件下進行的，存在著尺寸效應，很難模擬實際情況，具有一定的局限性；現場試驗，因影響因素過多，必須經過大量的試驗積累，才能找出規律。
2.2 理論計算方面 研究時基本將復合地基與路堤基礎相脫離，未考慮路堤填土——剛性墊層——復合地基——下臥層土體四者之間的應力及變形耦合；研究中采用的樁問土豎向位移模式，大多數做法是假定在樁長范圍內有一剛性位移，對解析計算的模型進行了簡化，這種簡化處理方法不能反映出樁土之間的力學機制。
2.3 數值模擬方面 ①材料本構問題由于土的突出非線性，到目前為止，還沒有找到可以體現土的各種特性的本構模型。采用不同的本構關系，計算結果不同。剛性樁、柔性樁、半柔半剛性樁的本構有較大的差別，但研究中大多數都視為線彈性體②計算模型建模時大都將樁假設成連續墻或板，將復合地基簡化成平面問題進行研究，而實際由于樁的存在，路基的力學性質在長度方向上不再有均勻性，這將影響數值模擬結果的真實性。③計算參數的選用現場土體的性質很不均勻，且各向異性，選取計算參數比較困難，實際計算時，往往對某一段范圍內土體進行簡化，一般按經驗公式取值，帶有隨意性，計算參數取值不同，計算結果也不同，這將影響數值模擬的可信度。④樁土接觸面的處理研究中大都沒有考慮樁土之間的相對滑動，仍采用剛性基礎下復合地基中樁和樁間土豎向變形相等的假設，不能反映路堤荷載下樁與樁間土的豎向不協調性及樁土之間的荷載傳遞規律。
3 今后研究工作的建議
3.1 數值分析與試驗相結合 單純應用數值分析和試驗研究都是行不通的，必須以數值分析與試驗研究相結合，進行優勢互補，依靠室內和現場試驗研究的驗證與反饋，走理論分析和經驗分析與實際相結合的道路。
3.2 理論計算方法的改進 柔性基礎下復合地基的荷載傳遞機理應當包括：基礎填土的拱效應、基礎的剛度效應、剛性墊層效應、樁土間差異沉降引起的荷載傳遞以及下臥層土體的支承作用五個部分。
3.3 提高數值模擬的可信度 ①應建立三維計算模型進行路堤和復合地基的三維數值模擬，使模擬結果更加真實。②為了更好地反映樁與土間的相互作用，真實模擬路堤荷載下樁與樁間土的豎向不協調性及樁土之間的荷載傳遞規律，應特別重視對樁土接觸面的模擬，需要在樁土之間設置接觸面單元。③選擇合理的材料本構。土的本構比較復雜，不同土的本構，往往針對某個問題才具有合理性，因此要根據所研究的問題靈活選用，必要時對土的本構關系進行修正。樁的本構關系應通過試驗確定，不能盲目的照搬經驗。
參考文獻：
[1]陳洪，等．不同剛度基礎下復合地基沉降變形性狀研究[J]．工業建筑，2008，33（11）：13-16．
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