張彥明，呂 春，張學(xué)元，張 宇，王 麗

（齊齊哈爾大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

1 研究背景

高速鐵路是現(xiàn)代交通的重要組成部分，是衡量國家運(yùn)輸能力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，中國于2020年底已建成3.79 萬km 的高速鐵路運(yùn)營里程，基本形成了覆蓋人口密集區(qū)域的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也是世界上高速鐵路在建規(guī)模最大的國家。中國東西向和南北向跨度大，形成高速鐵路的運(yùn)輸距離較長，勢必會造成高速鐵路不可避免地穿越復(fù)雜多樣的地質(zhì)環(huán)境。為保證高速鐵路安全、快速、舒適的運(yùn)營條件，采用樁基對軟土地基進(jìn)行加固處理，可有效減小路基不均勻沉降，是目前快速填筑高速鐵路路堤較為安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的方式。由于樁和樁間土的剛度差異以及樁間土的固結(jié)作用，導(dǎo)致在上部路堤填土荷載和列車動力荷載作用下，樁和樁間土發(fā)生差異沉降，造成樁和樁間土之間承載不均，最終在上部路堤中形成土拱。

2 高速鐵路樁承式路基土拱效應(yīng)研究進(jìn)展

自1943 年，TERZAGHI[1]通過著名的Trapdoor 試驗(yàn)證實(shí)了土力學(xué)領(lǐng)域中土拱效應(yīng)的存在，并在對土拱應(yīng)力分布進(jìn)行描述的基礎(chǔ)上，得出了土拱效應(yīng)的存在條件。之后國內(nèi)外學(xué)者對高速鐵路樁承式路基的土拱效應(yīng)也進(jìn)行了一系列相應(yīng)研究。HEWLETT 等[2]通過試驗(yàn)提出了理論模型，認(rèn)為路基中的土拱形狀應(yīng)該是具有均勻厚度的半圓形狀的拱，并給出了土拱臨界破壞點(diǎn)在土拱中可能出現(xiàn)的位置，基于此研究結(jié)果求解出了樁土應(yīng)力比。費(fèi)康等[3]通過樁承式路基三維模型試驗(yàn)，得出路堤填土中應(yīng)力折減系數(shù)隨填料密度變化通過對比分析，驗(yàn)證了TERZAGHI 方法和HEWLETT&RANDOLPH 方法的適用性，并且通過有限元模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)一步分析了路堤填土的大主應(yīng)力方向和應(yīng)力水平與理論設(shè)計(jì)方法的差異，但有限元模擬中沒有計(jì)入填土內(nèi)摩擦角和剪脹角變化的影響，與實(shí)際工程情況存在一定差異。徐超等[4]通過縮尺模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)路堤填土的粘聚力對填土中的土拱效應(yīng)有增強(qiáng)作用，而于填土的成拱條件無關(guān)，并驗(yàn)證了樁承式加筋路堤中樁帽邊緣處的土壓力均大于樁帽中心處的土壓力，而試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械穆返烫钔梁偷鼗敛捎昧藛我煌馏w，并沒有考慮實(shí)際工程中土體的多樣性。費(fèi)康等[5-6]通過分別建立二維和三維有限元模型，對不同樁間距、填土高度和內(nèi)摩擦角的工況進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析，并對路堤填土的破壞模式進(jìn)行研究，基于此研究結(jié)果，建立了土拱效應(yīng)的二維和三維簡化分析方法，并與已有有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了簡化計(jì)算方法的可靠性。芮瑞等[7]通過建立砂填料樁承式路堤模型，分析了不同樁距比和不同填土高度工況下，砂填料樁承式路堤土拱效應(yīng)傳力機(jī)制，提出了初始三角拱力學(xué)計(jì)算模型。莊妍等[8]認(rèn)為軌枕、道床、底渣、基床以及樁體的本構(gòu)模型為純彈性，對路堤填料和樁間土采取單一土體，對高鐵荷載進(jìn)行簡化，建立了高鐵荷載作用下樁承式路堤三維有限元分析模型，分析了高鐵荷載作用下路基的動力響應(yīng)，研究了高鐵荷載作用下道床和路堤不同位置處的豎向位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，以及路基中速度與加速度沿深度的分布規(guī)律，得出結(jié)論：動載作用下土拱效應(yīng)依然存在，但有所減弱，最大動載作用下減弱程度最大，最小動載情況下有所恢復(fù)；樁間距和路堤高度對高鐵荷載作用下樁承式路堤中土拱效應(yīng)的影響較為明顯，而路堤填料內(nèi)摩擦角和剪脹角的影響則相對較小。王一楠等[9]提出了懸鏈線土拱計(jì)算模型，給出了在該計(jì)算模型下土拱高度及形態(tài)的求解方法，采用該方法計(jì)算所得土拱高度、土拱形態(tài)及樁頂應(yīng)力與實(shí)測結(jié)果吻合較好；周思危等[10]基于Trapdoor 試驗(yàn)研究了在不同填土高度、活動門下移和寬度以及砂料密度等因素影響下，砂土土拱效應(yīng)滑移面輪廓及演變模式的區(qū)別，提出了基于核心區(qū)幾何形狀的松動應(yīng)力計(jì)算方法。王衛(wèi)中等[11]在考慮土拱效應(yīng)的基礎(chǔ)上，將柔性長樁等效為剛性短樁，通過推導(dǎo)獲得了柔性單樁水平極限承載力的改進(jìn)計(jì)算方法，并將此方法計(jì)算結(jié)果與已有研究成果進(jìn)行比較，結(jié)果吻合較好。莊妍等[12]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和有限元相互印證的方法，說明了樁承式路堤顆粒流數(shù)值分析模型的可靠性，通過有限元分析，驗(yàn)證了平面土拱效應(yīng)中，內(nèi)外拱高度理論計(jì)算公式的正確性。通過改變路堤外荷載大小，分析路堤土拱效應(yīng)的發(fā)展規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)路堤頂施加荷載在10～40 kPa 之間時(shí)，土拱效應(yīng)相對穩(wěn)定，隨著荷載繼續(xù)增大，土拱效應(yīng)有所退化，并伴隨有新的土拱結(jié)構(gòu)形成。

總之，現(xiàn)有對高速鐵路樁承式路基土拱效應(yīng)的研究大多是進(jìn)行靜力作用下的試驗(yàn)分析和有限元模擬分析。其中，試驗(yàn)以縮尺模型為主，采用單一樁間土體和路堤填料，在試驗(yàn)過程中忽略了不同類型土層之間的相互作用，與現(xiàn)實(shí)工程條件存在差異；有限元分析過程中也會受計(jì)算機(jī)內(nèi)存和運(yùn)行性能影響，從而對有限元模型進(jìn)行了簡化，并且在模擬過程中忽略了樁間土的固結(jié)作用影響，樁土接觸面摩擦系數(shù)、土體內(nèi)摩擦角和其他土體參數(shù)保持不變，并沒有隨時(shí)間而變化，同樣會造成分析結(jié)果存在一定的誤差。

3 高速鐵路樁承式路基土拱效應(yīng)研究方法展望

中國幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，工程條件比較差的軟土在國內(nèi)廣泛分布，給安全性和穩(wěn)定性要求較高的高鐵路基建設(shè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，而樁基對軟土地基加固有較為明顯的作用。雙線高鐵荷載干擾、動荷載作用、樁間土的長期固結(jié)作用對樁承式路基土拱效應(yīng)的影響等方面還有大量的難題有待解決。如列車高速運(yùn)行下樁間土發(fā)生的固結(jié)沉降對土拱效應(yīng)的影響、雙線高鐵荷載干擾對土拱效應(yīng)的影響等。超重力模型試驗(yàn)可以提供列車動荷載作用下，樁間土固結(jié)對土拱效應(yīng)影響的試驗(yàn)環(huán)境，可人為控制時(shí)間進(jìn)程，在以往的試驗(yàn)中考慮時(shí)間效應(yīng)；有限元模擬可以實(shí)現(xiàn)雙線高鐵荷載對土拱效應(yīng)的影響分析，考慮列車之間的相對速度和相對距離等因素對土拱效應(yīng)的影響。

在試驗(yàn)過程中應(yīng)針對具體工程，考慮工程中實(shí)際土質(zhì)的復(fù)雜性和多樣性，計(jì)入不同土層間的相互作用對試驗(yàn)結(jié)果的影響，并且不能忽略時(shí)間效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響，在高速鐵路樁承式路基土拱效應(yīng)研究中，尤其要考慮樁間土的固結(jié)作用以及高速列車多次循環(huán)通行對土拱效應(yīng)所帶來的影響?？紤]時(shí)間效應(yīng)的試驗(yàn)方法有3 種：①試驗(yàn)與真實(shí)工程相結(jié)合，在列車的實(shí)際運(yùn)行過程中不斷獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析土拱效應(yīng)在列車動荷載和樁間土體固結(jié)作用下的變化機(jī)制。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和對實(shí)際工程的指導(dǎo)作用方面看，此種方法最為理想，但所需人力、物力及時(shí)間成本較大，所需時(shí)間動輒數(shù)年，甚至數(shù)十年。②應(yīng)用超重力試驗(yàn)裝置，加速時(shí)間效應(yīng)在高鐵路基土拱效應(yīng)試驗(yàn)中的作用，以達(dá)到與方法①相同的結(jié)果，可節(jié)約大量的時(shí)間成本，但就目前而言，此方法受試驗(yàn)裝置限制，還不能得以實(shí)現(xiàn)。③考慮用實(shí)際試驗(yàn)與有限元模擬相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)將時(shí)間效應(yīng)施加在實(shí)際試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)中，在具體試驗(yàn)過程中，充分考慮實(shí)際工程情況，尤其是土質(zhì)的復(fù)雜多樣性和各種情況下荷載工況的真實(shí)性，在有限元模擬的過程中考慮試驗(yàn)的時(shí)間效應(yīng)；將通過具體試驗(yàn)取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于有限元模型的建立過程當(dāng)中，將有限元模擬作為試驗(yàn)的延續(xù)，來考慮時(shí)間效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響。此方法將具體工程試驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合，發(fā)揮了試驗(yàn)接近真實(shí)工程情況和有限元節(jié)約成本的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也彌補(bǔ)了各自的不足之處，是目前在試驗(yàn)過程中考慮時(shí)間效應(yīng)較為理想的研究方法。

相較于試驗(yàn)，有限元模擬方法操作方便、節(jié)約成本、可對實(shí)際工程情況中可能出現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，能夠起到指導(dǎo)實(shí)際工程的作用；但受到計(jì)算機(jī)性能和軟件發(fā)展水平等各方面因素的影響，在對實(shí)際工程進(jìn)行有限元分析時(shí)，往往需要對模型進(jìn)行簡化，忽略一些次要因素，而各種被忽略因素的疊加效果通常會使得模擬結(jié)果與實(shí)際工程數(shù)據(jù)存在一定偏差，甚至錯(cuò)誤。為能使有限元模擬方法更好應(yīng)用于高速鐵路樁承式路基土拱效應(yīng)方面的研究，可用以下2 種方法對所建模型進(jìn)行驗(yàn)證，具體是：①可以實(shí)際工程為依托，以實(shí)際工程中的土體參數(shù)、樁體參數(shù)、樁土界面參數(shù)和荷載參數(shù)為基礎(chǔ)，并考慮其復(fù)雜性，來建立有限元分析模型，用實(shí)際工程測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證建立模型的正確性，②以已有可靠的有限元模擬分析結(jié)果為依據(jù)，進(jìn)行所需模型的建立，并用已有模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)驗(yàn)證所建模型的可行性，分析所得結(jié)果誤差是否在所要研究內(nèi)容的可接受范圍內(nèi)。通過以上2 種方法對所建模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證后，根據(jù)所研究內(nèi)容的需要，改變模型中各部分參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對所需研究工況進(jìn)行模擬分析，從而達(dá)到較為準(zhǔn)確的預(yù)測效果。

針對實(shí)際工程進(jìn)行試驗(yàn)和有限元模擬，都是高速鐵路樁承式路基土拱效應(yīng)研究過程中2 種主要方法，在方法的選取過程中，要根據(jù)具體的試驗(yàn)條件和實(shí)際研究情況，合理選擇能夠較為準(zhǔn)確達(dá)到分析目的的研究方法，盡可能將2 種研究方法相結(jié)合，相互印證，確保研究結(jié)果真實(shí)有效，發(fā)揮2 種研究方法的優(yōu)勢，避免不足。同時(shí)，2 種研究方法應(yīng)該和理論研究相結(jié)合，注重對試驗(yàn)結(jié)果以及有限元分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，實(shí)現(xiàn)從試驗(yàn)現(xiàn)象或者模型現(xiàn)象到理論公式或者理論規(guī)律的上升。

4 結(jié)語

樁承式路基作為軟土路基的主要加固形式，在高速鐵路軟土路基處理中具有不可替代的地位。研究其在靜力荷載和高速列車動力荷載作用下的受力性能和土拱效應(yīng)，對高速列車的安全平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義。

靜力荷載作用下，路堤填土的粘聚力對填土中的土拱效應(yīng)有增強(qiáng)作用，而與填土的成拱條件無關(guān)，樁承式加筋路堤中樁帽邊緣處的土壓力均比樁帽中心處的土壓力大；動力荷載對土拱效應(yīng)有所減弱，在最大動力荷載作用下減弱程度最大，最小動力荷載下則有所恢復(fù)；樁間距和路堤高度對高鐵荷載作用下樁承式路堤中土拱效應(yīng)有明顯影響，而路堤填料內(nèi)摩擦角和剪脹角的影響則相對較小。