桩网式路堤的受力机理与传统的复合地基有相似之处,即上部路堤荷载由桩、土共同承担。但也有明显的不同点,主要是桩网系统承受了大部分荷载,而且桩柱系统的承载比越大,效果就越好。这里的一个核心问题就是在路堤中开成了土拱效应。这种土拱效应是由于桩网系统中采用大直径的路堤桩,在桩顶设置了桩承板,而在其上铺设了高强度的土工合成材料,形成加筋层而引起的,其结构如图11.36所示。土堤的荷载首先通过土工材料的加筋层,该加筋层的张力膜效应承担了一部分荷重,同时,土拱效应把土堤的大部分荷重通过桩承报传递至桩上,并传至更深的持力层中去,从而使作用于桩间土的荷载大大减轻如图11.39所示。于是地基的沉降和不均匀沉降问题得到控制,而且它还具有工期短、造价低,质量也容易保证的优点。关于土拱效应的机理,当路堤刚填筑完成时,路堤荷重均匀地作用在桩网结构和桩间土上,由于桩的压缩性小,故桩间土的沉降量大于桩顶的沉降量,在桩与土之间产生了沉降差,于是桩间土与桩顶之上的填土之间形成了相对滑移面。并使桩间土上部填土对桩顶上的填土产生了一个向下的拖曳力,于是桩间土上部填土荷重就将自身的部分荷载转移到桩顶上部的填土上,并进而传到桩上,这就是土拱效应。但是这种拱效应的形成是有一定条件的,若土堤的高度不够高,路堤中不能形成完整的土拱,使得路堤顶面出现较大的差异沉降(图11.40),当路堤较高可以形成完整的土拱时,路堤中存在等沉面,差异沉降就小(图11.41)。因此,应当进行合理的设计。一般说来,土堤高度至少有桩间距,才能保证拱效应形成。
图11.39 路堤土拱示意
图11.40 不完整的土拱(www.xing528.com)
图11.41 完整的土拱
由于土拱效应,使桩网承受了大部分的荷重,其分担的比例大些为好。为此,路堤最好采用内摩擦角较大的粗粒土或碎石。当路堤填料的Φ=30°。承荷板宽度与桩间距的比值为δ=1/4时,桩体荷载分担份额只有40%左右,但当δ=1/3,分担份额为60%,而当δ=1/2时,荷载分担达80‰,研究表明,路堤高度与桩梁净间距之比越大,桩土应力比越大;桩梁宽度与桩梁净间距之比越大,桩土应力比也越大。此外,水平加筋体对桩土应力比也有影响,水平加筋体柱伸强度较小时,桩土应力比的提高不明显,反之,则影响越显著(曹卫平等,2006)。
当桩间距与路堤高度之比在时,桩体承荷比在80%~61%;当大于80%时,桩体承荷达72%。关于桩土相对刚度的影响,当桩土相对刚度较小时,其值的增加对桩土分担比的提高很显著,而当桩土相对刚度较大时,桩土相对刚度的增加效果就不很显著了。分担比还与承荷托板的大小有关,托板增大或桩间距减小,分担比就会增大。但桩托板置换率取在14%~22%比较经济合理。这时分担比在60%~70%左右。土工格栅使用时,上述的分担比使在65%左右,变化不大。
总之,软土地基作用荷载的减小,是基于下列两个因素:①桩的刚度高于周围土的刚度,形成土拱;②土工合成材料加筋层存在变形,这种变形使土要材料产生膜效应,导致软土地基作用的荷载减小。同时,加筋层所受的荷载最终也要传到桩上。
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