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摘要：综述了国内外关于桩承式加筋复合路堤（GRPS路堤）中桩土应力比的研究成果，并进行了相应的分析与讨论。分析表明：桩土应力比是GRPS路堤设计中需考虑的一个重要参数；许多研究者提出了许多桩土应力比的计算方法，但各方法间计算结果差异较大；桩土应力比的影响因素较多，设计中可按桩体的刚性程度大致确定桩土应力比大小；分析与结论为今后GRPS路堤研究提供有益的方向。
關键字：GRPS； 复合路基； 桩土应力比；进展
Abstract: This paper sum up the pile reinforced composite embankment (the GRPS embankment) the pile-soil stress ratio of research results. Analysis showed that: the pile-soil stress ratio is an important parameter to be considered in the GRPS embankment design; many researchers have proposed many pile-soil stress ratio calculated, but the calculated results between the various methods different; the PILES the impact factor more rigid according to the pile design largely determine the pile-soil stress than the size; analysis and conclusions for GRPS embankments research in the future provide useful direction.Key words: GRPS; composite subgrade; PILES; progress
中图分类号：TU74文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）05-0020-02
1引言
桩承式加筋土复合路堤(桩-网复合路堤)，或称GRPS(geosynthetic reinforced pile supported)路堤，由路堤填料、水平加筋体、桩体以及地基土组成，是近些年在软土地区发展起来的一种新型路堤形式。自1975年日本北海道一堤岸改造工程[1]首次运用后， GRPS路堤已陆续应用于软土地基处理、旧路拓宽、桥台过渡段处理、分段挡土墙、油罐地基处理[2]等实际工程。
相比于单一型式的复合地基[3]，即水平向增强体型或竖向增强体型,GRPS路堤兼具上述两种加固型式之长，既可以满足承载力要求，又能有效的控制路堤产生的不均匀沉降[4-5]。该方法优点如下：（1）路堤荷载通过桩体向深层地基传递，路堤总沉降及工后沉降较小；（2）加筋垫层使路堤不均匀沉降减小、整体稳定性提高；（3）相比堆载预压等地基处理方法，路堤无需分期填筑，缩短工期。此外，根据Han等[6]的研究，GRPS路堤中桩体置换率为10%~20%，远低于常规桩承式路堤中桩体置换率（30%~70%），具有明显经济优势。
由于GRPS路堤涉及到桩体、加筋垫层、路堤填料以及地基土的相互关系，使得荷载传递机理与常规桩承式路堤有较大区别，而目前的设计及理论均不成熟，远滞后于工程运用。本文拟通过笔者对国内外研究进展中桩土应力比确定的问题进行总结分析，并在此基础上提出今后可供研究的发展方向，期望为今后类似课题的研究提供参考。
2GRPS路堤荷载传递机理描述
2.1GRPS路堤组成
GRPS路堤组成如图1所示，包括：上部路基填料；土工合成材料；砂石垫层；桩土复合地基加固区；桩底下卧持力层。通常为了更好的发挥桩土共同作用的效果，需要在桩顶处设置桩帽，若桩身体积较大时，可不设置桩帽[15]。此外，砂垫层中可按工程需要铺设一层或多层土工合成材料。
2.2GRPS路堤荷载传递机理
GRPS路堤是一种“桩－垫层－土协同作用、桩和土共同承载路堤荷载的人工地基[1]。由于桩与桩间土抗压强度的差异，桩上部路堤与桩间土上部路堤间产生差异沉降，而路堤中会产生抵抗差异沉降趋势的剪应力，从而将路堤荷载传递给桩顶，此即路堤的土拱效应[7]，如图2所示。研究表明，差异沉降会随着路堤高度的增加而逐渐减少，当路堤高度到一定程度是，差异沉降几乎消失，形成等沉面[17],通常为了有效发挥土拱效应的作用，路堤高度至少应高于1.4~1.6倍桩间距[8,17]。
此外，GRPS路堤的荷载传递机理还包括土工合成材料的拉膜效应和应力集中效应[9]。由于桩间土的差异沉降，土工合成材料会产生一定拉伸变形，并可承受一定竖向荷载，并通过拉力的垂直分量将部分路堤荷载传递到桩体，在桩体上形成应力集中，这就是土工合成材料拉膜效应（或称褥垫层承台效应）。如图3所示。
3桩土应力比的现有计算方法
桩土应力比，即桩与桩间土平均应力的比值，是反映土拱效应、土工材料拉膜效应发挥作用的一个重要参数，直接体现了桩-土共同作用分担路堤荷载的程度。现有的设计方法仍处于经验阶段，设计中估算承载力和沉降时,绝大多数公式都包含桩土应力比这一重要参数[23]，故桩土应力比的确定一直是设计人员非常关心的问题。
近二十年来，英国、北欧和德国等少数国家的规范中相继列入GRPS路堤加筋垫层所受荷载的计算方法[8,10]，再通过与路堤总荷载的关系即可求出桩土应力比。此外，许多学者也通过实验及数值分析等方法对桩土应力比进行了研究并提出了不同计算方法，分述如下。
3.1英国BS8006规范[8]
英国BS8006规范提出，在不考虑路堤填料压缩性的前提下，认为应按桩帽尺寸和桩间土拱形成程度计算作用在加筋垫层上的荷载WT
（1）
规范还指出，路堤高度应大于土拱的最小高度Hc=1.4(s-a)，其中s为桩中心距，a为桩帽宽。
3.2北欧Nordic手册[10]
北欧手册的计算模型采用楔形拱假设，将作用在桩间土上的荷载都等于楔形体的土重，不考虑外荷的影响。则土楔形体的土重为
（2）
3.3德国DBGEO规程[10]
德国规程假设土拱为桩撑起的半球拱并进行计算。则作用在加筋垫层上的平均应力的计算公式如下，式中各参数意义详见文献[10]。
（3）
3.4其他计算方法
Jones等[11]根据Terzaghi的沟渠式土拱模型给出了桩土应力比经验公式, 饶为国[1]在Jones的研究基础上改进了桩土应力比的计算公式，但是他们在分析时都没考虑路堤各组成部分间的相互作用。谭慧明等[12]考虑筋材的拉膜效应，基于薄板小挠度理论、路堤填料与垫层间变形协调关系，给出桩土应力比求解方法。陈昌富等[13]通过建立内外土柱受力变形模型和引入剪切位移法研究了水平加筋体的变形和应力传递规律，并基于内土柱微元体力平衡条件，推导出了桩土应力比计算公式。
4桩土应力比的影响因素研究
现有的桩土应力比计算方法大多基于特定假设，并作相应简化，故通常计算结果相差很大[10,14]。为了更好的确定桩土应力比，许多学者通过实验以及数值模拟对桩土应力比的影响因素进行了研究。
Han[6]从概念上提出桩土应力比与桩土相对位移有关，但并没有做进一步研究。费康等[15]的研究表明，桩土应力比随路堤高度和桩身模量的增加而增加。Pham等[16]和曹卫平等[17]研究后得出结论，水平加筋体强度对桩土应力比影响较小。此外，曹衛平等[17]还利用实验证明，相同路堤高度及桩帽尺寸情况下，桩间越大，桩土应力比越小。程爱军等[18]发现，桩体置换率以及桩帽尺寸会显著提高桩土应力比。陈昌富[14]等论证了Han的想法，并指出除了上述影响因素外，桩土应力比还与路堤填料的粘聚力c、内摩擦角φ以及水平加筋体层数有关。连锋等[19]认为格栅下部的桩土应力比大要比于格栅上部的大，设计时应采用格栅下部的桩土应力比。
此外，徐林荣等[20]、曹卫平等[17]、刘俊新等[21]通过实验发现：随着路堤荷载与时间的增加，路堤上部荷载逐渐从桩间土向桩顶转移，桩土应力比不断增大，待进入恒载期后，趋于稳定。根据桩土刚度的不同，可将复合地基中的桩体分为刚性桩与非刚性桩 [1]，根据一些研究[20-23]表明，采用不同非刚性桩的GRPS路堤，桩土应力比后期平均值大约为3.0~4.5；而对于采用刚性桩的GRPS路堤，通常桩土应力比都不小于10，或者更大[15,19]。
目前的桩土应力比的影响因素研究，多以数值模拟以及现场实验为主，并取得了一定成果，但基于不同工况及模拟条件，所得结果往往不尽相同，甚至得到相反的情况，如文献[14] 与文献[18]对于路堤填料的内摩擦角φ对桩土应力比的影响持相反意见，而水平加筋体的影响，文献[2]与文献[17]的结论也相反。故设计人员在运用上述研究成果时，还应根据实际情况与经验做出调整。
5结论与展望
通过对国内外研究现状的分析可发现，现有研究及设计方法均存在诸多假定，且大多将土拱效应及拉膜效应分开单独考虑，并没有真实反映路堤填料、桩、地基、土工合成材料的相互作用以及其对GRPS路堤性状的影响，故GRPS路堤桩土应力比的确定存在较大争议，导致目前GRPS路堤的设计仍处于经验阶段，标准不一。笔者建议，相关部门不妨基于不同布桩形式、施工工艺条件下GRPS路堤实例的实测数据统计，尽快出台可供查询参照的经验规范。
此外，由于GRPS路堤大多用于公路、铁路建设中，路面的交通荷载已不再属于静荷载范畴，故有必要对动荷载作用下GRPS路堤的工作机理、变形沉降规律等方面进行研究。目前在动荷载 (如交通荷载、地震荷载等) 作用下的桩承式复合地基的研究已取得一定成果[24-25]，但笔者检索了国内近10多年来有关GRPS路堤的文献，发现考虑动荷载作用的研究极少 [26-27]，相关研究开展较晚，关于动荷载对于GRPS路堤影响究竟有多大，是否需要列入设计考虑，还有待进一步研究。
参考文献:
[1]饶为国. 桩一网复合地基原理及实践[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2004.
[2]Han J, Gabr M A. Numerical analysis of geosynthetic-reinforced and pile-supported earth platforms over soft soil[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2002, 128(1): 44-53.
[3]龚晓南. 复合地基理论及工程应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002.
[4]芮瑞, 夏元友. 桩-网复合地基与桩承式路堤的对比数值模拟[J]. 2007, 29(5): 769-772.
[5]崔溦, 闫澍旺. 水泥土桩联合土工格栅复合地基的离心模型试验研究[J]. 岩土力学, 2008, 29(5): 1315-1319.
[6]Han, J, Design and construction of embankments on geosynthetic reinforced platforms supported by piles[C]. Proceedings of 1999 ASCR/PaDOT Geotechnical Seminar, Central Pennsylvania Section, Hershey, 1999. 64-84.
[7]LOW B K, TANG S K, CHOA V. Arching in piled embankments[J]. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 1993, 120(11): 1917-1938.
[8]British Standard 8006. Strengthened//reinforced soils and other fills[S]. London: British Standard Institute.
[9]Hart J, Akins K. Use of geogrid-reinforced and pile-supported earth structures[C]. Proceeding of International Deep Foundation Congress. Orlando, ASCE, 2002. 668-679.
[10]周镜, 叶阳升, 蔡德钩. 国外加筋垫层桩支承路基计算方法分析[J]. 中国铁道科学, 2007, 28(2): 1-6.
[11]Jones C J, Lawson C R, Ayres D J. Geotextile reinforced piled embankments[C]. Geotextile Gemembranes and Related Products, Balkema: Rotterdam, 1990. 155-159.
[12]谭慧明, 刘汉龙. 桩承加筋路堤中路堤与褥垫层共同作用理论分析[J]. 岩土力学, 2008, 29(8): 2271-2276.
[13]陈昌富, 周志军. 桩承式多层水平加筋复合地基受力与变形分析[J]. 公路交通科技, 2009, 26(6): 29-34.
[14]徐正中, 陈仁朋, 陈云敏. 软土层未打穿的桩承式路堤现场实测研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(11): 2336-2441.
[15]费康, 刘汉龙, 高玉峰. 路堤下现浇薄壁管桩复合地基工作特性分析[J]. 岩土力学, 2004, 25(9): 1390-1396.
[16]Pham H T V, Suleiman M T, White D J. Numerical Analysis of Geosynthetic-Rammed Aggregate Pier Supported Embankments[C]. Proceedings of GeoTrans, 2004
[17]曹卫平, 陈仁朋, 陈云敏. 桩承式加筋路堤土拱效应试验研究[J]. 岩土工程学报, 2007, 29(3): 436-441.
[18]程爱君, 方杭玮, 杨宇. 路堤下桩承式水平加筋复合地基桩土应力比分析[J]. 铁道建筑, 2009, (11): 51-55.
[19]连峰, 龚晓南, 崔诗才, 等. 桩-网复合地基承载性状现场试验研究[J]. 岩土力学, 2009, 30(4): 1057-1062.
[20]徐林荣, 牛建东, 吕大伟, 等. 软基路堤桩-网复合地基试验研究[J]. 岩土力学, 2007, 28(10): 2149-2160.
[21]刘俊新, 谢强, 文江泉, 等. 粉喷桩-土工格栅复合地基应力现场测试研究[J]. 岩土力学, 2007, 28(2), 376-380.
[22]张良, 罗强, 陈亚美, 等. 桩网结构路基承载特性的现场试验研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(12): 3793-3800.
[23]曹新文, 卿三惠, 周立新. 桩网复合地基土工格栅加筋效应的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(增1): 3163-3167.
[24]熊辉, 邹银生. 群桩(土)-承台-结构的动力相互作用分析[J]. 工程力学, 2004, 21(4): 75-80.
[25]白顺果, 侯永峰, 张鸿儒. 循环荷载作用下水泥土桩复合地基变形形状分析[J]. 岩土力学, 2006, 27(4): 677-680.
[26]焦栋梁. 循环荷载下桩承加筋土复合地基模型试验研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2010.
[27]秦旗, 梁波, 韩仙华. 地震荷载下无碴轨道桩网路基的动力响应分析. 兰州交通大学学报, 2008, 27(3):33-36.
關键字：GRPS； 复合路基； 桩土应力比；进展
Abstract: This paper sum up the pile reinforced composite embankment (the GRPS embankment) the pile-soil stress ratio of research results. Analysis showed that: the pile-soil stress ratio is an important parameter to be considered in the GRPS embankment design; many researchers have proposed many pile-soil stress ratio calculated, but the calculated results between the various methods different; the PILES the impact factor more rigid according to the pile design largely determine the pile-soil stress than the size; analysis and conclusions for GRPS embankments research in the future provide useful direction.Key words: GRPS; composite subgrade; PILES; progress
中图分类号：TU74文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）05-0020-02
1引言
桩承式加筋土复合路堤(桩-网复合路堤)，或称GRPS(geosynthetic reinforced pile supported)路堤，由路堤填料、水平加筋体、桩体以及地基土组成，是近些年在软土地区发展起来的一种新型路堤形式。自1975年日本北海道一堤岸改造工程[1]首次运用后， GRPS路堤已陆续应用于软土地基处理、旧路拓宽、桥台过渡段处理、分段挡土墙、油罐地基处理[2]等实际工程。
相比于单一型式的复合地基[3]，即水平向增强体型或竖向增强体型,GRPS路堤兼具上述两种加固型式之长，既可以满足承载力要求，又能有效的控制路堤产生的不均匀沉降[4-5]。该方法优点如下：（1）路堤荷载通过桩体向深层地基传递，路堤总沉降及工后沉降较小；（2）加筋垫层使路堤不均匀沉降减小、整体稳定性提高；（3）相比堆载预压等地基处理方法，路堤无需分期填筑，缩短工期。此外，根据Han等[6]的研究，GRPS路堤中桩体置换率为10%~20%，远低于常规桩承式路堤中桩体置换率（30%~70%），具有明显经济优势。
由于GRPS路堤涉及到桩体、加筋垫层、路堤填料以及地基土的相互关系，使得荷载传递机理与常规桩承式路堤有较大区别，而目前的设计及理论均不成熟，远滞后于工程运用。本文拟通过笔者对国内外研究进展中桩土应力比确定的问题进行总结分析，并在此基础上提出今后可供研究的发展方向，期望为今后类似课题的研究提供参考。
2GRPS路堤荷载传递机理描述
2.1GRPS路堤组成
GRPS路堤组成如图1所示，包括：上部路基填料；土工合成材料；砂石垫层；桩土复合地基加固区；桩底下卧持力层。通常为了更好的发挥桩土共同作用的效果，需要在桩顶处设置桩帽，若桩身体积较大时，可不设置桩帽[15]。此外，砂垫层中可按工程需要铺设一层或多层土工合成材料。
2.2GRPS路堤荷载传递机理
GRPS路堤是一种“桩－垫层－土协同作用、桩和土共同承载路堤荷载的人工地基[1]。由于桩与桩间土抗压强度的差异，桩上部路堤与桩间土上部路堤间产生差异沉降，而路堤中会产生抵抗差异沉降趋势的剪应力，从而将路堤荷载传递给桩顶，此即路堤的土拱效应[7]，如图2所示。研究表明，差异沉降会随着路堤高度的增加而逐渐减少，当路堤高度到一定程度是，差异沉降几乎消失，形成等沉面[17],通常为了有效发挥土拱效应的作用，路堤高度至少应高于1.4~1.6倍桩间距[8,17]。
此外，GRPS路堤的荷载传递机理还包括土工合成材料的拉膜效应和应力集中效应[9]。由于桩间土的差异沉降，土工合成材料会产生一定拉伸变形，并可承受一定竖向荷载，并通过拉力的垂直分量将部分路堤荷载传递到桩体，在桩体上形成应力集中，这就是土工合成材料拉膜效应（或称褥垫层承台效应）。如图3所示。
3桩土应力比的现有计算方法
桩土应力比，即桩与桩间土平均应力的比值，是反映土拱效应、土工材料拉膜效应发挥作用的一个重要参数，直接体现了桩-土共同作用分担路堤荷载的程度。现有的设计方法仍处于经验阶段，设计中估算承载力和沉降时,绝大多数公式都包含桩土应力比这一重要参数[23]，故桩土应力比的确定一直是设计人员非常关心的问题。
近二十年来，英国、北欧和德国等少数国家的规范中相继列入GRPS路堤加筋垫层所受荷载的计算方法[8,10]，再通过与路堤总荷载的关系即可求出桩土应力比。此外，许多学者也通过实验及数值分析等方法对桩土应力比进行了研究并提出了不同计算方法，分述如下。
3.1英国BS8006规范[8]
英国BS8006规范提出，在不考虑路堤填料压缩性的前提下，认为应按桩帽尺寸和桩间土拱形成程度计算作用在加筋垫层上的荷载WT
（1）
规范还指出，路堤高度应大于土拱的最小高度Hc=1.4(s-a)，其中s为桩中心距，a为桩帽宽。
3.2北欧Nordic手册[10]
北欧手册的计算模型采用楔形拱假设，将作用在桩间土上的荷载都等于楔形体的土重，不考虑外荷的影响。则土楔形体的土重为
（2）
3.3德国DBGEO规程[10]
德国规程假设土拱为桩撑起的半球拱并进行计算。则作用在加筋垫层上的平均应力的计算公式如下，式中各参数意义详见文献[10]。
（3）
3.4其他计算方法
Jones等[11]根据Terzaghi的沟渠式土拱模型给出了桩土应力比经验公式, 饶为国[1]在Jones的研究基础上改进了桩土应力比的计算公式，但是他们在分析时都没考虑路堤各组成部分间的相互作用。谭慧明等[12]考虑筋材的拉膜效应，基于薄板小挠度理论、路堤填料与垫层间变形协调关系，给出桩土应力比求解方法。陈昌富等[13]通过建立内外土柱受力变形模型和引入剪切位移法研究了水平加筋体的变形和应力传递规律，并基于内土柱微元体力平衡条件，推导出了桩土应力比计算公式。
4桩土应力比的影响因素研究
现有的桩土应力比计算方法大多基于特定假设，并作相应简化，故通常计算结果相差很大[10,14]。为了更好的确定桩土应力比，许多学者通过实验以及数值模拟对桩土应力比的影响因素进行了研究。
Han[6]从概念上提出桩土应力比与桩土相对位移有关，但并没有做进一步研究。费康等[15]的研究表明，桩土应力比随路堤高度和桩身模量的增加而增加。Pham等[16]和曹卫平等[17]研究后得出结论，水平加筋体强度对桩土应力比影响较小。此外，曹衛平等[17]还利用实验证明，相同路堤高度及桩帽尺寸情况下，桩间越大，桩土应力比越小。程爱军等[18]发现，桩体置换率以及桩帽尺寸会显著提高桩土应力比。陈昌富[14]等论证了Han的想法，并指出除了上述影响因素外，桩土应力比还与路堤填料的粘聚力c、内摩擦角φ以及水平加筋体层数有关。连锋等[19]认为格栅下部的桩土应力比大要比于格栅上部的大，设计时应采用格栅下部的桩土应力比。
此外，徐林荣等[20]、曹卫平等[17]、刘俊新等[21]通过实验发现：随着路堤荷载与时间的增加，路堤上部荷载逐渐从桩间土向桩顶转移，桩土应力比不断增大，待进入恒载期后，趋于稳定。根据桩土刚度的不同，可将复合地基中的桩体分为刚性桩与非刚性桩 [1]，根据一些研究[20-23]表明，采用不同非刚性桩的GRPS路堤，桩土应力比后期平均值大约为3.0~4.5；而对于采用刚性桩的GRPS路堤，通常桩土应力比都不小于10，或者更大[15,19]。
目前的桩土应力比的影响因素研究，多以数值模拟以及现场实验为主，并取得了一定成果，但基于不同工况及模拟条件，所得结果往往不尽相同，甚至得到相反的情况，如文献[14] 与文献[18]对于路堤填料的内摩擦角φ对桩土应力比的影响持相反意见，而水平加筋体的影响，文献[2]与文献[17]的结论也相反。故设计人员在运用上述研究成果时，还应根据实际情况与经验做出调整。
5结论与展望
通过对国内外研究现状的分析可发现，现有研究及设计方法均存在诸多假定，且大多将土拱效应及拉膜效应分开单独考虑，并没有真实反映路堤填料、桩、地基、土工合成材料的相互作用以及其对GRPS路堤性状的影响，故GRPS路堤桩土应力比的确定存在较大争议，导致目前GRPS路堤的设计仍处于经验阶段，标准不一。笔者建议，相关部门不妨基于不同布桩形式、施工工艺条件下GRPS路堤实例的实测数据统计，尽快出台可供查询参照的经验规范。
此外，由于GRPS路堤大多用于公路、铁路建设中，路面的交通荷载已不再属于静荷载范畴，故有必要对动荷载作用下GRPS路堤的工作机理、变形沉降规律等方面进行研究。目前在动荷载 (如交通荷载、地震荷载等) 作用下的桩承式复合地基的研究已取得一定成果[24-25]，但笔者检索了国内近10多年来有关GRPS路堤的文献，发现考虑动荷载作用的研究极少 [26-27]，相关研究开展较晚，关于动荷载对于GRPS路堤影响究竟有多大，是否需要列入设计考虑，还有待进一步研究。
参考文献:
[1]饶为国. 桩一网复合地基原理及实践[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2004.
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[18]程爱君, 方杭玮, 杨宇. 路堤下桩承式水平加筋复合地基桩土应力比分析[J]. 铁道建筑, 2009, (11): 51-55.
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