1.1 研究背景

城市道路对于国民经济发展和城镇化建设起到了重要的拉动作用。随着我国社会以及经济的迅速发展、城市道路流量的增大以及建设单位对道路设计的要求的提高，显现出我国城市道路发展存在着多方面的问题，主要体现在道路容量不足，目前我国城市的人均道路面积不及发达国家的1/3。在城市道路框架基本建成的情况下，城市道路拓宽工程将成为今后一段时间内城市道路建设的主要内容。

我国沿海与沿江发达地区，地势低平，河湖较多，平原、水面占比高。华东、华南与华中等省的道路大多为路堤形式，由于线路的要求不可避免的穿越软土、膨胀土、冲填土等不良地质路段。道路拓宽工程对路堤变形与沉降的控制要求更为严格，新老路堤衔接与差异沉降控制是路堤拓宽工程中的关键问题^[1]。为了解决此问题，国内于1999年首次引入桩承式路堤（Piled Embankments）并应用于沪杭甬高速道路一期拓宽工程中^[2]。主要做法是在老路两侧或一侧采用桩承式路堤技术进行拼接，为了降低工程造价，在桩顶布置一层或多层土工合成材料加筋垫层，通过加筋垫层将路堤荷载传递到桩上，可大幅增加桩间距，减少桩体数目。这种采用了土工合成材料加筋垫层的路堤也称为桩承式加筋(GRPS)路堤^[3]，也是目前主流的桩承式路堤结构，新建桩承式路堤与拓宽工程中的桩承式路堤主要组件见图1。该技术在上世纪的八十年代的国外工程中便开始出现，特别适宜快速施工或对沉降有严格要求的工程项目^[4]。如荷兰的部分高速道路^[5]、巴西圣保罗北部的道路拓宽工程^[6]、英国伦敦Stansted 机场的铁路连接线加宽工程^[7]等。

图1 桩承式路堤技术在新建工程与拓宽工程中的应用

1.2 国内外研究现状

桩承式路堤既有水平向增强体（加筋垫层），又有竖向增强体（群桩），桩体承担了大部分荷载从而控制了新路堤的沉降，加筋垫层对土体的侧向限制作用和桩体的“隔离作用”降低了新路堤加载对老路堤的附加应力影响，从两方面有效控制了差异沉降的产生。另外，土工加筋的作用限制了路堤边坡的侧向滑移，提高了路堤完整性。同时，桩承式路堤技术可以大大提高建设进度，降低对老路通行的影响，提高经济效益和社会效益^[8~12]。因此，桩承式路堤已成为路堤拓宽工程中最为可靠的技术。然而，随着城市经济的高度发展，土地征用难度越来越大，征用费用逐年提高。为了节约土地资源，减少资源浪费，同时获得更好的拓宽加固效果，亟需对现有的拓宽工程加固技术进行改进。

对于桩承式路堤，竖向荷载传递是研究的重点，其主要依靠两种机制，即沉降差异导致的应力迁移现象“土拱效应”^[13]，以及土工格栅在竖向发挥表现为“兜提作用”的张拉膜效应^[14]。目前已有多种考虑土拱效应与张拉膜效应的桩承式路堤竖向荷载计算模型，这些模型可以分为三类。第一类模型可称之为等沉面模型，该模型英国规范BS8006-1^[15]为代表，该设计方法结合了等沉面模型与Marston和Anderson^[16]的地埋管试验成果；第二类模型可称之为刚体模型，以法国设计指南(ASIRI)^[17]采用的 “锥体扩散法”以及北欧^[18]采用的桩承式路堤计算方法为代表；第三类模型可称之为压拱理论模型，该模型由Hewlett和Randolph^[19]提出，德国规范EBGEO^[20]采用的多拱模型和荷兰规范CUR226^[21]中采用的同心圆模型都是该理论模型的代表。众多土拱效应模型显示出桩承式路堤荷载传递的复杂性，各方法均存在其应用范围，在一定条件下可能出现转化。侧向抗滑移则通过土工加筋拉膜效应控制^[15]。与新建工程中的桩承式路堤相比，道路拓宽工程中的桩承式路堤边界条件发生了改变，主要表现在路堤荷载分布的不对称性上。一部分路堤荷载作用在老路堤上方，而另一侧则为临空面。耿建宇^[22]认为，经桩网结构处治后，工后沉降最大值为无处治措施时的19%，且出现的位置由新路基坡脚附近转移至新旧路基顶面结合部所对应地表处。还出现了新路堤荷载作用范围内地基表面工后沉降大致为波浪状的情况。吕伟华等人^[23]认为由于拓宽路堤边坡的存在以及拓宽宽度有限，荷载重心偏向于新老路堤交界面。通过桩基处理及加筋处理，水平位移减小均显著，但加筋层数的增加对水平位移的减小并不明显。采用拓宽加固的路堤还出现拓宽路基范围内的工后沉降较小，而老路堤内沉降较大的情况，说明拓宽部位的地基处理能较好地减小工后变形，但在未处理的老路边坡以内仍存在的工后变形^[24]。对于老路基下的地基而言，随深度的增加水平位移先向路基中心线方向发展，当到一定深度时，开始远离路基中心线，并逐渐减小^[25]。土工格栅最大变形和最大拉力发生在桩帽边缘处，且老路坡脚桩桩帽边缘的格栅应力最大。而随着拓宽道路荷载的减小，外侧桩帽边缘的格栅应力逐渐减小，至拓宽路基坡脚桩，其桩帽边缘的格栅基本无拉膜效应^[24]。由此可知，采用传统的桩承式路堤拓宽方式(如图1b)，仍然存在：①加筋体横向约束不足，抗差异变形能力较差；以及②边桩竖向承载能力浪费的问题。

1.3 研究目的及意义