新旧并排组合桩板墙协同作用机理模型试验研究

祁永福 马学宁

兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070

对于铁路既有线的改建以及新增二线，由于既有桩无法安全承担新增线路荷载，且受临近道路施工地域条件限制，所以需要增设新桩进行支挡防护。新旧并排组合桩板墙是一种基于桩板墙的新型支挡结构，是由既有桩板墙与新建桩板墙通过协同作用，共同承担上部路基土体的土压力以及线路荷载。

国内外对铁路既有支挡工程病害破坏机理和治理措施的研究较多，对基于工程模型试验及有限元数值模拟下的新旧组合支挡结构协同作用的设计计算与受力分析、新旧组合支挡结构协同作用工后应力应变发展规律的研究较少。Madhumathi 等［1］通过控制变量的方法，变化桩板墙间距、桩数、群桩配置、桩身刚度，分析松散砂土中被动桩的力学响应。李怀珠［2］通过计算桩板墙内力，将挡土板简化为简支板，垂直桩板墙取墙后最大土压力作为挡土板的承压荷载，桩仍然按照抗滑桩进行计算。曾新平［3］通过理论方法对抗滑桩与挡土墙的联合支挡结构进行计算，利用数值模拟进行验证。刘滨源［4］利用理论方法对悬臂式抗滑桩与抗滑桩-挡土墙的组合支挡结构以及两种单独结构进行受力计算，结合数值模拟分析出组合结构的优点。

本文依托并排组合桩板墙实际项目，设计模型试验来模拟不同试验参数下的工况。通过对填筑完成后的模型进行加载，研究不同新桩截面尺寸下组合支挡结构的受力变形、不同组合方式下既有桩与新桩协同作用的效果等。

1 模型试验概况

中兰客运专线引入兰州枢纽为中卫至兰州铁路同期建设的配套工程，新建三四线正线从福利区站引出。路基施工全部临近既有线，施工过程中将会对既有支挡结构以及邻近市政道路产生不可知的影响。为不影响道路正常运行，需在既有支挡工程范围以内设置新支挡工程收坡，因此出现了新旧支挡联合工作的情况［5］。

1.1 模型试验相似理论准则

实际项目中桩体材料选用C40钢筋混凝土。桩截面尺寸2.0 m×1.5 m，既有桩和新桩桩长分别为18 m和24 m。桩与桩之间的悬臂部分设挡土板，材料与桩体一致，桩间距为6 m，挡土板高0.5 m，厚0.4 m。

模型试验基于相似理论，通过几何和材料的相似性，按照一定的缩尺比例将原型结构利用模型模拟出来［6］。设计模型试验时，模型的各项参数都应满足相似要求。根据相似理论建立与应力σ和位移U相关的函数关系［7］，即

式中：F为荷载；E为弹性模量；ν为泊松比；γ为重度；φ为内摩擦角；l为长度；A为截面面积。

根据原型与模型的力学响应相似，可以得到

式中：下标的p、m分别代表原型和模型。

按照相似理论准则推导出各项参数的相似比C，见表1。

表1 模型相似比

1.2 试验模型箱

试验模型箱的框架采用角钢焊接而成，尺寸为100 cm（长）×50 cm（宽）×80 cm（高），模型箱四周和底部为有机玻璃。

1.3 试验材料选用

模型试验所用土样为过2 mm 筛的中粗砂，土样的基本力学参数为：最大干密度ρdmax= 1.92 g/cm3，内摩擦角φ=32°，黏聚力c=0，按压实系数K=0.9控制模型中土的密度。

既有模型桩长40 cm，截面尺寸为2.0 cm×1.5 cm，埋入土体内深为22 cm，悬臂段18 cm；新增模型桩长64 cm，采用三种不同截面尺寸，分别为1.5 cm×1.0 cm、2.0 cm × 1.5 cm、3.0 cm × 2.0 cm，埋入土体内深为34 cm，悬臂段30 cm；挡土板长12 cm，高2 cm，厚0.5 cm。桩与板材质均为有机玻璃。

1.4 数据采集系统

给试验桩编号，1#、3#、5#、7#、9#桩为既有桩，2#、4#、6#、8#桩为新桩。为采集桩身弯矩，取3#—6#桩进行测试，元器件布置如图1所示。对于既有桩，距离桩顶部2 cm 开始，每隔9 cm 布置测点，桩前后面对称贴应变片，共布置10个应变片；对于新增桩，距离桩顶部2 cm开始，每隔10 cm 布置测点，桩前后面对称贴应变片，共布置14个应变片。

图1 元器件布置（单位：cm）

沿既有支护桩以及新增支护桩桩身布置荷载传感器用来测定在填土及外加荷载作用时桩后土压力的变化。荷载传感器直径为10 mm，厚度为5 mm，量程为10 kg。分别对3#、5#、7#既有桩及4#、6#新增桩进行测定，既有桩自桩顶起间隔4 cm 布置荷载传感器，中心桩两侧布置，剩余桩只布置单侧；新桩自桩顶起间隔4 cm布置荷载传感器，单侧布置，共布置8个。

对3#、5#既有桩以及4#、6#新桩进行位移测定。既有桩自桩顶起间隔6 cm 布置百分表，共布置4 个；新桩自桩顶起间隔7 cm布置百分表，共布置5个。

用静态应变测试分析系统采集整个试验过程中桩身应变，通过将荷载传感器连接压力显示仪表读取桩后压力。

2 试验方案

自模型箱底部填土至16 cm 处安置新桩套管，套管边缘距模型箱侧面7 cm，共布置4根，间距12 cm；安置完成后继续填土至距箱底28 cm 处放置既有桩，既有桩紧贴模型箱侧面布置，共布置5 根，间距12 cm。填土至距模型箱顶面30 cm 时，在桩后安放挡土板同时进行填土，填土过程中桩后布置荷载传感器，桩前安装位移百分表。填土至既有桩顶部时，自既有桩桩顶到模型箱顶面进行1∶1.5 拉坡处理，等待变形稳定之后，在距离坡顶水平位移10 cm 处施加既有列车荷载。加载完成后进行卸载，将新桩放入套管后取出套管，桩后安放挡土板并填土至新桩桩顶，填土过程中布置剩余的荷载传感器以及位移百分表。整体填筑完成等待变形稳定之后进行加载，由于模型较小，试验加载采用堆载方式，在距离桩顶水平位移10 cm 处放置一块50 cm × 15 cm 的木板，分级加载，每级加载2 kPa，因此每级加载质量为15 kg，加载至桩顶位移超出桩长悬臂段的1%后达到规范限值，停止加载。组合支挡结构分级加载见图2。

图2 组合支挡结构分级加载

3 试验结果分析

由于现场既有桩尺寸无法改变，所以试验中固定既有桩截面尺寸为2.0 cm×1.5 cm，通过改变新桩截面尺寸来观察其对结构的影响。三种不同的工况为新桩截面尺寸1.5 cm × 1.0 cm（工况一）、2.0 cm ×1.5 cm（工况二）、3.0 cm×2.0 cm（工况三）。

3.1 桩身侧向位移

填筑完成后加载至桩顶位移超出规范限值时，5#既有桩与4#新桩的桩顶位移见图3。可知：①随着荷载的增大，桩顶位移也逐渐增大。荷载从0 增大至6 kPa 时，位移变化速率缓慢，三种工况下既有桩与新桩桩顶位移相差很小；随着荷载逐渐增大，超出6 kPa之后，小截面尺寸新桩下的既有桩桩顶位移变化速率明显大于大截面尺寸桩，由于小截面尺寸桩抗弯能力较弱，更容易发生失稳破坏。②加载至位移超限，不同桩截面尺寸所能承受的临界荷载也不相同。竖向荷载达到12 kPa 时，工况一的既有桩桩顶位移为2.67 mm，新桩桩顶位移为4.21 mm；竖向荷载达到16 kPa时，工况二的既有桩桩顶位移为2.75 mm，新桩桩顶位移为4.33 mm；竖向荷载达到22 kPa时，工况三的既有桩桩顶位移为2.25 mm，新桩桩顶位移为3.27 mm。按照TB 10025—2019《铁路路基支挡结构设计规范》的规定计算得到，既有桩桩顶位移应小于1.8 mm，新桩桩顶位移应小于3.0 mm。

图3 不同工况下桩顶位移变化曲线

不同工况下5#既有桩及4#新桩加载至14 kPa 时，桩身悬臂段位移见图4。可知：对于既有桩，随着新桩截面尺寸的减小，桩身位移在逐渐增大，小截面尺寸桩位移随荷载增长幅度要远大于大截面尺寸桩，且桩顶位移增幅也远大于距桩顶12 cm 处；新桩位移增长趋势与既有桩基本一致。

图4 荷载14 kPa时不同工况桩身位移变化曲线

现场新线荷载与既有线荷载均为54.1 kN/m2，宽3.4 m，利用相似理论缩放至模型时最终承受竖向荷载为10.82 kPa。由于结构需要有一定的安全储备，2.0 cm × 1.5 cm、3.0 cm × 2.0 cm 桩满足要求。为了能够更好地利用以及节省材料，新桩截面可以选用2.0 cm×1.5 cm。

3.2 桩身弯矩

三种工况下，5#既有桩以及4#新桩的桩身最大弯矩见图5。可知：对于既有桩，随着竖向荷载增加，桩身最大弯矩也逐渐增大，并且增长幅度随荷载变大，三种工况下的增长幅度基本一致，同一荷载条件下工况一的弯矩最小，工况三弯矩最大；新桩弯矩变化规律与既有桩一致，同一工况下新桩弯矩最大值要略大于既有桩。

图5 不同工况下新桩与既有桩最大弯矩

荷载14 kPa 时不同工况下桩身弯矩见图6。可知：新桩与既有桩的弯矩沿桩身呈抛物线形，既有桩桩身最大弯矩在桩埋深20 cm 处，工况一—工况三既有桩所承受的最大弯矩分别为174.6、196.8、213.5 N·cm，工况二既有桩最大桩身弯矩相较于工况一增大了12.7%，工况三既有桩最大桩身弯矩相较于工况二增大了8.5%；对于新桩，弯矩变化规律与既有桩大致相同，新桩桩身最大弯矩点在桩埋深32 cm处，工况一—工况三新桩所承受的最大弯矩分别为174.1、198.3、218.0 N·cm，工况二新桩最大桩身弯矩相较于工况一增大了13.9%，工况三新桩最大桩身弯矩相较于工况二增大了9.9%。当附加荷载增加至14 kPa 时，对于新桩和既有桩而言，三种截面桩所受到的弯矩最大值相差都在10%左右，在这个区间内桩体材料并未产生破坏。同时考虑桩身位移满足TB 10025—2019的要求，选择2.0 cm×1.5 cm 桩是合理有效的。

图6 荷载14 kPa时不同工况桩身弯矩变化曲线

3.3 桩后土压力

桩后土压力利用荷载传感器通过挡土板的受力换算得出，如图7所示。

图7 换算土压力示意

既有桩悬臂段土压力换算方法为

新桩桩顶至既有桩桩顶土压力换算方法为

式中：m1、m2、m3为荷载传感器读数。

对于既有桩悬臂段，m1、m2、m3分别代表同一水平面内3#既有桩、4#新桩以及5#既有桩桩后荷载读数；对于新桩桩顶至既有桩桩顶部分，m1、m3分别为4#新桩与6#新桩桩后荷载读数。

荷载增加至14 kPa 时不同工况下桩后土压力见图8。可知：①对于既有桩，三种不同工况下桩后土压力随着埋深的增加而逐渐增大。自桩顶至距桩顶8 cm 处，土压力增长缓慢；从距桩顶8 cm 到16 cm 处，土压力增长迅速；桩深为16 cm 时，工况一既有桩桩后土压力为3.02 kPa，工况二为4.23 kPa，工况三为5.61 kPa，说明随着新桩截面尺寸的变大，既有桩桩后土压力在逐渐增大。②对于新桩，桩后土压力变化规律与既有桩基本一致。自桩顶至距桩顶20 cm 处，土压力增长缓慢；从距桩顶20 cm 到30 cm 处，土压力增长迅速；桩深为30 cm 时，工况一新桩桩后土压力为2.96 kPa，工况二为5.18 kPa，工况三为5.69 kPa。③在同一深度下，既有桩与新桩桩后土压力基本相同，不同新桩截面尺寸对组合支挡结构桩后土压力影响显著。

图8 荷载14 kPa时不同工况桩后土压力变化曲线

3.4 荷载分担比

在既有桩板墙单独作用时，其承担了所有的路基荷载，增建新桩板墙之后，路基上部荷载由新桩和既有桩共同承担［8-9］。不同工况下新桩的土压力荷载分担比见图9。可知：对于同一截面的新桩而言，新桩的土压力荷载分担比随着荷载的增加逐渐增大，且增长幅度也不相同，新桩截面尺寸越大，增长幅度就越大，新桩与既有桩的协同作用也越好。荷载为14 kPa 时，工况一新桩的荷载分担为54.6%，工况二新桩的荷载分担为56.9%，工况三新桩的荷载分担为57.8%，说明3.0 cm × 2.0 cm 新桩在组合支挡结构协同作用时的效果更优。

图9 不同工况下新桩土压力荷载分担比

由于2.0 cm × 1.5 cm 桩与3.0 cm × 2.0 cm 桩在加载至14 kPa 时土压力荷载分担比相差仅有1%，结合桩身位移以及弯矩所得到的结果，新桩截面选取2.0 cm×1.5 cm用来加固结构更为合理。

4 结论

1）同等荷载条件、不同工况下，桩身位移增长幅度不同，新桩与既有桩规律一致，大截面尺寸新桩条件下的桩身位移增长小于小截面尺寸桩。

2）弯矩增幅随着荷载增加而逐渐增大，相同荷载、不同工况下，新桩与既有桩产生最大弯矩的埋深基本相同，但小截面尺寸新桩下的最大弯矩小于大截面尺寸桩。

3）不同工况下的新桩，土压力荷载分担比随着新桩截面尺寸的增加而增大。

4）结合桩身位移以及弯矩所得到的结果，新桩截面选取2.0 cm×1.5 cm 用来加固结构更为合理，能够在实际线路拓宽工程中用来进行支挡结构的加固。