路堤帮宽既有-新建组合支挡结构荷载传递机理及应用研究

寇发斌

（中国铁路兰州局集团有限公司兰州工程建设指挥部，兰州 730000）

近年来，我国铁路、公路等交通基础设施建设飞速发展，伴随着运输需求的扩大，既有线改建及临近既有线的新建项目也逐年递增，在该类工程中必然涉及路基帮宽施工。特别是进入城市区段紧邻城市主干道的一些既有线高路堤，为节约用地，常采用支挡结构（桩板墙、悬臂式挡土墙、重力式挡土墙、桩基托梁重力式挡土墙等）进行收坡，当后续新建线路近接此类路堤进行敷设，受地形条件限制时，可增设新的支挡结构（桩板墙、挡土墙等），直接在既有路堤边坡上进行新建路堤帮填，新旧组合支挡结构共同分担外荷载。

组合支挡结构兼具了两者的优势和特点，同时又有自己的特征。国内外学者对组合支挡结构开展了相关研究。廖超［1］采用数值分析软件建立计算模型，分析了h型桩板墙的横梁设置位置、横向桩间距及主桩锚固长度对结构内力的影响。曾新平［2］研究了抗滑桩与重力式挡土墙组合式支挡结构的受力特性，对组合支挡结构的土压力分布特点进行了分析。张宗堂［3］提出了一种新型的刚架桩板式挡土墙，给出了此新型支挡结构的设计思路和方法。张勇［4］针对高填陡坡路堤，采用上部为重力式挡土墙，下部抗滑桩和片石混凝土基座的结构形式，共同组成桩墙联合支挡结构体系，着重对抗滑桩桩长、嵌固长度和弹性模量等重要设计参数展开了讨论。Zhang等［5］介绍了一种带卸荷平台的板桩墙，基于原型开展了模型试验。陶钧［6］研究了框架预应力锚托板与预应力锚索桩板墙组合支挡结构加固边坡的效果。Xie等［7］采用一种由多桩、混凝土平台和重力式挡土墙组成的组合式挡土结构（CRS）来支撑陡坡高路堤，通过现场实测及数值模拟，进一步了解CRS的性能及受力变形特性。曹文昭等［8］提出抗滑桩＋刚／柔组合墙面加筋土挡墙组合支挡结构，阐述了该组合支挡结构的研发思路。周珩［9］对桩基础悬臂式新型支挡结构的受力机理、变形特性及设计计算做出了分析。文献［10-12］对双排桩受力性能和方法进行了探讨。

综上所述，组合支挡结构在路基边坡加固中得到了广泛应用，但上述组合支挡结构都是一体化施工，同时修建同时分担外荷载，而本文研究的新、旧组合支挡结构承担荷载的时机不一样，一早一晚；两者协调变形共同受力的机理同前述组合支挡结构差别较大。基于此，本文结合中兰客专引入兰州枢纽工程，阐述既有（旧）-新建（新）组合支挡结构的设计思路和应用，两者协同作用，共同分担外荷载，保证新、旧支挡结构的安全使用。

1 工程概况

1.1 概述

中兰客专引入兰州枢纽为中卫至兰州铁路同期建设的配套工程，路基组合支挡结构工程位于兰州市七里河区崔家崖，总长2 301.88 m。工点前接崔家崖特大桥，后接陈官营车站，路基工程场地条件受限，南侧与既有兰新线相邻，新建三四线左线与兰新线右线线间距5.3 m。北侧紧邻西津西路，铁路路肩边缘距离用地界宽度最小为1.5 m，最大为8.0 m。2013年新建柳家营货线时，为避免占压西津西路，货线已沿西津西路在坡脚间隔设置桩板式、悬臂式、重力式等支挡结构。此次新建三四线左线需占用原货线位置并在右侧增建右线，由于用地宽度有限，为不影响西津西路，需在既有支挡工程范围以内设置新的支挡工程收坡。由于既有线路基支挡型式多样，且使用年限短、利用价值大，新设支挡工程设计既要考虑如何有效利用既有结构物以最大限度节省投资，又要保证两者能协调作用，共同受力。

1.2 地质概况

工程位于典型黄土地区，属于黄河二级阶地，地形较为平缓，土质较好。路基帮宽范围内的上层土为既有线建设时的人工填筑土及路基填土，下层主要为粗圆砾土和卵石土，经现场调查及钻探，分布如下：

1）人工填筑土（Qml4）：分布于既有铁路路堤及公路地表，厚度1～6 m 不等，杂色，成份以砂质黄土、细砂、圆砾、卵石等为主。稍密-中密，稍湿，Ⅱ级普通土。

2）砂质黄土（Qal34）：局部分布于人工填筑土层以下，厚度0～6 m 不等，浅黄色，成份以粉粒为主。具层理，稍密，Ⅱ级普通土，σ0＝120 k Pa。

3）细圆砾土（Qal64）：分布于砂质黄土层或人工填筑土层以下，厚度2～7 m，灰黄色。成分以砂岩、花岗岩、石英岩为主，圆棱状，Ⅱ级普通土，σ0＝450 kPa。

4）粗圆砾土（Qal64）：人工填筑土及砂质黄土等层下，多层状分布，总体厚度大于40 m，单层厚度多6～15 m，Ⅳ级软石，σ0＝550 k Pa。

5）卵石土（Qal74）：分布于粗圆砾土的层中或层下，厚度大约为2～20 m 不等，青灰色，成分以砂岩、花岗岩、石英岩为主，浑圆状，粒径较大，岩芯呈散状，潮湿-饱和，密实，Ⅳ级软石。

工点范围内无不良地质，特殊质岩土主要为人工填筑土及湿陷性黄土。钻孔深度内有地下水，水位埋深9～15 m，主要受大气降水、工点西侧深沟内地表水补给，水量较丰富，地下水位变化主要受季节及黄河水位影响。

2 设计方案及设计思路

依据既有支挡结构不同形式，设计选择了既有-新建并排组合桩板墙、既有-新建前后组合桩板墙以及在既有悬臂式挡土墙顶增设一级新的悬臂式挡土墙等方案。

2.1 既有-新建并排组合桩板墙

该工点既有-新建并排组合桩板墙典型断面布置图如图1所示，该断面既有路堤高8.94 m，既有桩板墙桩长15 m，受荷段长4.65 m，锚固段长10.35 m，桩间距6.0 m，桩身截面尺寸为1.5 m×2.0 m，既有挡土板长5.1 m，断面尺寸为0.4 m×0.5 m，既有桩和板的混凝土等级均为C40，既有桩板墙墙顶以上路堤边坡坡度为1∶1.75。为增设中兰客专三四线，拆除了既有货线设置左线，在既有桩板墙间增设新的桩板墙，既有边坡挖台阶后回填A组填料，然后设置右线。新建桩板墙桩长24 m，受荷段长度7.38 m，锚固段长16.62 m，其他的参数同既有桩板墙。

图1 既有-新建并排组合桩板墙布置图Fig.1 Layout plan for existing-new side by side combined pile sheet wall

既有-新建并排组合桩板墙设计的关键是确定两者的土压力。具体方法如下：第一，参照规范［13］中的方法，采用库伦理论和弹性理论线性叠加原理，分别计算既有路堤填土和轨道结构、列车荷载在既有桩板式挡土墙墙背上产生的土压力，绘制土压力分布图Ⅰ，如图2（a）所示；第二，忽略既有边坡土体开挖台阶对既有桩土压力的影响，采用同样的计算方法，计算墙后填土、新建轨道结构及列车荷载在新建桩板墙墙后产生的土压力，绘制土压力分布图Ⅱ，如图2（b）所示，截取图2（b）中新建板范围内的土压力，作为新建桩板墙上部（既有桩板墙顶部以上）所受土压力Ⅲ，从图2（b）中既有板范围内的土压力中扣除土压力Ⅰ，作为新、旧桩板墙在帮宽路堤填土荷载及轨道列车荷载产生的土压力Ⅳ，如图2（c）所示；或者把帮填的路基填土简化为三角形分布的荷载，作用在既有路基边坡上，采用弹性理论线性叠加原理计算三角形分布荷载、轨道结构及列车荷载在既有板范围内产生的土压力，两种方法计算结果选取较大者作为墙背土压力；第三，合并Ⅲ、Ⅳ作为新桩的土压力分布图，合并Ⅰ、Ⅳ作为既有桩的土压力分布图。

图2 土压力分布图Fig.2 Earth pressure distribution map

作用在新建桩板墙上的外荷载为土压力分布图Ⅲ的面积乘以新桩的桩间距与土压力分布图Ⅳ的面积乘以桩间距的一半的和。作用在既有桩板墙上的外荷载为土压力分布图Ⅰ的面积乘以既有桩桩间距与土压力分布图Ⅳ的面积乘以桩间距一半的和。锚固点以上的桩身内力及变形按悬臂梁计算；锚固段桩身内力及变形，根据桩底支承条件，锚固点处的弯矩、剪力和锚固段土的弹性抗力采用地基系数法计算。

2.2 既有-新建前后组合桩板墙

该工点既有-新建前后组合桩板墙典型断面布置图如图3（a）所示。该断面既有路堤高7.72 m，既有桩板墙桩长15 m，受荷段长4.1 m，锚固段长10.9 m，桩间距6.0 m，桩身截面尺寸为1.5 m×2.0 m，既有挡板长5.1 m，断面尺寸为0.4 m×0.5 m，桩和板的混凝土等级均为C40，既有桩板墙墙顶路堤边坡坡度为1∶1.75。为增设中兰客专三四线，拆除既有货线设置左线；在既有桩板墙内侧设置截面尺寸1.5 m×2.0 m、长度18.0 m 的锚固桩，与既有桩通过刚架梁（截面尺寸1.5 m×2.0 m）连接，在横梁与既有桩之间设置固定铰支座。新桩后路堤边坡挖台阶回填A 组填料后设置右线，其他相关尺寸如图3（b）所示。

前后组合桩板墙通过横梁连接组成h 型组合桩板墙，是一个门架式双排支护的空间结构，该结构可以充分发挥空间组合桩的整体刚度和空间效应，并与排间土协同工作，限制边坡土体变形，达到保持坡体稳定、控制变形的目的。刚架梁与既有桩采用铰接模式连接，仅能传递水平土压力，不传递弯矩，可有效避免既有桩桩顶产生负弯矩，能最大限度利用既有桩的承载特性。在土压力的作用下，h型桩板墙的整体力学分析模型如图4（a）所示，可分解为受荷段模型和锚固段模型两部分，如图4（b）～4（c）所示。在土压力q1作用下，两排桩会产生水平位移，桩间土体受挤压对新建桩体产生土体抗力q2，对既有桩产生压力q3。组合桩受荷段可简化为横向弹性地基约束的平面刚架结构，采用结构力学分析方法计算固定端的反力M1、Q1、M2和Q2，然后反作用于锚固段的桩体顶部，采用弹性地基梁法计算锚固段桩体内力及变形。

图4 前后组合桩板墙计算模型Fig.4 Calculation model of front and rear composite pile sheet wall

进行上述计算，关键是确定土压力q1、土体抗力q2以及土体压力q3；其中q1为为新建桩板墙墙后填土、轨道结构和列车荷载产生的土压力，q3包括两部分，其中q31为新桩未施工前既有路堤填料、轨道结构和列车荷载对既有桩板墙产生的侧向土压力，q32为桩间土体挤压既有桩产生的侧压力，q1和q31采用库伦理论进行计算；对于土体抗力q2和土体压力q32，各学者提出了不同的计算方法，详见文献［14-17］，此次设计为保证结构的安全可靠，不考虑桩间岩土体对新桩的影响，即取q2＝0，桩间岩土体对既有桩的土体压力参考文献［14］，可取主动土压力进行计算。

2.3 两级既有-新建悬臂式挡土墙

该工点两级既有-新建悬臂式挡土墙典型断面布置图如图5所示，其中，既有结构为路堤式悬臂挡土墙，墙高5 m，立臂厚度为0.6 m，底板宽度为4.2 m，其中踵板长度2.3 m，趾板长度1.3 m，底板厚度为0.6 m，分段长度为10 m，混凝土强度等级为C35。为修建中兰客专三四线，拆除既有货线后在右侧路肩设置悬臂式挡土墙收坡，悬臂墙高度3.5 m，分段长度5.0 m，墙顶高度超出路肩0.5 m，墙体采用C40混凝土浇筑，墙后采用A 组填料填筑；新旧悬臂式挡土墙组合在一起构成两级垛式悬臂式挡土墙。

图5 两级既有-新建悬臂式挡土墙布置图Fig.5 Layout plan of two-level existing-new cantilever retaining wall

两级悬臂式挡墙设计计算时，不仅要满足边坡的整体稳定性，还要满足各级挡墙的局部稳定性。由于两级垛式悬臂式挡土墙结构型式较为新颖，关于其设计计算方法尚未建立，现行的支挡结构设计规范中也没有相应的设计规定。近年来各学者从不同角度开展了相关研究工作，梁波等［18］通过数值分析，研究了二级垛式悬臂式挡土墙墙背变形和上下墙所受土压力的分布；邵先锋等［19］基于有限元方法，对二级垛式悬臂式挡土墙的竖向及侧向土压力分布、填土变形及破坏失稳模式进行了对比分析；贺钢等［20］采用数值模拟与极限平衡理论分析方法，探讨了多级悬臂式挡土墙边坡整体稳定性与各级墙体局部稳定性两个方面的设计计算方法；李昭颖等［21］采用数值模拟与极限分析上限法讨论了多级悬臂式挡墙支挡路堤边坡的整体稳定性，确定了该类边坡的失稳破坏模式，建立其整体稳定性的计算分析方法。这些研究成果使我们对两级悬臂式挡土墙土压力与稳定性的计算有了一定的认识和帮助。

综上所述，两级悬臂式挡土墙整体稳定性计算，可将滑动面简化为过下墙墙踵下边缘B 点相切的圆弧（如图6所示），将土体和墙体分为若干竖直条块，采用圆弧滑动条分法求解边坡稳定系数，搜索最小稳定系数对应的圆心位置，得到最危险滑面和相应的稳定系数。计算上墙和下墙的局部稳定性，关键是确定其土压力的大小和分布。上墙墙背主动土压力采用库伦土压力理论计算，计算前，应判断填土中是否出现第二破裂面，若出现第二破裂面，应按第二破裂面理论进行土压力的计算。计算下墙土压力时，把上墙的作用简化为作用在下墙墙顶的外荷载，由于上墙在土压力、墙体自重以及假想墙背（或第二破裂面）与挡墙间填土自重作用下，基底压力一般为非均匀分布，为简化分析可按线性分布模式考虑，还应把下墙墙顶以上填土自重及轨道列车荷载也简化到下墙墙顶，按库仑土压力理论计算下墙的主动土压力，若出现第二破裂面，应按第二破裂面理论进行土压力的计算，如图7所示。

图6 两级悬臂式挡土墙整体稳定性分析图Fig.6 Overall stability analysis diagram of two-stage cantilever retaining wall

图7 第二破裂面法计算挡土墙主动土压力受力图Fig.7 Calculation of active earth pressure on retaining walls using the second fracture surface method

产生第二破裂面的条件为：1）立臂上边缘与墙踵下边缘连线的假想墙背的倾角必须大于第二破裂面的倾角；2）在假想墙背上产生的抗滑力必须大于其下滑力，即破裂楔体不会沿假想墙背滑动。

另外下墙是既有挡墙，还应计算既有路堤填土和既有货线荷载对下墙产生的土压力，若忽略既有路堤挖台阶对下墙土压力的影响，则下墙土压力取两种情况下土压力的较大者作为挡土墙局部稳定性的验算荷载。

3 既有支挡结构服役状态评估

帮宽前、后既有桩板墙和悬臂式挡土墙的内力及变形有一定幅度的增加，稳定性会下降，继而会影响既有结构的强度、刚度、抗裂性和耐久性等方面的性质，因此，对组合结构中既有桩板墙、挡土墙的服役状态评估，是确保整个组合结构安全使用的前提。评估方法如下：

1）现场调研实测既有桩板墙、悬臂式挡土墙混凝土强度和碳化深度、外观尺寸、主筋数量、直径、位置及保护层厚度，将实测结果与原设计参数进行对比分析，计算桩体及悬臂式挡土墙立臂的正截面和斜截面承载力。

2）依据前述方法计算的既有桩土压力，采用地基系数法计算既有桩的最大弯矩、剪力及桩体水平变形，验算桩体最大弯矩、剪力是否小于桩体的正截面和斜截面承载力，桩体最大水平变形不应超过规范容许值。

3）依据前述方法计算的既有悬臂式挡土墙的土压力，验算挡墙的抗滑、抗倾覆稳定性，基底应力及偏心距和墙身强度是否满足规范要求。

4）若各项指标都满足要求，则既有桩板墙和既有悬臂式挡土墙服役状态良好，否则应采取必要的加固补救措施。

4 结论

1）在地形受限条件下，为实现路堤帮宽，提出了三种新型的组合支挡结构，既可以有效利用既有支挡结构物，又可使新建结构与既有结构之间共同承载。

2）针对三种既有-新建组合支挡结构，分析了新建结构与既有结构的土压力计算、荷载分担机理、内力和变形计算方法以及整体稳定性与局部稳定性的计算。

3）既有支挡结构的安全服役是保证既有-新建组合支挡结构发挥承载、限制坡体变形的前提，因此本文提出了既有支挡结构服役状态评估的方法。