寇發(fā)斌

（中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州工程建設(shè)指揮部，蘭州 730000）

近年來，我國鐵路、公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)飛速發(fā)展，伴隨著運輸需求的擴大，既有線改建及臨近既有線的新建項目也逐年遞增，在該類工程中必然涉及路基幫寬施工。特別是進入城市區(qū)段緊鄰城市主干道的一些既有線高路堤，為節(jié)約用地，常采用支擋結(jié)構(gòu)（樁板墻、懸臂式擋土墻、重力式擋土墻、樁基托梁重力式擋土墻等）進行收坡，當(dāng)后續(xù)新建線路近接此類路堤進行敷設(shè)，受地形條件限制時，可增設(shè)新的支擋結(jié)構(gòu)（樁板墻、擋土墻等），直接在既有路堤邊坡上進行新建路堤幫填，新舊組合支擋結(jié)構(gòu)共同分擔(dān)外荷載。

組合支擋結(jié)構(gòu)兼具了兩者的優(yōu)勢和特點，同時又有自己的特征。國內(nèi)外學(xué)者對組合支擋結(jié)構(gòu)開展了相關(guān)研究。廖超［1］采用數(shù)值分析軟件建立計算模型，分析了h型樁板墻的橫梁設(shè)置位置、橫向樁間距及主樁錨固長度對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。曾新平［2］研究了抗滑樁與重力式擋土墻組合式支擋結(jié)構(gòu)的受力特性，對組合支擋結(jié)構(gòu)的土壓力分布特點進行了分析。張宗堂［3］提出了一種新型的剛架樁板式擋土墻，給出了此新型支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路和方法。張勇［4］針對高填陡坡路堤，采用上部為重力式擋土墻，下部抗滑樁和片石混凝土基座的結(jié)構(gòu)形式，共同組成樁墻聯(lián)合支擋結(jié)構(gòu)體系，著重對抗滑樁樁長、嵌固長度和彈性模量等重要設(shè)計參數(shù)展開了討論。Zhang等［5］介紹了一種帶卸荷平臺的板樁墻，基于原型開展了模型試驗。陶鈞［6］研究了框架預(yù)應(yīng)力錨托板與預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻組合支擋結(jié)構(gòu)加固邊坡的效果。Xie等［7］采用一種由多樁、混凝土平臺和重力式擋土墻組成的組合式擋土結(jié)構(gòu)（CRS）來支撐陡坡高路堤，通過現(xiàn)場實測及數(shù)值模擬，進一步了解CRS的性能及受力變形特性。曹文昭等［8］提出抗滑樁＋剛／柔組合墻面加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)，闡述了該組合支擋結(jié)構(gòu)的研發(fā)思路。周珩［9］對樁基礎(chǔ)懸臂式新型支擋結(jié)構(gòu)的受力機理、變形特性及設(shè)計計算做出了分析。文獻［10-12］對雙排樁受力性能和方法進行了探討。

綜上所述，組合支擋結(jié)構(gòu)在路基邊坡加固中得到了廣泛應(yīng)用，但上述組合支擋結(jié)構(gòu)都是一體化施工，同時修建同時分擔(dān)外荷載，而本文研究的新、舊組合支擋結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載的時機不一樣，一早一晚；兩者協(xié)調(diào)變形共同受力的機理同前述組合支擋結(jié)構(gòu)差別較大?；诖?，本文結(jié)合中蘭客專引入蘭州樞紐工程，闡述既有（舊）-新建（新）組合支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路和應(yīng)用，兩者協(xié)同作用，共同分擔(dān)外荷載，保證新、舊支擋結(jié)構(gòu)的安全使用。

1 工程概況

1.1 概述

中蘭客專引入蘭州樞紐為中衛(wèi)至蘭州鐵路同期建設(shè)的配套工程，路基組合支擋結(jié)構(gòu)工程位于蘭州市七里河區(qū)崔家崖，總長2 301.88 m。工點前接崔家崖特大橋，后接陳官營車站，路基工程場地條件受限，南側(cè)與既有蘭新線相鄰，新建三四線左線與蘭新線右線線間距5.3 m。北側(cè)緊鄰西津西路，鐵路路肩邊緣距離用地界寬度最小為1.5 m，最大為8.0 m。2013年新建柳家營貨線時，為避免占壓西津西路，貨線已沿西津西路在坡腳間隔設(shè)置樁板式、懸臂式、重力式等支擋結(jié)構(gòu)。此次新建三四線左線需占用原貨線位置并在右側(cè)增建右線，由于用地寬度有限，為不影響西津西路，需在既有支擋工程范圍以內(nèi)設(shè)置新的支擋工程收坡。由于既有線路基支擋型式多樣，且使用年限短、利用價值大，新設(shè)支擋工程設(shè)計既要考慮如何有效利用既有結(jié)構(gòu)物以最大限度節(jié)省投資，又要保證兩者能協(xié)調(diào)作用，共同受力。

1.2 地質(zhì)概況

工程位于典型黃土地區(qū)，屬于黃河二級階地，地形較為平緩，土質(zhì)較好。路基幫寬范圍內(nèi)的上層土為既有線建設(shè)時的人工填筑土及路基填土，下層主要為粗圓礫土和卵石土，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及鉆探，分布如下：

1）人工填筑土（Qml4）：分布于既有鐵路路堤及公路地表，厚度1～6 m 不等，雜色，成份以砂質(zhì)黃土、細砂、圓礫、卵石等為主。稍密-中密，稍濕，Ⅱ級普通土。

2）砂質(zhì)黃土（Qal34）：局部分布于人工填筑土層以下，厚度0～6 m 不等，淺黃色，成份以粉粒為主。具層理，稍密，Ⅱ級普通土，σ0＝120 k Pa。

3）細圓礫土（Qal64）：分布于砂質(zhì)黃土層或人工填筑土層以下，厚度2～7 m，灰黃色。成分以砂巖、花崗巖、石英巖為主，圓棱狀，Ⅱ級普通土，σ0＝450 kPa。

4）粗圓礫土（Qal64）：人工填筑土及砂質(zhì)黃土等層下，多層狀分布，總體厚度大于40 m，單層厚度多6～15 m，Ⅳ級軟石，σ0＝550 k Pa。

5）卵石土（Qal74）：分布于粗圓礫土的層中或?qū)酉?，厚度大約為2～20 m 不等，青灰色，成分以砂巖、花崗巖、石英巖為主，渾圓狀，粒徑較大，巖芯呈散狀，潮濕-飽和，密實，Ⅳ級軟石。

工點范圍內(nèi)無不良地質(zhì)，特殊質(zhì)巖土主要為人工填筑土及濕陷性黃土。鉆孔深度內(nèi)有地下水，水位埋深9～15 m，主要受大氣降水、工點西側(cè)深溝內(nèi)地表水補給，水量較豐富，地下水位變化主要受季節(jié)及黃河水位影響。

2 設(shè)計方案及設(shè)計思路

依據(jù)既有支擋結(jié)構(gòu)不同形式，設(shè)計選擇了既有-新建并排組合樁板墻、既有-新建前后組合樁板墻以及在既有懸臂式擋土墻頂增設(shè)一級新的懸臂式擋土墻等方案。

2.1 既有-新建并排組合樁板墻

該工點既有-新建并排組合樁板墻典型斷面布置圖如圖1所示，該斷面既有路堤高8.94 m，既有樁板墻樁長15 m，受荷段長4.65 m，錨固段長10.35 m，樁間距6.0 m，樁身截面尺寸為1.5 m×2.0 m，既有擋土板長5.1 m，斷面尺寸為0.4 m×0.5 m，既有樁和板的混凝土等級均為C40，既有樁板墻墻頂以上路堤邊坡坡度為1∶1.75。為增設(shè)中蘭客專三四線，拆除了既有貨線設(shè)置左線，在既有樁板墻間增設(shè)新的樁板墻，既有邊坡挖臺階后回填A(yù)組填料，然后設(shè)置右線。新建樁板墻樁長24 m，受荷段長度7.38 m，錨固段長16.62 m，其他的參數(shù)同既有樁板墻。

圖1 既有-新建并排組合樁板墻布置圖Fig.1 Layout plan for existing-new side by side combined pile sheet wall

既有-新建并排組合樁板墻設(shè)計的關(guān)鍵是確定兩者的土壓力。具體方法如下：第一，參照規(guī)范［13］中的方法，采用庫倫理論和彈性理論線性疊加原理，分別計算既有路堤填土和軌道結(jié)構(gòu)、列車荷載在既有樁板式擋土墻墻背上產(chǎn)生的土壓力，繪制土壓力分布圖Ⅰ，如圖2（a）所示；第二，忽略既有邊坡土體開挖臺階對既有樁土壓力的影響，采用同樣的計算方法，計算墻后填土、新建軌道結(jié)構(gòu)及列車荷載在新建樁板墻墻后產(chǎn)生的土壓力，繪制土壓力分布圖Ⅱ，如圖2（b）所示，截取圖2（b）中新建板范圍內(nèi)的土壓力，作為新建樁板墻上部（既有樁板墻頂部以上）所受土壓力Ⅲ，從圖2（b）中既有板范圍內(nèi)的土壓力中扣除土壓力Ⅰ，作為新、舊樁板墻在幫寬路堤填土荷載及軌道列車荷載產(chǎn)生的土壓力Ⅳ，如圖2（c）所示；或者把幫填的路基填土簡化為三角形分布的荷載，作用在既有路基邊坡上，采用彈性理論線性疊加原理計算三角形分布荷載、軌道結(jié)構(gòu)及列車荷載在既有板范圍內(nèi)產(chǎn)生的土壓力，兩種方法計算結(jié)果選取較大者作為墻背土壓力；第三，合并Ⅲ、Ⅳ作為新樁的土壓力分布圖，合并Ⅰ、Ⅳ作為既有樁的土壓力分布圖。

圖2 土壓力分布圖Fig.2 Earth pressure distribution map

作用在新建樁板墻上的外荷載為土壓力分布圖Ⅲ的面積乘以新樁的樁間距與土壓力分布圖Ⅳ的面積乘以樁間距的一半的和。作用在既有樁板墻上的外荷載為土壓力分布圖Ⅰ的面積乘以既有樁樁間距與土壓力分布圖Ⅳ的面積乘以樁間距一半的和。錨固點以上的樁身內(nèi)力及變形按懸臂梁計算；錨固段樁身內(nèi)力及變形，根據(jù)樁底支承條件，錨固點處的彎矩、剪力和錨固段土的彈性抗力采用地基系數(shù)法計算。

2.2 既有-新建前后組合樁板墻

該工點既有-新建前后組合樁板墻典型斷面布置圖如圖3（a）所示。該斷面既有路堤高7.72 m，既有樁板墻樁長15 m，受荷段長4.1 m，錨固段長10.9 m，樁間距6.0 m，樁身截面尺寸為1.5 m×2.0 m，既有擋板長5.1 m，斷面尺寸為0.4 m×0.5 m，樁和板的混凝土等級均為C40，既有樁板墻墻頂路堤邊坡坡度為1∶1.75。為增設(shè)中蘭客專三四線，拆除既有貨線設(shè)置左線；在既有樁板墻內(nèi)側(cè)設(shè)置截面尺寸1.5 m×2.0 m、長度18.0 m 的錨固樁，與既有樁通過剛架梁（截面尺寸1.5 m×2.0 m）連接，在橫梁與既有樁之間設(shè)置固定鉸支座。新樁后路堤邊坡挖臺階回填A(yù) 組填料后設(shè)置右線，其他相關(guān)尺寸如圖3（b）所示。

前后組合樁板墻通過橫梁連接組成h 型組合樁板墻，是一個門架式雙排支護的空間結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮空間組合樁的整體剛度和空間效應(yīng)，并與排間土協(xié)同工作，限制邊坡土體變形，達到保持坡體穩(wěn)定、控制變形的目的。剛架梁與既有樁采用鉸接模式連接，僅能傳遞水平土壓力，不傳遞彎矩，可有效避免既有樁樁頂產(chǎn)生負彎矩，能最大限度利用既有樁的承載特性。在土壓力的作用下，h型樁板墻的整體力學(xué)分析模型如圖4（a）所示，可分解為受荷段模型和錨固段模型兩部分，如圖4（b）～4（c）所示。在土壓力q1作用下，兩排樁會產(chǎn)生水平位移，樁間土體受擠壓對新建樁體產(chǎn)生土體抗力q2，對既有樁產(chǎn)生壓力q3。組合樁受荷段可簡化為橫向彈性地基約束的平面剛架結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法計算固定端的反力M1、Q1、M2和Q2，然后反作用于錨固段的樁體頂部，采用彈性地基梁法計算錨固段樁體內(nèi)力及變形。

圖4 前后組合樁板墻計算模型Fig.4 Calculation model of front and rear composite pile sheet wall

進行上述計算，關(guān)鍵是確定土壓力q1、土體抗力q2以及土體壓力q3；其中q1為為新建樁板墻墻后填土、軌道結(jié)構(gòu)和列車荷載產(chǎn)生的土壓力，q3包括兩部分，其中q31為新樁未施工前既有路堤填料、軌道結(jié)構(gòu)和列車荷載對既有樁板墻產(chǎn)生的側(cè)向土壓力，q32為樁間土體擠壓既有樁產(chǎn)生的側(cè)壓力，q1和q31采用庫倫理論進行計算；對于土體抗力q2和土體壓力q32，各學(xué)者提出了不同的計算方法，詳見文獻［14-17］，此次設(shè)計為保證結(jié)構(gòu)的安全可靠，不考慮樁間巖土體對新樁的影響，即取q2＝0，樁間巖土體對既有樁的土體壓力參考文獻［14］，可取主動土壓力進行計算。

2.3 兩級既有-新建懸臂式擋土墻

該工點兩級既有-新建懸臂式擋土墻典型斷面布置圖如圖5所示，其中，既有結(jié)構(gòu)為路堤式懸臂擋土墻，墻高5 m，立臂厚度為0.6 m，底板寬度為4.2 m，其中踵板長度2.3 m，趾板長度1.3 m，底板厚度為0.6 m，分段長度為10 m，混凝土強度等級為C35。為修建中蘭客專三四線，拆除既有貨線后在右側(cè)路肩設(shè)置懸臂式擋土墻收坡，懸臂墻高度3.5 m，分段長度5.0 m，墻頂高度超出路肩0.5 m，墻體采用C40混凝土澆筑，墻后采用A 組填料填筑；新舊懸臂式擋土墻組合在一起構(gòu)成兩級垛式懸臂式擋土墻。

圖5 兩級既有-新建懸臂式擋土墻布置圖Fig.5 Layout plan of two-level existing-new cantilever retaining wall

兩級懸臂式擋墻設(shè)計計算時，不僅要滿足邊坡的整體穩(wěn)定性，還要滿足各級擋墻的局部穩(wěn)定性。由于兩級垛式懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)型式較為新穎，關(guān)于其設(shè)計計算方法尚未建立，現(xiàn)行的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中也沒有相應(yīng)的設(shè)計規(guī)定。近年來各學(xué)者從不同角度開展了相關(guān)研究工作，梁波等［18］通過數(shù)值分析，研究了二級垛式懸臂式擋土墻墻背變形和上下墻所受土壓力的分布；邵先鋒等［19］基于有限元方法，對二級垛式懸臂式擋土墻的豎向及側(cè)向土壓力分布、填土變形及破壞失穩(wěn)模式進行了對比分析；賀鋼等［20］采用數(shù)值模擬與極限平衡理論分析方法，探討了多級懸臂式擋土墻邊坡整體穩(wěn)定性與各級墻體局部穩(wěn)定性兩個方面的設(shè)計計算方法；李昭穎等［21］采用數(shù)值模擬與極限分析上限法討論了多級懸臂式擋墻支擋路堤邊坡的整體穩(wěn)定性，確定了該類邊坡的失穩(wěn)破壞模式，建立其整體穩(wěn)定性的計算分析方法。這些研究成果使我們對兩級懸臂式擋土墻土壓力與穩(wěn)定性的計算有了一定的認識和幫助。

綜上所述，兩級懸臂式擋土墻整體穩(wěn)定性計算，可將滑動面簡化為過下墻墻踵下邊緣B 點相切的圓?。ㄈ鐖D6所示），將土體和墻體分為若干豎直條塊，采用圓弧滑動條分法求解邊坡穩(wěn)定系數(shù)，搜索最小穩(wěn)定系數(shù)對應(yīng)的圓心位置，得到最危險滑面和相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)。計算上墻和下墻的局部穩(wěn)定性，關(guān)鍵是確定其土壓力的大小和分布。上墻墻背主動土壓力采用庫倫土壓力理論計算，計算前，應(yīng)判斷填土中是否出現(xiàn)第二破裂面，若出現(xiàn)第二破裂面，應(yīng)按第二破裂面理論進行土壓力的計算。計算下墻土壓力時，把上墻的作用簡化為作用在下墻墻頂?shù)耐夂奢d，由于上墻在土壓力、墻體自重以及假想墻背（或第二破裂面）與擋墻間填土自重作用下，基底壓力一般為非均勻分布，為簡化分析可按線性分布模式考慮，還應(yīng)把下墻墻頂以上填土自重及軌道列車荷載也簡化到下墻墻頂，按庫侖土壓力理論計算下墻的主動土壓力，若出現(xiàn)第二破裂面，應(yīng)按第二破裂面理論進行土壓力的計算，如圖7所示。

圖6 兩級懸臂式擋土墻整體穩(wěn)定性分析圖Fig.6 Overall stability analysis diagram of two-stage cantilever retaining wall

圖7 第二破裂面法計算擋土墻主動土壓力受力圖Fig.7 Calculation of active earth pressure on retaining walls using the second fracture surface method

產(chǎn)生第二破裂面的條件為：1）立臂上邊緣與墻踵下邊緣連線的假想墻背的傾角必須大于第二破裂面的傾角；2）在假想墻背上產(chǎn)生的抗滑力必須大于其下滑力，即破裂楔體不會沿假想墻背滑動。

另外下墻是既有擋墻，還應(yīng)計算既有路堤填土和既有貨線荷載對下墻產(chǎn)生的土壓力，若忽略既有路堤挖臺階對下墻土壓力的影響，則下墻土壓力取兩種情況下土壓力的較大者作為擋土墻局部穩(wěn)定性的驗算荷載。

3 既有支擋結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)評估

幫寬前、后既有樁板墻和懸臂式擋土墻的內(nèi)力及變形有一定幅度的增加，穩(wěn)定性會下降，繼而會影響既有結(jié)構(gòu)的強度、剛度、抗裂性和耐久性等方面的性質(zhì)，因此，對組合結(jié)構(gòu)中既有樁板墻、擋土墻的服役狀態(tài)評估，是確保整個組合結(jié)構(gòu)安全使用的前提。評估方法如下：

1）現(xiàn)場調(diào)研實測既有樁板墻、懸臂式擋土墻混凝土強度和碳化深度、外觀尺寸、主筋數(shù)量、直徑、位置及保護層厚度，將實測結(jié)果與原設(shè)計參數(shù)進行對比分析，計算樁體及懸臂式擋土墻立臂的正截面和斜截面承載力。

2）依據(jù)前述方法計算的既有樁土壓力，采用地基系數(shù)法計算既有樁的最大彎矩、剪力及樁體水平變形，驗算樁體最大彎矩、剪力是否小于樁體的正截面和斜截面承載力，樁體最大水平變形不應(yīng)超過規(guī)范容許值。

3）依據(jù)前述方法計算的既有懸臂式擋土墻的土壓力，驗算擋墻的抗滑、抗傾覆穩(wěn)定性，基底應(yīng)力及偏心距和墻身強度是否滿足規(guī)范要求。

4）若各項指標都滿足要求，則既有樁板墻和既有懸臂式擋土墻服役狀態(tài)良好，否則應(yīng)采取必要的加固補救措施。

4 結(jié)論

1）在地形受限條件下，為實現(xiàn)路堤幫寬，提出了三種新型的組合支擋結(jié)構(gòu)，既可以有效利用既有支擋結(jié)構(gòu)物，又可使新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)之間共同承載。

2）針對三種既有-新建組合支擋結(jié)構(gòu)，分析了新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)的土壓力計算、荷載分擔(dān)機理、內(nèi)力和變形計算方法以及整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性的計算。

3）既有支擋結(jié)構(gòu)的安全服役是保證既有-新建組合支擋結(jié)構(gòu)發(fā)揮承載、限制坡體變形的前提，因此本文提出了既有支擋結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)評估的方法。