新舊并排組合樁板墻協同作用機理模型試驗研究

祁永福 馬學寧

蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070

對于鐵路既有線的改建以及新增二線，由于既有樁無法安全承擔新增線路荷載，且受臨近道路施工地域條件限制，所以需要增設新樁進行支擋防護。新舊并排組合樁板墻是一種基于樁板墻的新型支擋結構，是由既有樁板墻與新建樁板墻通過協同作用，共同承擔上部路基土體的土壓力以及線路荷載。

國內外對鐵路既有支擋工程病害破壞機理和治理措施的研究較多，對基于工程模型試驗及有限元數值模擬下的新舊組合支擋結構協同作用的設計計算與受力分析、新舊組合支擋結構協同作用工后應力應變發展規律的研究較少。Madhumathi 等［1］通過控制變量的方法，變化樁板墻間距、樁數、群樁配置、樁身剛度，分析松散砂土中被動樁的力學響應。李懷珠［2］通過計算樁板墻內力，將擋土板簡化為簡支板，垂直樁板墻取墻后最大土壓力作為擋土板的承壓荷載，樁仍然按照抗滑樁進行計算。曾新平［3］通過理論方法對抗滑樁與擋土墻的聯合支擋結構進行計算，利用數值模擬進行驗證。劉濱源［4］利用理論方法對懸臂式抗滑樁與抗滑樁-擋土墻的組合支擋結構以及兩種單獨結構進行受力計算，結合數值模擬分析出組合結構的優點。

本文依托并排組合樁板墻實際項目，設計模型試驗來模擬不同試驗參數下的工況。通過對填筑完成后的模型進行加載，研究不同新樁截面尺寸下組合支擋結構的受力變形、不同組合方式下既有樁與新樁協同作用的效果等。

1 模型試驗概況

中蘭客運專線引入蘭州樞紐為中衛至蘭州鐵路同期建設的配套工程，新建三四線正線從福利區站引出。路基施工全部臨近既有線，施工過程中將會對既有支擋結構以及鄰近市政道路產生不可知的影響。為不影響道路正常運行，需在既有支擋工程范圍以內設置新支擋工程收坡，因此出現了新舊支擋聯合工作的情況［5］。

1.1 模型試驗相似理論準則

實際項目中樁體材料選用C40鋼筋混凝土。樁截面尺寸2.0 m×1.5 m，既有樁和新樁樁長分別為18 m和24 m。樁與樁之間的懸臂部分設擋土板，材料與樁體一致，樁間距為6 m，擋土板高0.5 m，厚0.4 m。

模型試驗基于相似理論，通過幾何和材料的相似性，按照一定的縮尺比例將原型結構利用模型模擬出來［6］。設計模型試驗時，模型的各項參數都應滿足相似要求。根據相似理論建立與應力σ和位移U相關的函數關系［7］，即

式中：F為荷載；E為彈性模量；ν為泊松比；γ為重度；φ為內摩擦角；l為長度；A為截面面積。

根據原型與模型的力學響應相似，可以得到

式中：下標的p、m分別代表原型和模型。

按照相似理論準則推導出各項參數的相似比C，見表1。

表1 模型相似比

1.2 試驗模型箱

試驗模型箱的框架采用角鋼焊接而成，尺寸為100 cm（長）×50 cm（寬）×80 cm（高），模型箱四周和底部為有機玻璃。

1.3 試驗材料選用

模型試驗所用土樣為過2 mm 篩的中粗砂，土樣的基本力學參數為：最大干密度ρdmax= 1.92 g/cm3，內摩擦角φ=32°，黏聚力c=0，按壓實系數K=0.9控制模型中土的密度。

既有模型樁長40 cm，截面尺寸為2.0 cm×1.5 cm，埋入土體內深為22 cm，懸臂段18 cm；新增模型樁長64 cm，采用三種不同截面尺寸，分別為1.5 cm×1.0 cm、2.0 cm × 1.5 cm、3.0 cm × 2.0 cm，埋入土體內深為34 cm，懸臂段30 cm；擋土板長12 cm，高2 cm，厚0.5 cm。樁與板材質均為有機玻璃。

1.4 數據采集系統

給試驗樁編號，1#、3#、5#、7#、9#樁為既有樁，2#、4#、6#、8#樁為新樁。為采集樁身彎矩，取3#—6#樁進行測試，元器件布置如圖1所示。對于既有樁，距離樁頂部2 cm 開始，每隔9 cm 布置測點，樁前后面對稱貼應變片，共布置10個應變片；對于新增樁，距離樁頂部2 cm開始，每隔10 cm 布置測點，樁前后面對稱貼應變片，共布置14個應變片。

圖1 元器件布置（單位：cm）

沿既有支護樁以及新增支護樁樁身布置荷載傳感器用來測定在填土及外加荷載作用時樁后土壓力的變化。荷載傳感器直徑為10 mm，厚度為5 mm，量程為10 kg。分別對3#、5#、7#既有樁及4#、6#新增樁進行測定，既有樁自樁頂起間隔4 cm 布置荷載傳感器，中心樁兩側布置，剩余樁只布置單側；新樁自樁頂起間隔4 cm布置荷載傳感器，單側布置，共布置8個。

對3#、5#既有樁以及4#、6#新樁進行位移測定。既有樁自樁頂起間隔6 cm 布置百分表，共布置4 個；新樁自樁頂起間隔7 cm布置百分表，共布置5個。

用靜態應變測試分析系統采集整個試驗過程中樁身應變，通過將荷載傳感器連接壓力顯示儀表讀取樁后壓力。

2 試驗方案

自模型箱底部填土至16 cm 處安置新樁套管，套管邊緣距模型箱側面7 cm，共布置4根，間距12 cm；安置完成后繼續填土至距箱底28 cm 處放置既有樁，既有樁緊貼模型箱側面布置，共布置5 根，間距12 cm。填土至距模型箱頂面30 cm 時，在樁后安放擋土板同時進行填土，填土過程中樁后布置荷載傳感器，樁前安裝位移百分表。填土至既有樁頂部時，自既有樁樁頂到模型箱頂面進行1∶1.5 拉坡處理，等待變形穩定之后，在距離坡頂水平位移10 cm 處施加既有列車荷載。加載完成后進行卸載，將新樁放入套管后取出套管，樁后安放擋土板并填土至新樁樁頂，填土過程中布置剩余的荷載傳感器以及位移百分表。整體填筑完成等待變形穩定之后進行加載，由于模型較小，試驗加載采用堆載方式，在距離樁頂水平位移10 cm 處放置一塊50 cm × 15 cm 的木板，分級加載，每級加載2 kPa，因此每級加載質量為15 kg，加載至樁頂位移超出樁長懸臂段的1%后達到規范限值，停止加載。組合支擋結構分級加載見圖2。

圖2 組合支擋結構分級加載

3 試驗結果分析

由于現場既有樁尺寸無法改變，所以試驗中固定既有樁截面尺寸為2.0 cm×1.5 cm，通過改變新樁截面尺寸來觀察其對結構的影響。三種不同的工況為新樁截面尺寸1.5 cm × 1.0 cm（工況一）、2.0 cm ×1.5 cm（工況二）、3.0 cm×2.0 cm（工況三）。

3.1 樁身側向位移

填筑完成后加載至樁頂位移超出規范限值時，5#既有樁與4#新樁的樁頂位移見圖3。可知：①隨著荷載的增大，樁頂位移也逐漸增大。荷載從0 增大至6 kPa 時，位移變化速率緩慢，三種工況下既有樁與新樁樁頂位移相差很小；隨著荷載逐漸增大，超出6 kPa之后，小截面尺寸新樁下的既有樁樁頂位移變化速率明顯大于大截面尺寸樁，由于小截面尺寸樁抗彎能力較弱，更容易發生失穩破壞。②加載至位移超限，不同樁截面尺寸所能承受的臨界荷載也不相同。豎向荷載達到12 kPa 時，工況一的既有樁樁頂位移為2.67 mm，新樁樁頂位移為4.21 mm；豎向荷載達到16 kPa時，工況二的既有樁樁頂位移為2.75 mm，新樁樁頂位移為4.33 mm；豎向荷載達到22 kPa時，工況三的既有樁樁頂位移為2.25 mm，新樁樁頂位移為3.27 mm。按照TB 10025—2019《鐵路路基支擋結構設計規范》的規定計算得到，既有樁樁頂位移應小于1.8 mm，新樁樁頂位移應小于3.0 mm。

圖3 不同工況下樁頂位移變化曲線

不同工況下5#既有樁及4#新樁加載至14 kPa 時，樁身懸臂段位移見圖4。可知：對于既有樁，隨著新樁截面尺寸的減小，樁身位移在逐漸增大，小截面尺寸樁位移隨荷載增長幅度要遠大于大截面尺寸樁，且樁頂位移增幅也遠大于距樁頂12 cm 處；新樁位移增長趨勢與既有樁基本一致。

圖4 荷載14 kPa時不同工況樁身位移變化曲線

現場新線荷載與既有線荷載均為54.1 kN/m2，寬3.4 m，利用相似理論縮放至模型時最終承受豎向荷載為10.82 kPa。由于結構需要有一定的安全儲備，2.0 cm × 1.5 cm、3.0 cm × 2.0 cm 樁滿足要求。為了能夠更好地利用以及節省材料，新樁截面可以選用2.0 cm×1.5 cm。

3.2 樁身彎矩

三種工況下，5#既有樁以及4#新樁的樁身最大彎矩見圖5。可知：對于既有樁，隨著豎向荷載增加，樁身最大彎矩也逐漸增大，并且增長幅度隨荷載變大，三種工況下的增長幅度基本一致，同一荷載條件下工況一的彎矩最小，工況三彎矩最大；新樁彎矩變化規律與既有樁一致，同一工況下新樁彎矩最大值要略大于既有樁。

圖5 不同工況下新樁與既有樁最大彎矩

荷載14 kPa 時不同工況下樁身彎矩見圖6。可知：新樁與既有樁的彎矩沿樁身呈拋物線形，既有樁樁身最大彎矩在樁埋深20 cm 處，工況一—工況三既有樁所承受的最大彎矩分別為174.6、196.8、213.5 N·cm，工況二既有樁最大樁身彎矩相較于工況一增大了12.7%，工況三既有樁最大樁身彎矩相較于工況二增大了8.5%；對于新樁，彎矩變化規律與既有樁大致相同，新樁樁身最大彎矩點在樁埋深32 cm處，工況一—工況三新樁所承受的最大彎矩分別為174.1、198.3、218.0 N·cm，工況二新樁最大樁身彎矩相較于工況一增大了13.9%，工況三新樁最大樁身彎矩相較于工況二增大了9.9%。當附加荷載增加至14 kPa 時，對于新樁和既有樁而言，三種截面樁所受到的彎矩最大值相差都在10%左右，在這個區間內樁體材料并未產生破壞。同時考慮樁身位移滿足TB 10025—2019的要求，選擇2.0 cm×1.5 cm 樁是合理有效的。

圖6 荷載14 kPa時不同工況樁身彎矩變化曲線

3.3 樁后土壓力

樁后土壓力利用荷載傳感器通過擋土板的受力換算得出，如圖7所示。

圖7 換算土壓力示意

既有樁懸臂段土壓力換算方法為

新樁樁頂至既有樁樁頂土壓力換算方法為

式中：m1、m2、m3為荷載傳感器讀數。

對于既有樁懸臂段，m1、m2、m3分別代表同一水平面內3#既有樁、4#新樁以及5#既有樁樁后荷載讀數；對于新樁樁頂至既有樁樁頂部分，m1、m3分別為4#新樁與6#新樁樁后荷載讀數。

荷載增加至14 kPa 時不同工況下樁后土壓力見圖8。可知：①對于既有樁，三種不同工況下樁后土壓力隨著埋深的增加而逐漸增大。自樁頂至距樁頂8 cm 處，土壓力增長緩慢；從距樁頂8 cm 到16 cm 處，土壓力增長迅速；樁深為16 cm 時，工況一既有樁樁后土壓力為3.02 kPa，工況二為4.23 kPa，工況三為5.61 kPa，說明隨著新樁截面尺寸的變大，既有樁樁后土壓力在逐漸增大。②對于新樁，樁后土壓力變化規律與既有樁基本一致。自樁頂至距樁頂20 cm 處，土壓力增長緩慢；從距樁頂20 cm 到30 cm 處，土壓力增長迅速；樁深為30 cm 時，工況一新樁樁后土壓力為2.96 kPa，工況二為5.18 kPa，工況三為5.69 kPa。③在同一深度下，既有樁與新樁樁后土壓力基本相同，不同新樁截面尺寸對組合支擋結構樁后土壓力影響顯著。

圖8 荷載14 kPa時不同工況樁后土壓力變化曲線

3.4 荷載分擔比

在既有樁板墻單獨作用時，其承擔了所有的路基荷載，增建新樁板墻之后，路基上部荷載由新樁和既有樁共同承擔［8-9］。不同工況下新樁的土壓力荷載分擔比見圖9。可知：對于同一截面的新樁而言，新樁的土壓力荷載分擔比隨著荷載的增加逐漸增大，且增長幅度也不相同，新樁截面尺寸越大，增長幅度就越大，新樁與既有樁的協同作用也越好。荷載為14 kPa 時，工況一新樁的荷載分擔為54.6%，工況二新樁的荷載分擔為56.9%，工況三新樁的荷載分擔為57.8%，說明3.0 cm × 2.0 cm 新樁在組合支擋結構協同作用時的效果更優。

圖9 不同工況下新樁土壓力荷載分擔比

由于2.0 cm × 1.5 cm 樁與3.0 cm × 2.0 cm 樁在加載至14 kPa 時土壓力荷載分擔比相差僅有1%，結合樁身位移以及彎矩所得到的結果，新樁截面選取2.0 cm×1.5 cm用來加固結構更為合理。

4 結論

1）同等荷載條件、不同工況下，樁身位移增長幅度不同，新樁與既有樁規律一致，大截面尺寸新樁條件下的樁身位移增長小于小截面尺寸樁。

2）彎矩增幅隨著荷載增加而逐漸增大，相同荷載、不同工況下，新樁與既有樁產生最大彎矩的埋深基本相同，但小截面尺寸新樁下的最大彎矩小于大截面尺寸樁。

3）不同工況下的新樁，土壓力荷載分擔比隨著新樁截面尺寸的增加而增大。

4）結合樁身位移以及彎矩所得到的結果，新樁截面選取2.0 cm×1.5 cm 用來加固結構更為合理，能夠在實際線路拓寬工程中用來進行支擋結構的加固。