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摘 要：针对山区高速公路拓宽工程，提出路肩式悬臂桩板墙支护方案，采用数值方法分析高填方路堤侧向位移、沉降及土压力变化规律，研究桩板墙的支挡效果、桩板内力分布及变形规律。分析结果表明，桩板墙应用于路基拓宽工程效果显著，路堤在加宽路基自重荷载作用下沉降主要集中在其上部，路基顶面沉降曲线呈“勺子”形，侧向位移从路基顶面到底部线性减小；桩体能较好地联结上部垂直坡体和下部锚固段岩土体，协调二者的侧向变形差异；桩嵌入深度增大，土体位移减小，桩身内力减小；桩间距增大，土体位移增大，桩身内力增大；桩间距变化所产生的影响大于桩长变化所产生的影响。该研究成果对高填方路堤桩板墙支挡工程中桩体参数优化和新旧路基结合部位的处治均有借鉴意义。
关键词：高填方；拓宽；桩板墙；数值分析
中图分类号： TU7 文献标识码： A 文章编号：1671-3362（2013）10-0226-02
引言
近年来我国经济快速发展，21世纪初修建的众多高速公路通行能力已无法满足日益增长的交通需求，大量高速公路路基需改造拓宽。而高填方拓宽路堤工程，涉及到路堤本身的变形与稳定问题，尤其当因条件限制新填筑路堤段不能放坡而形成高垂直边坡时，支护形式对于减少路堤的不均匀变形及提高其稳定性就显得尤为重要。而桩板墙在支护工程中一向表现优异，桩体能将上部坡体和下部锚固段岩土体联结成共同作用体，有效改善坡脚应力集中现象和上部拉应力现象[1]。挡土板的设计若充分考虑土拱效应，可以减小其工程量[2]。但是纵观相关文献[3-5]，现有桩板墙工程大都采用预应力锚索桩板墙，且除了应用于基坑支护工程，大部分桩板墙施工位于路堤下方，对于高填方路堤拓宽采用路肩式悬臂桩板墙支护的研究和工程实例较为少见。
本文结合山区高速公路拓宽工程，提出了路肩式悬臂桩板墙支护方案，并采用数值模拟方法分析桩板墙支护路堤垂直边坡的处治效果，研究其实际应用的可行性，并对桩长和桩间距等参数进行优化，使经济效益达到最佳。研究结论可为相关设计提供理论参考。
1 工程背景及计算模型
该高填方路段属于河南省洛三线高速公路加宽改造工程，需将原路面双向四车道扩建为双向八车道[6]。为减少道路通车干扰、降低施工难度和避免或减少耕地占用，对于填方高度大于15m的双侧拼宽路基段设计采用路肩式悬臂板桩墙支护方案。本文研究的路段中新路基边坡高8m，边坡临空面竖直。挡土墙参照嵌岩桩板墙设计，一块挡土板长宽高分别为3.96m、0.60m、0.25m，单桩高长宽分别为20.0m、1.3m、2.2m，其中桩悬臂长8m，桩间距4m。
建模时根据工程地质条件进行简化，按土层分布情况将模型分组为天然地基、原路堤和新路堤，桩、板用FLAC3D自带结构单元模拟。根据对称性，模型取单幅路基，截取路基走向50m，边坡高40m，包括5个台阶。为消除边界效应的影响，边坡下方设130m×50m的天然地基。计算中在与桩体内侧接触的土体和路面各取两组节点作为位移和土压力监测点。计算模型如图1所示。
模型底部采用固定边界，沿路线走向边界固定Y方向位移，垂直路线走向边界固定X、Y方向位移。计算参数以现场取样所得实验结果为基准，取值见表1。车辆荷载参考《公路挡土墙设计与施工技术细则》[7]中荷载作用的取值规定，车辆附加荷载标准值取20 kPa，分布在各个车道上。
2 模拟结果分析
2.1 桩板墙处治效果
新填筑路堤作为主要荷载作用于挡土板，板又将荷载传至桩体，因此桩为主要受力构件。图2为垂直路基走向的桩身内力分布图。桩体因承受新路堤传递的侧向接触压力，弯矩自桩顶向下逐渐增加，在墙下1.5m处达到最大值1928kN·m，之后在桩身嵌入段内，随埋深增加而减小，直至桩底处为0。弯矩图近似抛物线，对称轴向墙踵下部偏移是因为桩体嵌固在斜坡上，桩土起始接触点未受较大地基反力。剪力图亦证明此点：在桩身悬臂段，剪力自上而下逐渐增加，延续到墙下1m深度处最大值418kN，随后剪力迅速减小，在3m深度处减小至0并开始反向增大，在6m深度处达到反向剪力峰值215kN，此后剪力随深度减小。
图3为桩板墙墙后土压力分布图。沿路基走向取一断面观察，土压力沿墙高呈非线性分布：桩身悬臂段土压力自顶部开始较小，在接近墙踵时迅速增大，峰值为135～160kPa，墙下土压力基本维持在110kPa左右。从空间分布形式上看，土压力在桩作用的位置明显比相同高度处挡土板作用的位置处大，
2.2 拓宽路堤变形规律
路堤位移变化如图4所示。墙面附近土体侧向位移呈线性分布，最大值34.4mm位于桩顶处，墙下0～9m深度范围内土体受抗滑桩挤压影响，位移2～14mm；路面沉降量呈“勺子”形分布，新老路基结合处沉降量增加较快，距路面中心15.3m处沉降量达到最大值，为89.8mm。整体来看：水平位移分布情况为路肩处最大，往墙踵线性减小；竖向位移集中在新路堤的中上部，旧路堤固结沉降基本完成，新填筑路堤自身沉降较明显。
2.3 桩板墙处治敏感性分析
为对比不同桩参数对支护效果的影响，分别对桩长、桩间距取不同数值，即桩长增设18m和22m，桩间距增设3.5m和4.5m。计算整理得共9组数据，从表2可看出，桩间距固定时，桩身每增加2m，横向位移减小5%～10%，沉降量减小1%～2%，挡土板正应力减小约5%。桩长固定时，桩间距每增加0.5m，横向位移增大2%～3%，沉降量增大4%～5%，板内正应力增幅4%～5%。
图5为桩间距固定为4m、桩长取不同数值时桩身内力图。图5a中，随着桩身增长，桩身弯矩值减小，在墙踵处降幅明显。桩每增长2m，最大弯矩值减小70kN·m左右，减幅为3%～4%。图5b中，随着桩身增长，桩身剪力值减小，在墙踵下1m及3m处的正负剪力峰值降幅明显。桩每增长2m，最大剪力值（墙下3m处）减小20～30kN，减幅为10%～13%。 图6为桩长固定为20m、桩间距取不同数值时桩身内力图。图6a中，随着桩间距增大，桩身弯矩值增大，在墙踵处增幅明显。桩间距每增大0.5m，最大弯矩值增大约250kN·m，增幅约14%。图6b中，随着桩间距增大，桩身剪力值增大在墙踵下1m及3m处的正负剪力峰值降幅明显。桩间距每增大0.5m，最大剪力值（墙下3m处）增大30～50kN，增幅为14%～20%。
3 结语
桩板墙处治效果明显，桩体所选参数有足够安全度。桩板墙悬臂段土压力随着土体深度增加而增大，且表现出“土拱效应”，在墙下1m范围内，土压力达到最大值，在墙下3m深度后保持稳定。新路基顶面沉降曲线呈“勺子”形，路堤侧向位移呈线性分布。
桩体能较好地联结上部垂直坡体和下部锚固段岩土体，协调二者的侧向变形差异。桩最大弯矩值和最大剪力值都出现在墙踵下部1m范围内。桩嵌入深度增大或者桩间距减小，土体位移减小，桩身弯矩和剪力值减小，板内最大正应力相应减小。桩间距变化所产生的影响大于桩长变化所产生的影响，特别是桩身弯矩和剪力及板内正应力均变化幅度较大。
针对洛三高速公路的路基拓宽工程，在桩板正常使用极限状态内，可以在2m范围内缩短桩身嵌固段，适当扩大桩间距，相应调整挡土板参数取值。合理的参数既能保证边坡稳定性，又使桩板墙最有效发挥作用，提高其经济性。
参考文献
[1] 巨能攀，黄润秋，涂国祥.桩板墙桩土作用机理有限元分析[J].成都理工大学学报（自然科学版），2006，33（4）：365-370.
[2] 魏业清，张林洪.考虑土拱效应的桩板墙挡板设计[J].科学技术与工程，2008，8（21）：5964-5967.
[3]富海鹰，何昌荣.新型预应力锚拉式桩板墙的原型观测分析[J].岩土工程学报，2005，27（9）：1050-1054.
[4]李志勇，邓宗伟.预应力锚索桩板墙动态响应规律研究[J].岩土力学，2010，31（2）：645-648.
[5] 蒋楚生.路堤（肩）式预应力锚索桩板墙结构设计理论及工程应用研究[D].西南交通大学，2006.
[6] 韩文涛.单侧加宽扩建方式下的旧路面改建几个关键问题的考虑[J].中外公路，2012，32（5）：79-82.
[7] 中交第二公路勘察设计研究院有限公司.公路挡土墙设计与施工技术细则[M].北京：人民交通出版社，2008.
作者简介：李珠军（1989-），男，浙江台州人，硕士研究生，主要从事岩体力学及数值计算方面的研究工作。
关键词：高填方；拓宽；桩板墙；数值分析
中图分类号： TU7 文献标识码： A 文章编号：1671-3362（2013）10-0226-02
引言
近年来我国经济快速发展，21世纪初修建的众多高速公路通行能力已无法满足日益增长的交通需求，大量高速公路路基需改造拓宽。而高填方拓宽路堤工程，涉及到路堤本身的变形与稳定问题，尤其当因条件限制新填筑路堤段不能放坡而形成高垂直边坡时，支护形式对于减少路堤的不均匀变形及提高其稳定性就显得尤为重要。而桩板墙在支护工程中一向表现优异，桩体能将上部坡体和下部锚固段岩土体联结成共同作用体，有效改善坡脚应力集中现象和上部拉应力现象[1]。挡土板的设计若充分考虑土拱效应，可以减小其工程量[2]。但是纵观相关文献[3-5]，现有桩板墙工程大都采用预应力锚索桩板墙，且除了应用于基坑支护工程，大部分桩板墙施工位于路堤下方，对于高填方路堤拓宽采用路肩式悬臂桩板墙支护的研究和工程实例较为少见。
本文结合山区高速公路拓宽工程，提出了路肩式悬臂桩板墙支护方案，并采用数值模拟方法分析桩板墙支护路堤垂直边坡的处治效果，研究其实际应用的可行性，并对桩长和桩间距等参数进行优化，使经济效益达到最佳。研究结论可为相关设计提供理论参考。
1 工程背景及计算模型
该高填方路段属于河南省洛三线高速公路加宽改造工程，需将原路面双向四车道扩建为双向八车道[6]。为减少道路通车干扰、降低施工难度和避免或减少耕地占用，对于填方高度大于15m的双侧拼宽路基段设计采用路肩式悬臂板桩墙支护方案。本文研究的路段中新路基边坡高8m，边坡临空面竖直。挡土墙参照嵌岩桩板墙设计，一块挡土板长宽高分别为3.96m、0.60m、0.25m，单桩高长宽分别为20.0m、1.3m、2.2m，其中桩悬臂长8m，桩间距4m。
建模时根据工程地质条件进行简化，按土层分布情况将模型分组为天然地基、原路堤和新路堤，桩、板用FLAC3D自带结构单元模拟。根据对称性，模型取单幅路基，截取路基走向50m，边坡高40m，包括5个台阶。为消除边界效应的影响，边坡下方设130m×50m的天然地基。计算中在与桩体内侧接触的土体和路面各取两组节点作为位移和土压力监测点。计算模型如图1所示。
模型底部采用固定边界，沿路线走向边界固定Y方向位移，垂直路线走向边界固定X、Y方向位移。计算参数以现场取样所得实验结果为基准，取值见表1。车辆荷载参考《公路挡土墙设计与施工技术细则》[7]中荷载作用的取值规定，车辆附加荷载标准值取20 kPa，分布在各个车道上。
2 模拟结果分析
2.1 桩板墙处治效果
新填筑路堤作为主要荷载作用于挡土板，板又将荷载传至桩体，因此桩为主要受力构件。图2为垂直路基走向的桩身内力分布图。桩体因承受新路堤传递的侧向接触压力，弯矩自桩顶向下逐渐增加，在墙下1.5m处达到最大值1928kN·m，之后在桩身嵌入段内，随埋深增加而减小，直至桩底处为0。弯矩图近似抛物线，对称轴向墙踵下部偏移是因为桩体嵌固在斜坡上，桩土起始接触点未受较大地基反力。剪力图亦证明此点：在桩身悬臂段，剪力自上而下逐渐增加，延续到墙下1m深度处最大值418kN，随后剪力迅速减小，在3m深度处减小至0并开始反向增大，在6m深度处达到反向剪力峰值215kN，此后剪力随深度减小。
图3为桩板墙墙后土压力分布图。沿路基走向取一断面观察，土压力沿墙高呈非线性分布：桩身悬臂段土压力自顶部开始较小，在接近墙踵时迅速增大，峰值为135～160kPa，墙下土压力基本维持在110kPa左右。从空间分布形式上看，土压力在桩作用的位置明显比相同高度处挡土板作用的位置处大，
2.2 拓宽路堤变形规律
路堤位移变化如图4所示。墙面附近土体侧向位移呈线性分布，最大值34.4mm位于桩顶处，墙下0～9m深度范围内土体受抗滑桩挤压影响，位移2～14mm；路面沉降量呈“勺子”形分布，新老路基结合处沉降量增加较快，距路面中心15.3m处沉降量达到最大值，为89.8mm。整体来看：水平位移分布情况为路肩处最大，往墙踵线性减小；竖向位移集中在新路堤的中上部，旧路堤固结沉降基本完成，新填筑路堤自身沉降较明显。
2.3 桩板墙处治敏感性分析
为对比不同桩参数对支护效果的影响，分别对桩长、桩间距取不同数值，即桩长增设18m和22m，桩间距增设3.5m和4.5m。计算整理得共9组数据，从表2可看出，桩间距固定时，桩身每增加2m，横向位移减小5%～10%，沉降量减小1%～2%，挡土板正应力减小约5%。桩长固定时，桩间距每增加0.5m，横向位移增大2%～3%，沉降量增大4%～5%，板内正应力增幅4%～5%。
图5为桩间距固定为4m、桩长取不同数值时桩身内力图。图5a中，随着桩身增长，桩身弯矩值减小，在墙踵处降幅明显。桩每增长2m，最大弯矩值减小70kN·m左右，减幅为3%～4%。图5b中，随着桩身增长，桩身剪力值减小，在墙踵下1m及3m处的正负剪力峰值降幅明显。桩每增长2m，最大剪力值（墙下3m处）减小20～30kN，减幅为10%～13%。 图6为桩长固定为20m、桩间距取不同数值时桩身内力图。图6a中，随着桩间距增大，桩身弯矩值增大，在墙踵处增幅明显。桩间距每增大0.5m，最大弯矩值增大约250kN·m，增幅约14%。图6b中，随着桩间距增大，桩身剪力值增大在墙踵下1m及3m处的正负剪力峰值降幅明显。桩间距每增大0.5m，最大剪力值（墙下3m处）增大30～50kN，增幅为14%～20%。
3 结语
桩板墙处治效果明显，桩体所选参数有足够安全度。桩板墙悬臂段土压力随着土体深度增加而增大，且表现出“土拱效应”，在墙下1m范围内，土压力达到最大值，在墙下3m深度后保持稳定。新路基顶面沉降曲线呈“勺子”形，路堤侧向位移呈线性分布。
桩体能较好地联结上部垂直坡体和下部锚固段岩土体，协调二者的侧向变形差异。桩最大弯矩值和最大剪力值都出现在墙踵下部1m范围内。桩嵌入深度增大或者桩间距减小，土体位移减小，桩身弯矩和剪力值减小，板内最大正应力相应减小。桩间距变化所产生的影响大于桩长变化所产生的影响，特别是桩身弯矩和剪力及板内正应力均变化幅度较大。
针对洛三高速公路的路基拓宽工程，在桩板正常使用极限状态内，可以在2m范围内缩短桩身嵌固段，适当扩大桩间距，相应调整挡土板参数取值。合理的参数既能保证边坡稳定性，又使桩板墙最有效发挥作用，提高其经济性。
参考文献
[1] 巨能攀，黄润秋，涂国祥.桩板墙桩土作用机理有限元分析[J].成都理工大学学报（自然科学版），2006，33（4）：365-370.
[2] 魏业清，张林洪.考虑土拱效应的桩板墙挡板设计[J].科学技术与工程，2008，8（21）：5964-5967.
[3]富海鹰，何昌荣.新型预应力锚拉式桩板墙的原型观测分析[J].岩土工程学报，2005，27（9）：1050-1054.
[4]李志勇，邓宗伟.预应力锚索桩板墙动态响应规律研究[J].岩土力学，2010，31（2）：645-648.
[5] 蒋楚生.路堤（肩）式预应力锚索桩板墙结构设计理论及工程应用研究[D].西南交通大学，2006.
[6] 韩文涛.单侧加宽扩建方式下的旧路面改建几个关键问题的考虑[J].中外公路，2012，32（5）：79-82.
[7] 中交第二公路勘察设计研究院有限公司.公路挡土墙设计与施工技术细则[M].北京：人民交通出版社，2008.
作者简介：李珠军（1989-），男，浙江台州人，硕士研究生，主要从事岩体力学及数值计算方面的研究工作。