預制拼裝式箱形重力式擋土墻的研發與工程應用

■鄒文輝 盧建亮潘子文

(1.三明市公路局，三明 365000；2.南平市永拓工程有限公司，南平 353000)

0 前言

福建省近年來鑒于強對流天氣、災害天氣以及長時間、高強度、大面積的集中降雨等極端天氣的頻繁出現，常發生邊坡不穩定導致公路中斷的險情。以2010年6、7月間的公路水毀情況為例，據不完全統計，共有約2797處路基發生坍塌、邊坡溜方等病害，其中路基損毀占水毀總量的68.2%，損失嚴重，尤以山區公路為重災害區、路基為重點災害部位[1]。

因水毀導致的公路中斷，其搶險任務具有較高的時效性要求。為實現快速修復、即時開放交通，本文以預制拼裝式擋墻為研究對象，基于數值分析方法，研發了一種施工工藝簡單、適用性強的新型預制裝配式擋土墻結構，并應用于實際公路路基修復工程中。

1 預制裝配式箱形重力式擋土墻設計方案

預制裝配式結構因其具有能源消耗低、建造速度快、環境污染少、質量有保證等特點，正逐步成為結構發展的主流方向，這其中也包含了對快速施工要求較高的公路水毀修復工程中的擋土墻結構。目前，國內外已提出一些預制裝配式擋土墻結構，例如扶壁式裝配擋土墻[2]、格賓網箱擋土墻[3]、日本的箱形擋土墻[4]、綠色預制擋土墻[5]、預制塊材 Golcon體系[6]、MSE擋土墻[7]、GRS-RW 系列擋土墻及SRW擋土墻體系[8]等。

1.1 概念設計

本文結合MSE擋土墻與SRW擋土墻等結構體系的優點，及重力式擋土墻的受力特點與使用優勢，提出了以“田”字型空心截面形式為主，由標準箱形預制構件、底部箱形預制構件以及預制底板三部分組成，以榫接方式為連接形式的新型預制裝配式擋土墻結構——預制裝配式箱形重力式擋土墻。其具體結構組成如圖1所示。

圖1 預制裝配式箱形重力式擋土墻構件示意圖

底部預制構件通過對墻身底部構件增設突出墻趾來達到增強結構的抗傾覆性能的目的，其具體尺寸可以根據實際需求進行適當改變。

預制底板主要用于地基承載能力較弱時需要增大擋土墻底部接觸面積的情況。

構件的空心位置可根據設計計算并考慮實際情況選取合適重度的填料進行填充。

綜合上述設計概念可知，該預制裝配式擋土墻具有以下優點：

(1)施工簡便，質量可以得到較好保障；

(2)施工周期短，可以快速有效形成對邊坡安全的防護；

(3)填料可利用施工現場開挖出的土石方，降低施工成本；

(4)可以在擋墻頂部填土位置種植植被，美化環境。

1.2 結構基本參數擬定

本文擬定的擋土墻基本形式如圖2所示。需確定的基本參數包括擋土墻寬(B)、擋墻高度(H)、墻趾寬度(B1)、及墻趾高度(H1)。

圖2 擬定的擋土墻形式

在進行擋土墻基本參數擬定時應滿足以下前提要求：

⑴預制構件的連接假定為不會發生相對錯動，且不會破壞；

⑵采用庫倫理論作為墻背填土壓力的計算理論。

與此同時，結構基本參數的擬定還需滿足現行相關規范對擋土墻結構的要求。本文分別從墻背土壓力對擋墻高度的影響規律、擋土墻結構需要滿足的抗滑移穩定性與抗傾覆穩定性的要求以及基地偏心距分析結果入手，探討了填土土質粘聚力與內摩擦角對墻高的影響、截面寬度與墻趾寬度對穩定性的影響程度以及基地壓力分布情況的變化規律。鑒于篇幅所限，具體討論詳見文獻[9]。

經對比分析后，最終確定的結構基本尺寸為：橫截面寬B=2.2m，墻趾寬B1=0.4m，擋墻高度H不宜超過8m；墻趾高H1=0.5m。

此外，根據吊裝及受理要求，確定箱形截面的壁厚為160mm，榫接塊的尺寸 (長×寬×高)為400mm×160mm×160mm，且每個預制構件配置4個吊環的預制方案。

2 預制裝配式箱形重力式擋土墻破壞模式研究

擋土墻在使用過程中必然會經歷破壞過程，本文借助OptumG2數值分析軟件，就預制裝配式箱形重力式擋土墻結構在平動(T模式)與轉動(RB模式)下的破壞形式進行了分析。

2.1 數值分析模型的建立

分析對象的具體尺寸為墻高8.0m(不包括底板厚度)，墻寬2.2m，底部墻趾寬0.4m，高0.5m，擋土墻底板厚度為0.3m，寬3.0m。墻背后山體坡腳據擋墻墻踵1m，山體坡度α根據破裂角(φ/2+45°)選取55°以保證墻背填土破裂角不會受到影響。據此建立的T模式與RB模式數值分析模型如圖3所示。

圖3 數值分析有限元模型

擋土墻有限元模型在計算分析時，其網格劃分采用自適應控制劃分方法，主要控制因素有剪切耗散、總耗散、應變、塑型乘數；模型邊界條件采用標準固定邊界模式，這個模式的特點在于在豎直方向上選取法向約束，在底部水平方向上選取完全約束。

RB模式下數值分析模型基本與T模式相同。模型中僅乘數荷載類型和布置位置與T模式有所不同。

數值分析基本假定如下：

(1)土體滿足mohr-coulomb準則；

(2)屬于平面應變問題；

(3)不考慮地下水的作用；

(4)墻背豎直，墻后填土表面水平；

(5)擋土墻墻身為整塊剛體。

2.2 分析工況

本文以地基土土質為硬塑配以不同土質的墻背填土為例，采用極限分析方法對結構在兩種模式下的破壞情況進行討論。具體分析工況見表1，土質參數取值見表2。

表1 破壞模式數值分析工況表

表2 不同土質對應的參數取值

2.3 破壞模式分析結果

1)T模式

圖4～圖6分別給出了T模式分析條件下三種工況對應的擋土墻破壞時剪切耗散情況。

圖4 工況1擋土墻破壞的剪切耗散圖

圖5 工況2擋土墻破壞的剪切耗散圖

圖6 工況3擋土墻破壞的剪切耗散圖

由圖4～圖6可知，三種工況下剪切耗散的分布特點均表現為從擋墻底部向下延伸的位置逐漸向墻趾處移動。有所不同的是，當墻背填土為可塑狀態與密砂狀態時，剪切耗散在向擋墻前土面延伸時達到土面表層，最終在地基土中形成一個類似拋物線狀的貫通的剪切耗散面；但當墻背填土的狀態變為中密砂時，剪切耗散在向擋墻前土面延伸時并未達到土面表層，從墻背圖的剪切耗散情況來看，當墻背填土為密砂與中密砂時，墻背土的剪切耗散僅自墻踵沿墻背擴散。

從破壞模式上看，當無外荷載作用時，墻背填土為可塑狀態時，擋土墻達到極限狀態時具有滑移和傾覆共同引起的破壞趨勢；而當墻背土為中密砂與密砂時，擋土墻達到極限狀態時具有傾覆的破壞趨勢。

2)RB模式

圖7～圖9給出了RB模式下不同工況對應的剪切耗散情況。由圖7～圖9可以看出，RB模式下剪切耗散從墻趾處向下擴散，一部分向擋墻前方土面延伸，另一部分向墻踵延伸形成閉合環形。其破壞特點呈現傾覆的破壞趨勢。

相較于三種墻背填土情況而言，不同之處在于墻背土的破壞程度有所區別，土質越軟，破壞程度越大。

另外，與T模式下的破壞分析結果相比，RB模式下結構發生傾覆破壞的特征較T模式更為明顯。

圖7 工況1擋土墻破壞的剪切耗散圖(RB)

3 工程應用

3.1 工程背景

本文選取福建省三明市將樂縣境內S204線K279+798.000～K279+816.000的路基邊坡修復工程作為實際應用案例。修復邊坡長度為18m。

3.2 擋土墻設計

該修復路段擋土墻墻高8.2m，采用仰斜式結構。其主要參數見表3。

圖8 工況2擋土墻破壞的剪切耗散圖(RB)

圖9 工況3擋土墻破壞的剪切耗散圖(RB)

表3 相關參數一覽表

結構構造如圖10所示。施工完成后的效果圖如圖11所示。

圖10 實際工程擋土墻結構參數(單位：mm)

3.3 應用效果

該水毀修復工程從第一塊預制塊起吊至施工全過程完成，實現通車總計耗時3個工作日，施工過程中每一塊標準預制塊從起吊至安裝就位平均耗時約5min，大大縮短了施工時間，提高了施工效率。

此外，為了解該擋土墻在道路通車運營后的工作性能，對該擋土墻墻背的土壓力以及墻體變形情況進行了定期檢測。檢測時間從項目完成投入使用(2018年10月26日)至2018年11月10日。

圖11 施工完成后效果圖

檢測結果顯示，墻后土壓力變化基本控制在0.01MPa，墻體變形變化量為2mm左右，均未出現較大幅度的變化。由此可知，該擋土墻在運營過程中保持了良好的穩定性與安全性。

4 結論

本文基于預制拼裝技術與傳統重力式擋土墻結構的主要特點，研發了一種新型預制裝配式箱形重力式擋土墻結構。經理論分析明確了該結構破壞特點。結合實際工程的應用情況表明，該擋土墻具有較好的工作性能與穩定性。其在工程中的使用，不僅可以大大提高擋土墻的施工效率，滿足水毀工程隊邊坡修復提出的高時效性要求，同時，因其有效利用了開挖土方，并且具有頂部植被綠化的功能，充分體現了環保理念、可持續發展理念以及美化公路環境的優勢。