預(yù)制拼裝式箱形重力式擋土墻的研發(fā)與工程應(yīng)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(zāi)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(xiàn)，常發(fā)生邊坡不穩(wěn)定導(dǎo)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(jù)不完全統(tǒng)計，共有約2797處路基發(fā)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(yán)重，尤以山區(qū)公路為重災(zāi)害區(qū)、路基為重點災(zāi)害部位[1]。

因水毀導(dǎo)致的公路中斷，其搶險任務(wù)具有較高的時效性要求。為實現(xiàn)快速修復(fù)、即時開放交通，本文以預(yù)制拼裝式擋墻為研究對象，基于數(shù)值分析方法，研發(fā)了一種施工工藝簡單、適用性強的新型預(yù)制裝配式擋土墻結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于實際公路路基修復(fù)工程中。

1 預(yù)制裝配式箱形重力式擋土墻設(shè)計方案

預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)因其具有能源消耗低、建造速度快、環(huán)境污染少、質(zhì)量有保證等特點，正逐步成為結(jié)構(gòu)發(fā)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(fù)工程中的擋土墻結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)外已提出一些預(yù)制裝配式擋土墻結(jié)構(gòu)，例如扶壁式裝配擋土墻[2]、格賓網(wǎng)箱擋土墻[3]、日本的箱形擋土墻[4]、綠色預(yù)制擋土墻[5]、預(yù)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(shè)計

本文結(jié)合MSE擋土墻與SRW擋土墻等結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點，及重力式擋土墻的受力特點與使用優(yōu)勢，提出了以“田”字型空心截面形式為主，由標(biāo)準(zhǔn)箱形預(yù)制構(gòu)件、底部箱形預(yù)制構(gòu)件以及預(yù)制底板三部分組成，以榫接方式為連接形式的新型預(yù)制裝配式擋土墻結(jié)構(gòu)——預(yù)制裝配式箱形重力式擋土墻。其具體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 預(yù)制裝配式箱形重力式擋土墻構(gòu)件示意圖

底部預(yù)制構(gòu)件通過對墻身底部構(gòu)件增設(shè)突出墻趾來達(dá)到增強結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能的目的，其具體尺寸可以根據(jù)實際需求進(jìn)行適當(dāng)改變。

預(yù)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(gòu)件的空心位置可根據(jù)設(shè)計計算并考慮實際情況選取合適重度的填料進(jìn)行填充。

綜合上述設(shè)計概念可知，該預(yù)制裝配式擋土墻具有以下優(yōu)點：

(1)施工簡便，質(zhì)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(hù)；

(3)填料可利用施工現(xiàn)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(huán)境。

1.2 結(jié)構(gòu)基本參數(shù)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(shù)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(jìn)行擋土墻基本參數(shù)擬定時應(yīng)滿足以下前提要求：

⑴預(yù)制構(gòu)件的連接假定為不會發(fā)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(jié)構(gòu)基本參數(shù)的擬定還需滿足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范對擋土墻結(jié)構(gòu)的要求。本文分別從墻背土壓力對擋墻高度的影響規(guī)律、擋土墻結(jié)構(gòu)需要滿足的抗滑移穩(wěn)定性與抗傾覆穩(wěn)定性的要求以及基地偏心距分析結(jié)果入手，探討了填土土質(zhì)粘聚力與內(nèi)摩擦角對墻高的影響、截面寬度與墻趾寬度對穩(wěn)定性的影響程度以及基地壓力分布情況的變化規(guī)律。鑒于篇幅所限，具體討論詳見文獻(xiàn)[9]。

經(jīng)對比分析后，最終確定的結(jié)構(gòu)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(jù)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(yù)制構(gòu)件配置4個吊環(huán)的預(yù)制方案。

2 預(yù)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(jīng)歷破壞過程，本文借助OptumG2數(shù)值分析軟件，就預(yù)制裝配式箱形重力式擋土墻結(jié)構(gòu)在平動(T模式)與轉(zhuǎn)動(RB模式)下的破壞形式進(jìn)行了分析。

2.1 數(shù)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(jù)擋墻墻踵1m，山體坡度α根據(jù)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(jù)此建立的T模式與RB模式數(shù)值分析模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值分析有限元模型

擋土墻有限元模型在計算分析時，其網(wǎng)格劃分采用自適應(yīng)控制劃分方法，主要控制因素有剪切耗散、總耗散、應(yīng)變、塑型乘數(shù)；模型邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)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(shù)值分析模型基本與T模式相同。模型中僅乘數(shù)荷載類型和布置位置與T模式有所不同。

數(shù)值分析基本假定如下：

(1)土體滿足mohr-coulomb準(zhǔn)則；

(2)屬于平面應(yīng)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(zhì)為硬塑配以不同土質(zhì)的墻背填土為例，采用極限分析方法對結(jié)構(gòu)在兩種模式下的破壞情況進(jìn)行討論。具體分析工況見表1，土質(zhì)參數(shù)取值見表2。

表1 破壞模式數(shù)值分析工況表

表2 不同土質(zhì)對應(yīng)的參數(shù)取值

2.3 破壞模式分析結(jié)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(yīng)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(xiàn)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(dāng)墻背填土為可塑狀態(tài)與密砂狀態(tài)時，剪切耗散在向擋墻前土面延伸時達(dá)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(dāng)墻背填土的狀態(tài)變?yōu)橹忻苌皶r，剪切耗散在向擋墻前土面延伸時并未達(dá)到土面表層，從墻背圖的剪切耗散情況來看，當(dāng)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(dāng)無外荷載作用時，墻背填土為可塑狀態(tài)時，擋土墻達(dá)到極限狀態(tài)時具有滑移和傾覆共同引起的破壞趨勢；而當(dāng)墻背土為中密砂與密砂時，擋土墻達(dá)到極限狀態(tài)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(yīng)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(huán)形。其破壞特點呈現(xiàn)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(qū)別，土質(zhì)越軟，破壞程度越大。

另外，與T模式下的破壞分析結(jié)果相比，RB模式下結(jié)構(gòu)發(fā)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(yīng)用

3.1 工程背景

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

3.2 擋土墻設(shè)計

該修復(fù)路段擋土墻墻高8.2m，采用仰斜式結(jié)構(gòu)。其主要參數(shù)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(guān)參數(shù)一覽表

結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：mm)

3.3 應(yīng)用效果

該水毀修復(fù)工程從第一塊預(yù)制塊起吊至施工全過程完成，實現(xiàn)通車總計耗時3個工作日，施工過程中每一塊標(biāo)準(zhǔn)預(yù)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(jìn)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(jié)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(xiàn)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(wěn)定性與安全性。

4 結(jié)論

本文基于預(yù)制拼裝技術(shù)與傳統(tǒng)重力式擋土墻結(jié)構(gòu)的主要特點，研發(fā)了一種新型預(yù)制裝配式箱形重力式擋土墻結(jié)構(gòu)。經(jīng)理論分析明確了該結(jié)構(gòu)破壞特點。結(jié)合實際工程的應(yīng)用情況表明，該擋土墻具有較好的工作性能與穩(wěn)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(fù)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(xiàn)了環(huán)保理念、可持續(xù)發(fā)展理念以及美化公路環(huán)境的優(yōu)勢。