堤岸工程中高大扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

戴 維，彭振華，蔣浩然

（1、北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司東莞分院 廣東東莞523071；2、深圳中鐵二局工程有限公司 深圳518054）

0 引言

扶壁式擋土墻是抵抗墻后土壓力、提高墻后土體和工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一種工程構(gòu)筑物，由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便，在公路、鐵路工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在國(guó)內(nèi)，謝瑞豐［1］介紹了某鐵路站房扶壁式擋土墻與站臺(tái)雨棚、通道樓扶梯立柱合建設(shè)計(jì)方案，通過(guò)力學(xué)分析驗(yàn)證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，滿(mǎn)足使用要求。張亮［2］介紹了重慶某道路扶壁式擋墻傾斜事故，并采用了預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)扶壁式擋墻整體穩(wěn)定性加固的預(yù)防措施及地基注漿加固處理。在國(guó)外，F(xiàn)arhat 等人［3］提出了一種全預(yù)制混凝土扶壁式擋土墻體系，與傳統(tǒng)方法相比，該系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如減少施工時(shí)間、成本和環(huán)境影響。Davies等人［4］介紹了澳大利亞悉尼博塔尼港擴(kuò)建項(xiàng)目設(shè)計(jì)高度為21.5 m的大型扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)。

由于墻后土壓力和結(jié)構(gòu)與土相互作用的復(fù)雜性，很多學(xué)者采用了物理或數(shù)值模型來(lái)研究扶壁式擋土墻的力學(xué)行為，如沈宇鵬等人［5］采用Midas/GTS 分析采用盾構(gòu)法先后施工左右線隧道引起的橋間路基扶壁式擋墻的變形變化特征。鄒育等人［6］開(kāi)展了模型槽限定區(qū)域的擋土墻試驗(yàn)，對(duì)比分析放坡傾斜的扶壁式擋土墻、加卸載板的扶壁式擋土墻、拱形擋土墻、W形扶壁式擋土墻的變形特征和受力特點(diǎn)，結(jié)果表明W形扶壁式擋土墻具有穩(wěn)定性好、承載力高、材料用量少、施工工期快的優(yōu)點(diǎn)。熊健等人［7］采用有限元分析了某大型地下車(chē)站配套設(shè)施工程中11.5 m高的扶壁式擋土墻受力特性。Davies 等人［4］采用動(dòng)力有限元與Newmark 滑塊計(jì)算結(jié)果的等效性，建立了一個(gè)合適的擬靜力來(lái)表示地震荷載，這種合理化的抗震設(shè)計(jì)方法證明了設(shè)計(jì)的充分性，克服安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)。

然而，由于高大扶壁式擋墻應(yīng)用在堤岸工程中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算較為復(fù)雜，故很少有文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行研究，本文擬結(jié)合東莞某實(shí)際工程，詳細(xì)介紹擋土墻的工程背景、土壓力計(jì)算與穩(wěn)定性分析、擋土墻的施工流程與技術(shù)要求，本工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)方案和詳盡的數(shù)據(jù)可供類(lèi)似工程借鑒參考。

1 工程設(shè)計(jì)

本工程為河道治理和市政道路擴(kuò)建工程，位于東莞市虎門(mén)鎮(zhèn)東引運(yùn)河及太平水道東岸，河道治理修建現(xiàn)澆鋼筋混凝土扶壁式擋土墻以作堤岸防洪結(jié)構(gòu)，通過(guò)擋土墻截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)試算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整原試算斷面尺寸。扶壁式擋土墻的典型斷面與側(cè)面如圖1 所示，其中墻身總高5.6 m，墻寬0.4 m，墻趾懸挑長(zhǎng)2.0 m，墻踵懸挑長(zhǎng)4.3 m，底板高0.8 m，墻趾端部高0.8 m，扶肋間距5.0 m，扶肋厚0.4 m，扶壁兩端墻面板懸挑長(zhǎng)度2.1 m，鋼筋合力點(diǎn)到外皮距離50 mm，擋墻分段長(zhǎng)度20 m。

墻后為市政道路，土層主要為素填土、淤泥質(zhì)土和回填中粗砂，采用深層攪拌樁進(jìn)行地基處理，土的抗剪強(qiáng)度得到了提升。土壓力計(jì)算時(shí)將墻后土層概化為單一填土，其粘聚力為20 kPa，內(nèi)摩擦角為32°，重度為18.0 kN/m3，填土與墻背內(nèi)摩擦角為17.5°。底板下采用100 cm 厚C20混凝土墊層作為施工作業(yè)面，地基土采用風(fēng)化礫石土換填，厚600 cm，其粘聚力為5 kPa，內(nèi)摩擦角為35°，重度為20 kN/m3，與底板摩擦系數(shù)為0.4，地基承載力大于500 kPa（見(jiàn)圖1）。

圖1 現(xiàn)澆鋼筋混凝土扶壁式擋墻Fig.1 Cast-in-place Reinforced Concrete Buttress Retaining Wall

扶壁式擋土墻混凝土標(biāo)號(hào)為C35，重度取25 kN/m3，鋼筋采用HRB400 和HBR335。鋼筋保護(hù)層厚度為40 mm。扶壁式擋墻配筋如圖2所示，各部位的配筋形式與數(shù)量如表1所示，一段扶壁式擋土墻的混凝土總用量為176.08 m3，鋼筋總用量為10 243.3 kg。

2 土壓力計(jì)算

扶壁式擋土墻受力主要包含：擋墻自重、墻踵填土重力、填土側(cè)壓力、人行道人行荷載和車(chē)行活載。其中人行道人行荷載折算成土柱高為0.154 m，車(chē)行活載折算成土柱高0.744 m，兩者折算成一種均布荷載，得到土柱高h(yuǎn)0=0.55 m。

土壓力按照式⑴計(jì)算

圖2 扶壁式擋墻配筋Fig.2 Buttress Retaining Wall Reinforcement

表1 各部位配筋匯總Tab.1 Summary of Reinforcement for Each Part

式中主要參數(shù)物理意義詳見(jiàn)扶壁式擋墻土壓力計(jì)算模型（見(jiàn)圖3），其中c=20 kPa，φ=32°，δ=2φ/3=20.6°，γ=19.5 kN/m3，H=6.4 m，h0=0.55 m，d=0.5 m，α=37.5°，B=6.7 m，計(jì)算得到Ea=216.60 kN，Ex=88.46 kN，Ey=197.71 kN，作用點(diǎn)高度Zy=0.86 m。

圖3 扶壁式擋墻土壓力計(jì)算模型Fig.3 Earth Pressure Calculation Model of Buttress Retaining Wall

3 穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性是擋土墻設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，在實(shí)際工程中，失穩(wěn)破壞常有發(fā)生，尤其是傾覆失穩(wěn)較為常見(jiàn)，其破壞機(jī)理較為復(fù)雜，本設(shè)計(jì)依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D30-2015》［8］要求進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 抗滑動(dòng)穩(wěn)定性

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定系數(shù)；N為作用于基底上合力的豎向分力（kN）；μ為基底與地基間的摩擦系數(shù)，μ=0.4；c為地基土粘聚力；B為擋土墻底板寬度；Ex為滑移力（kN）。墻體截面積7.6 m2，重量190 kN，整個(gè)墻踵上的土重205 kN，c=5 kPa，B=6.7 m，Ex=88.47 kN，抗滑力Nμ+cB=191.50 kN，滑移驗(yàn)算滿(mǎn)足Kc=2.17 ＞1.30。

3.2 抗傾覆穩(wěn)定性

4 施工要點(diǎn)

扶壁式擋土墻施工按以下流程進(jìn)行：測(cè)量放線?墊層施工?底板鋼筋混凝土施工?搭設(shè)支架?吊裝墻身模板?綁扎墻身鋼筋?澆筑墻身混凝土?墻背反濾層施工?墻背回填?防浪墻施工。

4.1 擋土墻底板施工要點(diǎn)

⑴底板模板采用以6015為主的工具式組合鋼模板，模板安裝前應(yīng)對(duì)模板進(jìn)行刨光、修整、清洗并涂刷脫模劑，脫模劑嚴(yán)禁采用廢機(jī)油。

⑵底板鋼筋設(shè)計(jì)為上下2層鋼筋網(wǎng)片，鋼筋表面應(yīng)清潔，粘有的油污、泥土、浮銹使用前必須清理干凈，經(jīng)調(diào)直后的鋼筋不得有局部彎曲、死彎、小波浪形，其表面?zhèn)鄄粦?yīng)使鋼筋截面減少5%，鋼筋安裝的規(guī)格、型號(hào)、數(shù)量必須與設(shè)計(jì)圖紙一致，鋼筋安裝過(guò)程中應(yīng)仔細(xì)進(jìn)行核對(duì)。

⑶底板混凝土連續(xù)一次性澆筑完成，混凝土澆筑環(huán)境晝夜溫度平均不低于5℃或最低溫度不低于-3℃，局部溫度不高于40℃；混凝土采用分層澆筑，分層厚度控制在35～40 cm，縱向20 m 一層澆筑完成后，方可進(jìn)行下一層的澆筑，振搗采用插入式振動(dòng)器，振搗時(shí)嚴(yán)禁碰撞鋼筋和模型，在混凝土澆筑完成并且初凝后，對(duì)混凝土加以覆蓋并保濕養(yǎng)護(hù)。

⑷施工接縫面應(yīng)水平，邊緣處理平整；連接面應(yīng)進(jìn)行鑿毛處理，混凝土澆筑前應(yīng)灑水濕潤(rùn)連接面。

4.2 擋土墻墻身施工要點(diǎn)

⑴ 采用φ48.0 mm×3.5 mm 扣件式鋼管搭設(shè)支架，支架立桿橫距0.9 m，沿?fù)鯄﹂L(zhǎng)度方向縱距0.9 m，并根據(jù)支撐位置設(shè)置步距，支架每一步設(shè)置剪刀斜撐；支架外側(cè)設(shè)置與地面呈45°的拋撐，縱向每隔0.9 m設(shè)置支撐鋼管，支撐鋼管端部設(shè)置頂托，支撐在模板上；支架頂部設(shè)置工作平臺(tái)，平臺(tái)上采用腳手板滿(mǎn)鋪，平臺(tái)四周設(shè)置欄桿，欄桿高度110 cm；欄桿掛安全網(wǎng)兜底，上下支架采用鋼管設(shè)置梯步。

⑵墻身模板采用定型大塊鋼模，由模板廠家統(tǒng)一加工制作，高度分節(jié)為3.0 m與1.5 m。模板結(jié)構(gòu)面板采用4 mm 厚鋼板，橫肋采用厚度δ6 mm，高度h=70 mm鋼板，豎向間距30 cm，豎肋采用100 mm×100 mm×6 mm等邊角鋼，水平間距不得大于40 cm，背楞采用單根10#槽鋼，模板支撐采用φ48.0 mm×3.5 mm鋼管支架支撐到模板背楞上；支撐間距縱向0.9 m，豎向不得大于1.0 m，上下板縫處必須進(jìn)行支撐，若需支撐處無(wú)背楞，采用10 cm×10 cm 方木用作臨時(shí)背楞，采用支架進(jìn)行支撐（見(jiàn)圖4）。

圖4 扶壁式擋土墻鋼模板施工安裝Fig.4 Construction and Installation of Steel Formwork for Buttress Retaining Wall

⑶墻身鋼筋在加工場(chǎng)內(nèi)統(tǒng)一集中加工制作，墻身鋼筋安裝應(yīng)與模板安裝同步進(jìn)行，墻身在底板中預(yù)埋鋼筋接長(zhǎng)采用單面搭接焊，焊縫長(zhǎng)度不得小于10d，焊接前連接端頭應(yīng)進(jìn)行預(yù)彎，保證受力鋼筋軸線在同一條直線上；同一截面上鋼筋接頭數(shù)量不超過(guò)總截面面積的50%，接頭相互錯(cuò)開(kāi)距離必須大于1.0 m；箍筋與受力鋼筋綁扎時(shí)應(yīng)先進(jìn)行劃線定位，綁扎前先采用間斷點(diǎn)焊，但不得燒傷受力筋，保證箍筋水平位置準(zhǔn)確，采用22 號(hào)鉛絲進(jìn)行“八字扣”綁扎；鋼筋保護(hù)層必須滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，鋼筋保護(hù)層墊塊每m2不得小于4個(gè)。

⑷墻身混凝土攪拌必須采用強(qiáng)制式攪拌設(shè)備，墻身混凝土澆筑前必須保證模板內(nèi)清潔、無(wú)積水，嚴(yán)格控制分層澆筑的間隔時(shí)間，分層厚度30～45 cm，不得超過(guò)50 cm，嚴(yán)禁漏振、過(guò)振、欠振，搗固棒應(yīng)插到下層混凝土中不得小于5 cm，墻身模板拆除后應(yīng)立即進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，同一視覺(jué)范圍內(nèi)的混凝土，必須采用同一種養(yǎng)護(hù)方法（見(jiàn)圖5）。

圖5 扶壁式擋土墻拆模后Fig.5 Buttress Retaining Wall after Mold Removal

5 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了廣東省東莞市某實(shí)際工程擋土墻的工程背景、土壓力計(jì)算與穩(wěn)定性分析、擋土墻的施工流程與技術(shù)要求，得出以下結(jié)論：

⑴扶壁式擋土墻能較好地適應(yīng)堤岸工程，抵擋道路傳遞過(guò)來(lái)的土壓力，提供穩(wěn)定的支擋作用。

⑵扶壁式擋土墻穩(wěn)定性較好，抗傾覆安全系數(shù)達(dá)到2.17，大于文獻(xiàn)［8］要求的1.30，抗傾覆安全系數(shù)達(dá)到3.37，大于文獻(xiàn)［8］要求的1.50。

⑶扶壁式擋土墻構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便，并且擋墻外側(cè)迎水立面采用凹凸卡槽外觀裝飾設(shè)計(jì)，為堤岸工程提供了美麗的濱河景觀形象。

本工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)方案和詳盡的數(shù)據(jù)可供類(lèi)似工程借鑒參考。