扶壁式擋墻支護(hù)研究綜述

◇聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院 殷志偉 袁立群 段兆岢 王傳清 王建波

隨著我國城市化建設(shè)水平的不斷提高，大量的工程建設(shè)項目相繼出現(xiàn)，為適應(yīng)各種不同的地形、地質(zhì)條件，工程中出現(xiàn)了各種各樣的支護(hù)護(hù)坡結(jié)構(gòu)。從工程早期應(yīng)用的重力式擋土墻發(fā)展成為了如今的抗滑樁、錨桿錨索、加筋的擋土墻等結(jié)構(gòu)形式。其中，最常見的一種邊坡支擋構(gòu)筑物扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)，作為一類能夠適配高邊坡的支擋結(jié)構(gòu)，在工程項目的應(yīng)用過程中，其技術(shù)已經(jīng)得到了很大的完善。隨著扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)在工程實際中的應(yīng)用，其理論研究、工程技術(shù)也不斷成熟。本文通過對扶壁式擋墻的理論研究與應(yīng)用實際出發(fā)，通過翻閱相關(guān)文獻(xiàn)，整理歸納了近些年國內(nèi)有關(guān)扶壁式擋墻的研究，簡要概括扶壁式擋墻的理論研究與技術(shù)創(chuàng)新。

近些年來，由于我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，使得交通運(yùn)輸方面的基礎(chǔ)建設(shè)得到了很大的完善。隨著高速公路的不斷修建與拓寬，公路擴(kuò)建時兩邊出現(xiàn)的邊坡支護(hù)問題日益凸顯。在實際工程應(yīng)用中，為了充分利用土體自重以及增大承臺的抗剪能力，節(jié)約混凝土的用量，高邊坡的工程實際中常采用扶壁式擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。事實上，擋土墻的發(fā)展已經(jīng)有了很長的歷史，作為一種能夠適應(yīng)高大邊坡與軟弱土地基的支擋結(jié)構(gòu)（見圖1），扶壁式擋墻在基礎(chǔ)建設(shè)的過程中被廣泛使用，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)起到了提高工程穩(wěn)定性、保障工程安全、防止滑坡危害等作用。

圖1 扶壁式擋墻

目前，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者已經(jīng)針對扶壁式擋墻在不同荷載、不同地質(zhì)環(huán)境下的抗滑護(hù)坡性能展開了大量研究工作。王建輝[1]等通過使用有限元分析法，使用有限元軟件ABAQUS建立了扶壁式擋墻與土體相互作用的數(shù)值模型，運(yùn)用牛頓-拉夫遜迭代算法分析了扶壁式擋墻在交通荷載下的受力與變形特性。智泓[2]等人通過對某水庫扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測和變形特征的分析，得出了某水庫壩段扶壁式擋墻的變形特征及其沉降規(guī)律，為水庫支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全工作狀態(tài)提供了依據(jù)和保障。田士軍[3]等通過分析樁基承臺扶壁式擋墻的結(jié)構(gòu)形式，闡述其擋墻設(shè)計計算方法，并以某道路拓寬項目為例，介紹該支護(hù)結(jié)構(gòu)在實際工程中的應(yīng)用，表明扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)在軟弱土地基和用地條件受限場地中的技術(shù)優(yōu)點。趙津茂[4]在Civil3D的基礎(chǔ)上使用Subassembly Composer軟件，利用BIM建模技術(shù)，構(gòu)建了一種新型扶壁式擋墻模型。他們將該技術(shù)運(yùn)用到工程實踐中，對公路BIM的支擋結(jié)構(gòu)建立模型進(jìn)行了探索性的嘗試，使其模型可以在BIM應(yīng)用中根據(jù)其擋土墻所處的位置自動調(diào)節(jié)墻體和扶壁尺寸的大小，從而實現(xiàn)了扶壁式擋墻的建模設(shè)計更加輕便、實用。

1 扶壁式擋墻理論研究

1.1 扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)分析

扶壁式擋墻是一種由立板、前趾板、踵板和扶壁構(gòu)成的支護(hù)結(jié)構(gòu)。它的主要特點是構(gòu)造簡單、施工方便、墻身斷面較小、自身質(zhì)量輕，可以較好地發(fā)揮材料的強(qiáng)度性能，能適應(yīng)承載力較低的地基。對于6m以上10m以下的填方路段，可選用扶壁式擋墻作肩墻和路堤墻使用。在工程早期，墻高超過6m時，工程中經(jīng)常使用的懸臂式擋墻立壁推力產(chǎn)生的撓度較大，對邊坡穩(wěn)定性造成一定的影響。為了增強(qiáng)其支擋物的抗彎與抗剪性能，減少支擋物的整體位移，沿墻的縱向均勻設(shè)置若干道扶壁，支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是由扶壁間的土重量和底板上的填土重共同作用而實現(xiàn)，使得該支擋結(jié)構(gòu)在工程的實際應(yīng)用中減小橫向位移，增加穩(wěn)定性（如圖2所示）。扶壁式擋墻與普通擋土墻的有些不同之處在于，它與普通擋土墻的受力大小與方向和作用位置有一定的區(qū)別。一般情況下，普通擋土墻主要抵抗主動土壓力，而扶壁式擋墻則是對滑坡體剩余的滑行推力進(jìn)行有效的抵擋，有效地防止其滑坡位移。

圖2 扶壁式擋墻示意

1.2 扶壁式擋墻內(nèi)力分析

扶壁式擋墻的受力特性與普通擋墻的受力特性類似，但在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，扶壁式擋墻所受側(cè)壓力通常是滑坡推力而非主動土壓力。在進(jìn)行對扶壁式擋墻的內(nèi)力計算時，需要對其所受的各類力系進(jìn)行全面的分析，合理確定作用于扶壁式擋墻上的滑坡推力。

在滑坡推力計算時，國內(nèi)外的學(xué)者與專家一般采用極限平衡法計算，在計算過程中且不考慮摩阻力。理論上，滑坡推力的計算方法應(yīng)該協(xié)調(diào)于它的穩(wěn)定性分析方法，從而使其與相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)相符合。在用極限平衡法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析時，由于力的不同假定，需要采用多種不同的穩(wěn)定計算方法，因此產(chǎn)生了各種計算滑坡阻力的假設(shè)和算法。

目前學(xué)術(shù)界計算前墻土壓力的方法主要分為以下幾類：極限平衡理論（比如庫倫理論、朗金理論等）、變形協(xié)調(diào)計算法（考慮土體中壓力與變形的協(xié)調(diào)關(guān)系，建立土壓力隨墻體變化而變化的內(nèi)在聯(lián)系）、有限元法（主要體現(xiàn)在所使用的本構(gòu)模型必須能合理準(zhǔn)確地反映土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系）。

早期計算扶壁式擋墻的前墻土壓力分布時，出于便捷計算的目的，不考慮肋板與土體間的摩擦效應(yīng)，大多數(shù)的學(xué)者在計算土壓力時主要參考與借鑒早期的薄壁式擋墻的前墻土壓力計算方法[5]。該方法認(rèn)為其合力作用點位于三角形形心位置，薄壁式擋墻墻背土壓力呈三角形線性分布。得到其土壓力分布后，根據(jù)前墻高度H與扶壁間距l(xiāng)之比確定墻內(nèi)彎矩。但這種計算方法較為保守與簡單，近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者的試驗結(jié)果表明，作用在墻體高度范圍內(nèi)的前墻土壓力呈垂直和肋板橫向的非線性分布，合力作用點不在準(zhǔn)確的形心位置，用此方法計算的墻體縱橫彎矩受肋板間距的影響誤差較大。

朱天寧[6]在經(jīng)過試驗與研究，在他的文獻(xiàn)中指出，扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)中前墻承受的橫向最大正彎矩出現(xiàn)在任意兩肋板間跨中1/2墻高處，而橫向最大負(fù)彎矩則是出現(xiàn)在肋板處1/2～3/4墻高之間。考慮到肋板的約束摩擦作用，豎向彎矩沿墻長方向呈拋物線分布。

1.3 扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)破壞及設(shè)計優(yōu)化

大量施工過程中發(fā)現(xiàn)，扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)下部坡體巖土體力學(xué)性能能夠直接影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，若是其支擋結(jié)構(gòu)的下部巖土體內(nèi)部裂隙較大，且存在土巖結(jié)合面[7]這類土質(zhì)問題，則需要對扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下設(shè)計優(yōu)化。

通過對擋墻截面尺寸、配筋率進(jìn)行調(diào)整[8]，可以節(jié)省擋墻上部的混凝土用量，降低坡體上部荷載來提高擋墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。采用塑性極限分析的方法，對擋墻后扶壁的間距與厚度計算后，采用數(shù)值模擬[9]對扶壁的厚度及間距進(jìn)行驗證與調(diào)整，從而得出最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計。李慧軍[10]通過分析扶壁式擋墻抗滑移穩(wěn)定性計算，通過對預(yù)拉式擋板錨桿布置方向長度進(jìn)行調(diào)整，由兩個扶壁之間的墻面穿過調(diào)整至插入扶壁內(nèi)部，起到了加長扶壁，提高擋墻位移穩(wěn)定性的作用。

因此，對扶壁式擋墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)工程實際地質(zhì)、坡體特征、土體參數(shù)，合理的選擇擋墻截面、扶壁的厚度及間距，以期達(dá)到滿足經(jīng)濟(jì)、實用、環(huán)保的目的。擋土墻的作用是穩(wěn)定滑坡，但由于滑坡形式的多樣性，滑坡的推力也會隨著滑坡的形式、規(guī)模和滑動面的變化而變化。因此支護(hù)結(jié)構(gòu)的斷面形式也要根據(jù)工程地質(zhì)與具體工況而定。

1.4 地震動力響應(yīng)分析

中國由于地處環(huán)太平洋火山地震帶，是世界上最容易發(fā)生地震的國家之一。在地震作用下,邊坡的穩(wěn)定性大大降低,邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的位移,嚴(yán)重影響邊坡安全系數(shù),對工程造成較大的破壞。李萬君[11]等使用MIDAS有限元軟件模擬分析了扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)邊坡在地震作用下的響應(yīng)情況。通過分析得知，地震作用導(dǎo)致了地層應(yīng)力重分布，使受影響地區(qū)的擋墻向高層建筑方向移動，墻底的地震加速度進(jìn)一步加劇了這一影響。因此，李萬君等提出了在受地震影響范圍之內(nèi)的擋墻結(jié)構(gòu)可采取土工格柵加固，增強(qiáng)整體穩(wěn)定性。同時，還可以按照工程實際情況設(shè)置邊坡排澇系統(tǒng)，防止由于滑坡積水造成的巖土力學(xué)性能降低，進(jìn)而確保扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用

由于我國城市化進(jìn)程不斷加速，大規(guī)模建設(shè)項目越來越頻繁，施工期間所剩余的大量的廢棄土石方，如果不及時采取有效的防治措施，將造成嚴(yán)重的城市污染，造成極大的破壞。在工程中，棄碴場的填筑高度通常大于十米，而現(xiàn)在普遍采用的重力式支擋結(jié)構(gòu)，不僅無法滿足要求，而且巨大的工程量會造成高昂的造價。同時，由于坡體高度，在其他因素的作用下，產(chǎn)生的下滑力也會增大。因此，合理、經(jīng)濟(jì)、有效地處理這一棄碴場的邊坡支擋問題具有十分重要的意義。

吁燃[12]認(rèn)為高速公路與市政道路的道路互通是為節(jié)約用地、降低拆遷需求而設(shè)計的，目前已建的高速、已建市政路、已建等級公路的填筑工程中，擋土墻數(shù)量日益增多。由于填方地基與軟土厚度不同，填筑材料的壓實技術(shù)水平參差不齊，而且填方自身存在較長的工后沉降，目前大多數(shù)道路已有的填方承載力不能滿足新建高速公路高擋墻的承載力要求。張敏[13]等根據(jù)工程實踐和地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，從穩(wěn)定性、抗滑移、抗傾覆等方面對高速公路周圍的坡體進(jìn)行了分析，提出了在特定的工況下以扶壁式擋土墻為支擋結(jié)構(gòu)，用于下伏填土、上覆高擋墻的設(shè)計，不僅可以確保在交通荷載下?lián)鯄Φ姆€(wěn)定性，而且可以節(jié)約施工時間、降低工程成本，提高安全水平。

3 扶壁式擋墻技術(shù)創(chuàng)新

徐誠[14]通過針對建筑結(jié)構(gòu)加固中碳纖維布修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢及性能進(jìn)行分析，得出了出碳纖維布由于具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、適應(yīng)性強(qiáng)、施工方便、易于質(zhì)量保證、維護(hù)成本低、加固效率高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工程維修加固領(lǐng)域。根據(jù)試驗結(jié)果，對碳纖維布加固后梁的受彎特性、受彎承載力和二次受力特性進(jìn)行了非線性分析，并對其受彎特性的影響因素進(jìn)行了探討，提出了碳纖維布加固梁有益的建議與分析結(jié)果。隨后有學(xué)者通過有限元軟件實現(xiàn)了應(yīng)用碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)，其通過靜動力分析、時程分析、并選取輸入波為典型波段的Kobe地震波，研究了其抗震性能，表明采用碳纖維布加固后的支擋結(jié)構(gòu)，其屈服強(qiáng)度與極限承載力都明顯提高，其抗震性能也得到了很大的提升。

王宏源[15]等人提出傳統(tǒng)擋土墻依賴自身的自重剛度來抵抗墻后土體的側(cè)壓力，使得支擋物自身自重過大、抗震性能及整體穩(wěn)定性差，經(jīng)常出現(xiàn)支擋物發(fā)生傾覆與大位移的情況這種弊端的分析，他們結(jié)合了工程實際探索出了一種新型的復(fù)合式扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)“加錨扶壁式擋墻”。

這種新型的扶壁式擋墻橫截面如圖3所示，結(jié)構(gòu)中有一橫截面近似于三角形的扶壁式擋墻18，墻后為填土16，預(yù)應(yīng)力錨桿1穿過墻面板2與扶壁3嵌固于被加固土體4內(nèi)部，在預(yù)應(yīng)力錨桿1的錨固段5周圍灌注水泥砂漿6，自由段7上涂有一層 防腐材料8，之外套裝pvc塑料套管9，周圍包裹水泥砂漿6，錨頭10將預(yù)應(yīng)力錨桿1的端部錨定在墻面板2上，分段設(shè)置伸縮縫11和泄水孔12，扶壁式擋墻18所受的土壓力通過錨頭10傳至預(yù)應(yīng)力錨桿1的錨固段5，通過錨固段5錨固在穩(wěn)定地層中。以上的新型設(shè)計，改進(jìn)克服了傳統(tǒng)扶壁式擋墻的些許缺點，在投入使用后使得邊坡段水平與豎向位移均變小，能夠滿足其工程設(shè)計與規(guī)范要求。

圖3 加錨扶壁式擋墻新型結(jié)構(gòu)剖面圖

4 結(jié)束語

扶墻式擋墻結(jié)構(gòu)是一種適用于邊坡高度較高、地面土質(zhì)較軟弱等特殊工況的支擋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在工程實際中的合理應(yīng)用可以解決一些施工中出現(xiàn)的較高邊坡的支擋問題。在合理的施工地質(zhì)和工程環(huán)境下使用該結(jié)構(gòu)，可以較好的解決施工造價和施工工期問題，從而取得好的經(jīng)濟(jì)效益。扶壁式擋墻的理論研究與實際應(yīng)用的不斷創(chuàng)新，豐富了將高防護(hù)擋墻設(shè)計在承載力較小的基礎(chǔ)填方施工體上的設(shè)計經(jīng)驗，以補(bǔ)充了同型基礎(chǔ)填土和擋墻支擋物的協(xié)同沉降和工后沉降的設(shè)計施工上的經(jīng)驗不足。但是，當(dāng)擋墻的高度不斷提升、其所承受的荷載不斷增加時，工程中再采用鋼筋混凝土扶壁式擋墻時，會使得混凝土用量與其含鋼量大大增加。這就很大程度上造成了施工不便、造價倍增等一系列的問題。由此可見，在工程實際中，扶壁式擋墻的研究與設(shè)計還需要進(jìn)一步的優(yōu)化。