卸荷板挡墙的设计实践

胡荣华，齐明柱，余海忠，梁月英

(中国铁道科学研究院深圳研究设计院，广东 深圳 518034)

随着卸荷板挡墙在世界范围内的应用，一些学者也开始研究卸荷板挡墙的受力机理与卸荷效果。前苏联 Р·В·Лубенов 教授(1962)进行了卸荷板模型土压力试验，但是没有能给出明确的结果。德国的Prommersberger(1985)进行了卸荷板试验，试验结果表明卸荷板可有效减小荷载20%～30%。日本的福冈正己教授(1985)［1］用模型试验研究凹形墙后卸荷板的卸荷效应，研究表明卸荷板可有效减小荷载并节省圬工。天津大学郭鸿仪等(1993)［2］对卸荷板的卸荷效应做了模型试验，试验结果表明悬臂式卸荷板卸荷有效，卸荷效率随卸荷板长度增长，但有一定限度。

国内自1958年在码头成功应用卸荷板挡土墙后的几十年间，发展了不同形式的卸荷板挡土墙(如图1)，主要用于道(铁)路路基、滨海河岸、小型边(滑)坡的整治［3-5］。

前人较为注重卸荷板受力机理及卸荷效应的研究，但其设计计算方面的文献很少。本文依托深圳市罗湖区“二线”插花地大望村二线公路东侧边坡挡墙加固工程，分析了原挡墙存在的问题，提出了用卸荷板挡土墙对原挡墙结构进行加固的方案，并对卸荷板挡墙进行了设计计算;同时根据地质条件与原有挡墙存在的问题，对卸荷板挡墙的施工给出了具体施工技术要求。卸荷板挡墙的设计计算方法及施工技术要求对类似的工程设计有借鉴意义。

1 工程概况

1.1 场地现状

图1 不同形式卸荷板支挡结构示意

场地原始地貌为山前坡地，后来由于城市建设发展的需要，进行阶梯状开挖，形成多级边坡和宽大平台，作为生产和建设用地，其平台宽度远大于边坡高度［6］。

边坡原设计采用砖砌挡墙支挡，挡墙近直立(如图2)。经现场踏勘及分析，发现原挡墙存在如下几个问题:

1)墙身渗水严重，虽然设置的泄水孔部分发挥了排水功能，有大股的清水自孔内流出，但墙面仍明显地表现出长期受地下水浸泡的迹象，如墙身中下部呈灰绿色并长有青苔。

2)挡墙下部有外鼓的迹象，墙身表面的抹灰亦开裂呈网纹状。

3)墙趾处严重积水，墙顶已经出现了明显的外倾，随时有向外倒塌的可能。

4)墙身单薄，最大墙厚仅0.5 m，墙厚与墙高严重不成比例，挡墙承载能力严重不足。

由上可知，需对原挡墙进行加固。

1.2 地层条件

挡墙范围内分布的地层主要有第四系人工填土(Qml)、燕山期花岗岩()。由新到老分述如下:

图2 原有挡墙结构(单位:mm)

杂填土:干，稍密，由含砂黏土及建筑垃圾回填而成，局部表层为水泥地面。

全风化花岗岩:长石手捏成粉砂状，岩芯呈坚硬土柱状，手捏易散，遇水易软化，局部夹强风化块。

强风化花岗岩:长石手捏成砾砂状，裂隙发育，岩芯呈半岩半土状夹块状，手可折断，遇水易软化。

中风化花岗岩:岩质较软，岩芯呈短柱状夹块状，敲击声稍脆。

典型断面上挡墙计算高度范围内各土层厚度及其物理力学参数如表1所示。

表1 土层厚度及其物理力学参数

2 加固方案及结构设计

2.1 加固方案

根据现场地质条件及原有挡墙存在的问题，提出用卸荷板挡墙来加固原有挡墙。加固形式如图3所示［6］。

2.2 结构设计

2.2.1 墙后土体参数计算的选取

拟采用库伦土压力计算作用在墙身上的土压力。由于墙后土体的多样性，给计算带来了很大的困难，为简便计算，将墙后土体的黏聚力和内摩擦角转化为综合内摩擦角，其转化公式为［7］

图3 卸荷板挡墙加固形式(单位:mm)

式中:φd为土层的综合内摩擦角(°);φ为土层的内摩擦角(°);c为土层的黏聚力(kPa);h为坡体高度(m);θ为破裂角，且 θ=45°+φ/2。

根据填土层厚度，按加权平均的原则，将墙面计算高度范围内的各土层的综合内摩擦角进行平均。

综上所述，墙后土体计算参数及地基承载力验算参数如表2所示。

表2 墙后土体计算参数及地基承载力验算参数

2.2.2 土压力计算

1)计算方法

本文工程实例中的挡墙加固后所形成的支挡结构相当于短卸荷板挡墙。根据铁路路基支挡结构设计规范(TBJ 10025—2001)［7］，按下述方法计算作用在墙身上的土压力。

①作用在墙背上的主动土压力按库伦理论计算，其中上墙按第二破裂面法计算，两破裂面交点在短卸荷板悬臂端;下墙按力多边形法计算，土压力强度按矩形分布，作用点为下墙墙高的1/2处。

②计算作用于短卸荷板上的竖向压力时，可先计算第二破裂面上的竖向分力，短卸荷板承受其长度相应部分投影的应力，再计算第三破裂面以及土体的自重，两者叠加即为短卸荷板的竖向压力，在板上均匀分布。

计算简图如图4所示。

2)计算过程

图4 卸荷板挡墙计算图式(单位:m)

①上墙土压力计算

上墙侧压力计算

作用在卸荷板上的土重

简化到短卸荷板上的平均分布荷载的大小为

②下墙土压力计算

下墙按力多边形法计算作用在下墙背上的土压力

墙背内摩擦角 δ2=20°

则有

即 tanθ=0.827 1(0≤θ≤90°)，所以 θ=39.59°

下墙破裂棱体的重量W2

W2=227.1 kN/m所以有

2.2.3 稳定性及地基承载力计算

1)抗滑稳定性计算

混凝土墙身自重

剩余旧墙墙身自重

作用在卸荷板上的土重及土压力的合力

所以有

因此，加固后的挡墙抗滑满足要求。

2)抗倾覆稳定性计算

所以有

因此，抗倾覆满足要求。

3)地基承载力计算

所以有

因此，地基承载力符合要求。

2.2.4 卸荷板及上墙结构设计

1)卸荷板设计

按悬臂板计算，取1 m宽度计算(即取单位宽度进行计算)，如图5。

图5 (卸荷板)悬臂板计算图式

取板厚40 cm，C25混凝土，采用二级钢，保护层厚5 cm，对称配筋，fc=11.9，fy=300，则有

则取10根 φ12，实际 As=1 131 mm2>1 083 mm2。

2)上墙结构设计

作用在墙背上的土压力按第一破裂面计算，并与按第二破裂面的计算结果作比较，取两者中的大者。

按第一破裂面的计算

取 φ =35°，按墙背直立，H=2.60 m，δ=0。

则有

按第一破裂面的结果计算作用在墙背土的土压力根据规范［7］规定，在墙身截面强度验算中，土墙墙背的水平土压力可按实际墙背按库伦理论的计算值乘以系数1.4，因此作用在墙背上的水平力

上墙弯矩最大值为

采用 C25混凝土，二级钢，fc=11.9，fy=300，保护层5 cm，弯矩最大处板厚h=0.777 4 m，经计算，按构造配筋即可满足要求。

3 施工技术要求

根据地质条件与原有挡墙的情况，对卸荷板挡墙的施工给出了如下具体要求。

1)先按设计拆除上部挡墙并挖除墙后土方后，才能开挖挡墙基础。

2)挡墙基础要分段开挖、分段施工，待上一段基础回填后才能开挖下一段的基础。

3)锚入旧墙内的钢筋，可采用手持式凿岩机成孔，成孔直径40 mm，孔内注入1∶1水泥砂浆，然后插入钢筋即可。

4)旧墙表面的抹灰层要凿除。

5)挡墙基础开挖后要抓紧回填，严禁长期暴露，或受水浸泡。

6)泄水孔或仰斜疏干孔穿越旧墙时，采用钻孔成孔，严禁冲击成孔。

4 监测结果

卸荷板挡墙建成至今近5年时间，监测总的侧向位移<2 cm，挡墙相当稳定。说明本文应用的设计方法正确，施工技术要求可行，对类似工程设计有借鉴意义。

5 结论

本文依托实际工程对卸荷板挡土墙进行了设计，得出如下几点主要结论:

1)为简便计算，应将墙后土体的黏聚力和内摩擦角转化为综合内摩擦角。

2)根据现场地质条件以及原有挡墙存在的问题，提出了用卸荷板加固原有挡墙的方案，并对卸荷板挡墙结构进行了设计计算，计算参数合理，计算步骤完整，计算结果可靠。

3)根据现场地质条件及卸荷板挡墙自身的特点，提出了卸荷板挡墙的施工技术要求。

4)根据挡墙位移监测结果，挡墙相当稳定，说明本文应用的设计方法正确，施工技术要求可行，对类似工程设计施工有借鉴意义。

［1］福罔正己.プレギヤスト.プレストレスト.コンクリート曲面擁壁構造［J］.土と基礎，1985，33(4):11-14.

［2］郭鸿仪，吕宝柱.卸荷板卸荷效应的模型验证［J］.岩土工程学报，1993，15(1):81-85.

［3］铁道部科学研究院西北研究所主编.滑坡文集—1973年“全国铁路滑坡防治经验交流及科研协作会议”交流资料［Z］.兰州:铁道科学研究院西北研究所，1973.

［4］李海光.新型支挡结构设计与工程实例［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［5］王恭先，徐峻岭，刘光代，等.滑坡学与滑坡防治技术［M］.北京:中国铁道出版社，2004.

［6］齐明柱.深圳市罗湖区“二线”大望村二线公路东侧边坡挡墙加固工程设计［Z］.深圳:中国铁道科学研究院深圳分院，2005.

［7］中华人民共和国铁道部.TBJ 10025-2001铁路路基支挡结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2001.