预制拼装式箱形重力式挡土墙的研发与工程应用

■邹文辉 卢建亮潘子文

(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

福建省近年来鉴于强对流天气、灾害天气以及长时间、高强度、大面积的集中降雨等极端天气的频繁出现，常发生边坡不稳定导致公路中断的险情。以2010年6、7月间的公路水毁情况为例，据不完全统计，共有约2797处路基发生坍塌、边坡溜方等病害，其中路基损毁占水毁总量的68.2%，损失严重，尤以山区公路为重灾害区、路基为重点灾害部位[1]。

因水毁导致的公路中断，其抢险任务具有较高的时效性要求。为实现快速修复、即时开放交通，本文以预制拼装式挡墙为研究对象，基于数值分析方法，研发了一种施工工艺简单、适用性强的新型预制装配式挡土墙结构，并应用于实际公路路基修复工程中。

1 预制装配式箱形重力式挡土墙设计方案

预制装配式结构因其具有能源消耗低、建造速度快、环境污染少、质量有保证等特点，正逐步成为结构发展的主流方向，这其中也包含了对快速施工要求较高的公路水毁修复工程中的挡土墙结构。目前，国内外已提出一些预制装配式挡土墙结构，例如扶壁式装配挡土墙[2]、格宾网箱挡土墙[3]、日本的箱形挡土墙[4]、绿色预制挡土墙[5]、预制块材 Golcon体系[6]、MSE挡土墙[7]、GRS-RW 系列挡土墙及SRW挡土墙体系[8]等。

1.1 概念设计

本文结合MSE挡土墙与SRW挡土墙等结构体系的优点，及重力式挡土墙的受力特点与使用优势，提出了以“田”字型空心截面形式为主，由标准箱形预制构件、底部箱形预制构件以及预制底板三部分组成，以榫接方式为连接形式的新型预制装配式挡土墙结构——预制装配式箱形重力式挡土墙。其具体结构组成如图1所示。

图1 预制装配式箱形重力式挡土墙构件示意图

底部预制构件通过对墙身底部构件增设突出墙趾来达到增强结构的抗倾覆性能的目的，其具体尺寸可以根据实际需求进行适当改变。

预制底板主要用于地基承载能力较弱时需要增大挡土墙底部接触面积的情况。

构件的空心位置可根据设计计算并考虑实际情况选取合适重度的填料进行填充。

综合上述设计概念可知，该预制装配式挡土墙具有以下优点：

(1)施工简便，质量可以得到较好保障；

(2)施工周期短，可以快速有效形成对边坡安全的防护；

(3)填料可利用施工现场开挖出的土石方，降低施工成本；

(4)可以在挡墙顶部填土位置种植植被，美化环境。

1.2 结构基本参数拟定

本文拟定的挡土墙基本形式如图2所示。需确定的基本参数包括挡土墙宽(B)、挡墙高度(H)、墙趾宽度(B1)、及墙趾高度(H1)。

图2 拟定的挡土墙形式

在进行挡土墙基本参数拟定时应满足以下前提要求：

⑴预制构件的连接假定为不会发生相对错动，且不会破坏；

⑵采用库伦理论作为墙背填土压力的计算理论。

与此同时，结构基本参数的拟定还需满足现行相关规范对挡土墙结构的要求。本文分别从墙背土压力对挡墙高度的影响规律、挡土墙结构需要满足的抗滑移稳定性与抗倾覆稳定性的要求以及基地偏心距分析结果入手，探讨了填土土质粘聚力与内摩擦角对墙高的影响、截面宽度与墙趾宽度对稳定性的影响程度以及基地压力分布情况的变化规律。鉴于篇幅所限，具体讨论详见文献[9]。

经对比分析后，最终确定的结构基本尺寸为：横截面宽B=2.2m，墙趾宽B1=0.4m，挡墙高度H不宜超过8m；墙趾高H1=0.5m。

此外，根据吊装及受理要求，确定箱形截面的壁厚为160mm，榫接块的尺寸 (长×宽×高)为400mm×160mm×160mm，且每个预制构件配置4个吊环的预制方案。

2 预制装配式箱形重力式挡土墙破坏模式研究

挡土墙在使用过程中必然会经历破坏过程，本文借助OptumG2数值分析软件，就预制装配式箱形重力式挡土墙结构在平动(T模式)与转动(RB模式)下的破坏形式进行了分析。

2.1 数值分析模型的建立

分析对象的具体尺寸为墙高8.0m(不包括底板厚度)，墙宽2.2m，底部墙趾宽0.4m，高0.5m，挡土墙底板厚度为0.3m，宽3.0m。墙背后山体坡脚据挡墙墙踵1m，山体坡度α根据破裂角(φ/2+45°)选取55°以保证墙背填土破裂角不会受到影响。据此建立的T模式与RB模式数值分析模型如图3所示。

图3 数值分析有限元模型

挡土墙有限元模型在计算分析时，其网格划分采用自适应控制划分方法，主要控制因素有剪切耗散、总耗散、应变、塑型乘数；模型边界条件采用标准固定边界模式，这个模式的特点在于在竖直方向上选取法向约束，在底部水平方向上选取完全约束。

RB模式下数值分析模型基本与T模式相同。模型中仅乘数荷载类型和布置位置与T模式有所不同。

数值分析基本假定如下：

(1)土体满足mohr-coulomb准则；

(2)属于平面应变问题；

(3)不考虑地下水的作用；

(4)墙背竖直，墙后填土表面水平；

(5)挡土墙墙身为整块刚体。

2.2 分析工况

本文以地基土土质为硬塑配以不同土质的墙背填土为例，采用极限分析方法对结构在两种模式下的破坏情况进行讨论。具体分析工况见表1，土质参数取值见表2。

表1 破坏模式数值分析工况表

表2 不同土质对应的参数取值

2.3 破坏模式分析结果

1)T模式

图4～图6分别给出了T模式分析条件下三种工况对应的挡土墙破坏时剪切耗散情况。

图4 工况1挡土墙破坏的剪切耗散图

图5 工况2挡土墙破坏的剪切耗散图

图6 工况3挡土墙破坏的剪切耗散图

由图4～图6可知，三种工况下剪切耗散的分布特点均表现为从挡墙底部向下延伸的位置逐渐向墙趾处移动。有所不同的是，当墙背填土为可塑状态与密砂状态时，剪切耗散在向挡墙前土面延伸时达到土面表层，最终在地基土中形成一个类似抛物线状的贯通的剪切耗散面；但当墙背填土的状态变为中密砂时，剪切耗散在向挡墙前土面延伸时并未达到土面表层，从墙背图的剪切耗散情况来看，当墙背填土为密砂与中密砂时，墙背土的剪切耗散仅自墙踵沿墙背扩散。

从破坏模式上看，当无外荷载作用时，墙背填土为可塑状态时，挡土墙达到极限状态时具有滑移和倾覆共同引起的破坏趋势；而当墙背土为中密砂与密砂时，挡土墙达到极限状态时具有倾覆的破坏趋势。

2)RB模式

图7～图9给出了RB模式下不同工况对应的剪切耗散情况。由图7～图9可以看出，RB模式下剪切耗散从墙趾处向下扩散，一部分向挡墙前方土面延伸，另一部分向墙踵延伸形成闭合环形。其破坏特点呈现倾覆的破坏趋势。

相较于三种墙背填土情况而言，不同之处在于墙背土的破坏程度有所区别，土质越软，破坏程度越大。

另外，与T模式下的破坏分析结果相比，RB模式下结构发生倾覆破坏的特征较T模式更为明显。

图7 工况1挡土墙破坏的剪切耗散图(RB)

3 工程应用

3.1 工程背景

本文选取福建省三明市将乐县境内S204线K279+798.000～K279+816.000的路基边坡修复工程作为实际应用案例。修复边坡长度为18m。

3.2 挡土墙设计

该修复路段挡土墙墙高8.2m，采用仰斜式结构。其主要参数见表3。

图8 工况2挡土墙破坏的剪切耗散图(RB)

图9 工况3挡土墙破坏的剪切耗散图(RB)

表3 相关参数一览表

结构构造如图10所示。施工完成后的效果图如图11所示。

图10 实际工程挡土墙结构参数(单位：mm)

3.3 应用效果

该水毁修复工程从第一块预制块起吊至施工全过程完成，实现通车总计耗时3个工作日，施工过程中每一块标准预制块从起吊至安装就位平均耗时约5min，大大缩短了施工时间，提高了施工效率。

此外，为了解该挡土墙在道路通车运营后的工作性能，对该挡土墙墙背的土压力以及墙体变形情况进行了定期检测。检测时间从项目完成投入使用(2018年10月26日)至2018年11月10日。

图11 施工完成后效果图

检测结果显示，墙后土压力变化基本控制在0.01MPa，墙体变形变化量为2mm左右，均未出现较大幅度的变化。由此可知，该挡土墙在运营过程中保持了良好的稳定性与安全性。

4 结论

本文基于预制拼装技术与传统重力式挡土墙结构的主要特点，研发了一种新型预制装配式箱形重力式挡土墙结构。经理论分析明确了该结构破坏特点。结合实际工程的应用情况表明，该挡土墙具有较好的工作性能与稳定性。其在工程中的使用，不仅可以大大提高挡土墙的施工效率，满足水毁工程队边坡修复提出的高时效性要求，同时，因其有效利用了开挖土方，并且具有顶部植被绿化的功能，充分体现了环保理念、可持续发展理念以及美化公路环境的优势。