堤岸工程中高大扶壁式挡土墙结构设计与施工

2021-01-14彭振华蒋浩然

广东土木与建筑 2020年12期

戴维，彭振华，蒋浩然

（1、北京市市政工程设计研究总院有限公司东莞分院广东东莞523071；2、深圳中铁二局工程有限公司深圳518054）

0 引言

扶壁式挡土墙是抵抗墙后土压力、提高墙后土体和工程结构稳定性的一种工程构筑物，由于构造简单、施工方便，在公路、铁路工程领域应用广泛。在国内，谢瑞丰［1］介绍了某铁路站房扶壁式挡土墙与站台雨棚、通道楼扶梯立柱合建设计方案，通过力学分析验证结构安全稳定，满足使用要求。张亮［2］介绍了重庆某道路扶壁式挡墙倾斜事故，并采用了预应力锚索对扶壁式挡墙整体稳定性加固的预防措施及地基注浆加固处理。在国外，Farhat 等人［3］提出了一种全预制混凝土扶壁式挡土墙体系，与传统方法相比，该系统具有许多优点，如减少施工时间、成本和环境影响。Davies等人［4］介绍了澳大利亚悉尼博塔尼港扩建项目设计高度为21.5 m的大型扶壁式挡土墙结构。

由于墙后土压力和结构与土相互作用的复杂性，很多学者采用了物理或数值模型来研究扶壁式挡土墙的力学行为，如沈宇鹏等人［5］采用Midas/GTS 分析采用盾构法先后施工左右线隧道引起的桥间路基扶壁式挡墙的变形变化特征。邹育等人［6］开展了模型槽限定区域的挡土墙试验，对比分析放坡倾斜的扶壁式挡土墙、加卸载板的扶壁式挡土墙、拱形挡土墙、W形扶壁式挡土墙的变形特征和受力特点，结果表明W形扶壁式挡土墙具有稳定性好、承载力高、材料用量少、施工工期快的优点。熊健等人［7］采用有限元分析了某大型地下车站配套设施工程中11.5 m高的扶壁式挡土墙受力特性。Davies 等人［4］采用动力有限元与Newmark 滑块计算结果的等效性，建立了一个合适的拟静力来表示地震荷载，这种合理化的抗震设计方法证明了设计的充分性，克服安全系数设计方法的缺点。

然而，由于高大扶壁式挡墙应用在堤岸工程中结构设计与计算较为复杂，故很少有文献对其进行研究，本文拟结合东莞某实际工程，详细介绍挡土墙的工程背景、土压力计算与稳定性分析、挡土墙的施工流程与技术要求，本工程的实践经验、设计方案和详尽的数据可供类似工程借鉴参考。

1 工程设计

本工程为河道治理和市政道路扩建工程，位于东莞市虎门镇东引运河及太平水道东岸，河道治理修建现浇钢筋混凝土扶壁式挡土墙以作堤岸防洪结构，通过挡土墙截面结构设计试算，并根据计算结果调整原试算断面尺寸。扶壁式挡土墙的典型断面与侧面如图1 所示，其中墙身总高5.6 m，墙宽0.4 m，墙趾悬挑长2.0 m，墙踵悬挑长4.3 m，底板高0.8 m，墙趾端部高0.8 m，扶肋间距5.0 m，扶肋厚0.4 m，扶壁两端墙面板悬挑长度2.1 m，钢筋合力点到外皮距离50 mm，挡墙分段长度20 m。

墙后为市政道路，土层主要为素填土、淤泥质土和回填中粗砂，采用深层搅拌桩进行地基处理，土的抗剪强度得到了提升。土压力计算时将墙后土层概化为单一填土，其粘聚力为20 kPa，内摩擦角为32°，重度为18.0 kN/m3，填土与墙背内摩擦角为17.5°。底板下采用100 cm 厚C20混凝土垫层作为施工作业面，地基土采用风化砾石土换填，厚600 cm，其粘聚力为5 kPa，内摩擦角为35°，重度为20 kN/m3，与底板摩擦系数为0.4，地基承载力大于500 kPa（见图1）。

图1 现浇钢筋混凝土扶壁式挡墙Fig.1 Cast-in-place Reinforced Concrete Buttress Retaining Wall

扶壁式挡土墙混凝土标号为C35，重度取25 kN/m3，钢筋采用HRB400 和HBR335。钢筋保护层厚度为40 mm。扶壁式挡墙配筋如图2所示，各部位的配筋形式与数量如表1所示，一段扶壁式挡土墙的混凝土总用量为176.08 m3，钢筋总用量为10 243.3 kg。

2 土压力计算

扶壁式挡土墙受力主要包含：挡墙自重、墙踵填土重力、填土侧压力、人行道人行荷载和车行活载。其中人行道人行荷载折算成土柱高为0.154 m，车行活载折算成土柱高0.744 m，两者折算成一种均布荷载，得到土柱高h0=0.55 m。

土压力按照式⑴计算

图2 扶壁式挡墙配筋Fig.2 Buttress Retaining Wall Reinforcement

表1 各部位配筋汇总Tab.1 Summary of Reinforcement for Each Part

式中主要参数物理意义详见扶壁式挡墙土压力计算模型（见图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，计算得到Ea=216.60 kN，Ex=88.46 kN，Ey=197.71 kN，作用点高度Zy=0.86 m。

图3 扶壁式挡墙土压力计算模型Fig.3 Earth Pressure Calculation Model of Buttress Retaining Wall

3 稳定性验算

抗滑移和抗倾覆稳定性是挡土墙设计的重要内容，在实际工程中，失稳破坏常有发生，尤其是倾覆失稳较为常见，其破坏机理较为复杂，本设计依据《公路路基设计规范：JTG D30-2015》［8］要求进行验算。

3.1 抗滑动稳定性

式中：Kc为抗滑稳定系数；N为作用于基底上合力的竖向分力（kN）；μ为基底与地基间的摩擦系数，μ=0.4；c为地基土粘聚力；B为挡土墙底板宽度；Ex为滑移力（kN）。墙体截面积7.6 m2，重量190 kN，整个墙踵上的土重205 kN，c=5 kPa，B=6.7 m，Ex=88.47 kN，抗滑力Nμ+cB=191.50 kN，滑移验算满足Kc=2.17 ＞1.30。

3.2 抗倾覆稳定性

4 施工要点

扶壁式挡土墙施工按以下流程进行：测量放线➝垫层施工➝底板钢筋混凝土施工➝搭设支架➝吊装墙身模板➝绑扎墙身钢筋➝浇筑墙身混凝土➝墙背反滤层施工➝墙背回填➝防浪墙施工。

4.1 挡土墙底板施工要点

⑴底板模板采用以6015为主的工具式组合钢模板，模板安装前应对模板进行刨光、修整、清洗并涂刷脱模剂，脱模剂严禁采用废机油。

⑵底板钢筋设计为上下2层钢筋网片，钢筋表面应清洁，粘有的油污、泥土、浮锈使用前必须清理干净，经调直后的钢筋不得有局部弯曲、死弯、小波浪形，其表面伤痕不应使钢筋截面减少5%，钢筋安装的规格、型号、数量必须与设计图纸一致，钢筋安装过程中应仔细进行核对。

⑶底板混凝土连续一次性浇筑完成，混凝土浇筑环境昼夜温度平均不低于5℃或最低温度不低于-3℃，局部温度不高于40℃；混凝土采用分层浇筑，分层厚度控制在35～40 cm，纵向20 m 一层浇筑完成后，方可进行下一层的浇筑，振捣采用插入式振动器，振捣时严禁碰撞钢筋和模型，在混凝土浇筑完成并且初凝后，对混凝土加以覆盖并保湿养护。

⑷施工接缝面应水平，边缘处理平整；连接面应进行凿毛处理，混凝土浇筑前应洒水湿润连接面。

4.2 挡土墙墙身施工要点

⑴ 采用φ48.0 mm×3.5 mm 扣件式钢管搭设支架，支架立杆横距0.9 m，沿挡墙长度方向纵距0.9 m，并根据支撑位置设置步距，支架每一步设置剪刀斜撑；支架外侧设置与地面呈45°的抛撑，纵向每隔0.9 m设置支撑钢管，支撑钢管端部设置顶托，支撑在模板上；支架顶部设置工作平台，平台上采用脚手板满铺，平台四周设置栏杆，栏杆高度110 cm；栏杆挂安全网兜底，上下支架采用钢管设置梯步。

⑵墙身模板采用定型大块钢模，由模板厂家统一加工制作，高度分节为3.0 m与1.5 m。模板结构面板采用4 mm 厚钢板，横肋采用厚度δ6 mm，高度h=70 mm钢板，竖向间距30 cm，竖肋采用100 mm×100 mm×6 mm等边角钢，水平间距不得大于40 cm，背楞采用单根10#槽钢，模板支撑采用φ48.0 mm×3.5 mm钢管支架支撑到模板背楞上；支撑间距纵向0.9 m，竖向不得大于1.0 m，上下板缝处必须进行支撑，若需支撑处无背楞，采用10 cm×10 cm 方木用作临时背楞，采用支架进行支撑（见图4）。

图4 扶壁式挡土墙钢模板施工安装Fig.4 Construction and Installation of Steel Formwork for Buttress Retaining Wall

⑶墙身钢筋在加工场内统一集中加工制作，墙身钢筋安装应与模板安装同步进行，墙身在底板中预埋钢筋接长采用单面搭接焊，焊缝长度不得小于10d，焊接前连接端头应进行预弯，保证受力钢筋轴线在同一条直线上；同一截面上钢筋接头数量不超过总截面面积的50%，接头相互错开距离必须大于1.0 m；箍筋与受力钢筋绑扎时应先进行划线定位，绑扎前先采用间断点焊，但不得烧伤受力筋，保证箍筋水平位置准确，采用22 号铅丝进行“八字扣”绑扎；钢筋保护层必须满足设计要求，钢筋保护层垫块每m2不得小于4个。

⑷墙身混凝土搅拌必须采用强制式搅拌设备，墙身混凝土浇筑前必须保证模板内清洁、无积水，严格控制分层浇筑的间隔时间，分层厚度30～45 cm，不得超过50 cm，严禁漏振、过振、欠振，捣固棒应插到下层混凝土中不得小于5 cm，墙身模板拆除后应立即进行养护，同一视觉范围内的混凝土，必须采用同一种养护方法（见图5）。