高速公路装配式挡土墙发展现状研究

2021-12-31杨化庆

工程建设与设计 2021年20期

杨化庆

（中铁二十五局集团第一工程有限公司，广州 510405）

1 引言

近年来，我国交通建设进程逐渐加快，高速公路网络已基本形成。然而，我国幅员辽阔，地形地貌十分复杂，相当一部分高速公路修建在山区。在山区高速公路建造过程中，经常会遇到高挖深填的工况，此时边坡的稳定性事关工程安全。作为结构形式较简单的边坡支护结构，挡土墙已在高速公路建设中得到了广泛应用。当前，国内高速公路挡土墙还是以传统片石混凝土挡土墙为主，这类挡土墙不仅材料消耗多、施工效率低、工程造价高，而且施工质量难以控制，为后期运营养护带来了困难[1]。

相对于传统挡土墙，装配式挡土墙具有轻型化、标准化及工业化等优势，能够在保证施工质量的前提下，有效降低工程造价，已成为未来低碳、节能公路建设的重要发展方向[2]。装配式挡土墙的大体建造过程为：首先，通过专用模具在工厂内预制分段的构件或单元；然后，在工厂内进行标准养护；最后，运输到施工现场后进行装配拼接[3]。在整个建设过程中，标准化设计、工厂化生产、机械化施工是装配式挡土墙的特色。

当前，我国装配式挡土墙应用较少，偶尔应用在一些高度较低或者重要性较小的边坡建设中。迄今，装配式挡土墙的设计与施工仍缺乏相应的规范或标准，究其原因，主要是目前国内外对结构连接设计及装配式挡土墙受力特性的认识仍不够深入，导致缺乏成熟的理论和依据，并且能够供设计与施工参考的工程案例也寥寥无几。因此，对高速公路装配式挡土墙结构力学性能及施工关键技术的研究变得十分必要和迫切。本文将重点分析高速公路装配式挡土墙的国内外研究现状，剖析现有研究存在的缺陷，提炼装配式挡土墙设计与施工过程中涉及的关键技术难题，并指出未来的研究方向，以供相关研究人员和工程设计人员参考。

2 高速公路挡土墙研究现状

如前所述，我国传统挡土墙具有重力式、悬臂式、扶壁式、锚拉式等结构形式（见图1），且传统挡土墙的设计与施工理论相对比较成熟。重力式挡土墙结构形式比较简单，且施工所用材料大部分情况下可以就地取材。然而，其质量大，对地基承载力的要求相对较高，工程量较大，适用于石料比较充足的地区。由立板、底板组成的悬臂式挡土墙的断面尺寸较小，由于立板下部弯矩值较大，需配较多的钢筋。然而，其对地基适应性较重力式挡土墙好一些。扶壁式挡土墙是在悬臂式挡土墙的基础上隔一定距离加1 道扶壁，连接立板和底板，这类挡土墙施工比较简单，外观比较美观，且对地基适应性更强，在墙高大于6 m 时，相对前2 种挡土墙较经济。锚拉式挡土墙为一端与墙体连接，另一端固定在土体内，依靠锚杆与土体之间的锚拉力来承受土压力的挡土墙，此类挡土墙也是一种轻型结构，对地基承载力的要求亦比较低，特别适用于墙高较高，而石料又非常匮乏的地区[4，5]。

图1 传统挡土墙结构形式

目前，装配式挡土墙已在公路、市政及水利行业有所应用，国内外相关学者亦进行了初步探索，石中柱和张文清[6]较早研究了钢筋混凝土装配式挡土墙设计与施工的关键技术；曾向荣[7]将预制装配式挡土墙作为路基支挡结构，应用于北京城市铁路建设，缩短了挡土墙各工序时间，并且缓解了城市用地紧张问题；丁录胜[8]通过采用装配式挡土墙，减小了墙后填土冻融循环作用对挡土墙的破坏。江平等[9]通过设计3 种不同类型的装配式轻型挡土墙（扁壳式、拱式、涵管式），解决了寒区结构物冻胀破坏问题。后续相关学者在前人的基础上，进一步对装配式挡土墙进行拓展研究。从国内外装配式挡土墙的研究现状来看，国内关于装配式挡土墙的成功应用经验较少，且现有研究大多是简单地将悬臂式或扶壁式挡土墙进行分段预制，装配化程度较低，设计方法也是参照传统挡土墙的相关理论，仍存在诸多不足。

3 高速公路装配式挡土墙未来研究方向及关键技术问题

相比传统挡土墙，诸如扶壁式挡土墙之类的装配式挡土墙（见图2）结构新颖，预制程度高，可以在不同墙高情况下采用不同形式的挡土墙结构，主要有挡土墙与护栏分离设计、通过连接件实现纵向连接、节段长度随墙高逐渐减小等特点。挡土墙结构立板和底板厚度较薄，部分加劲肋的存在使结构受力分析较为复杂，难以通过直观的力学分析得到其受力关键位置，这均给施工带来了较大的难度和不确定性。因此，对装配式挡土墙的结构力学性能及施工关键技术开展研究十分必要和迫切。

图2 装配式扶壁挡墙

高速公路装配式挡土墙未来的研究重点应集中于全寿命周期装配式挡土墙施工力学行为宏细观研究、装配式挡土墙连接施工多尺度研究、装配式挡土墙失稳破坏机制与施工控制技术研究、装配式挡土墙关键施工技术与质量控制方法研究、基于BIM 技术的装配式挡土墙产养运全寿命周期的施工工艺精细化与智能化控制技术研究。

在全寿命周期装配式挡土墙施工力学行为宏细观研究方面，应重点关注装配式挡土墙静动力学性能、节点力学行为演变规律、挡土墙各模块错位安装分析；在装配式挡土墙连接施工多尺度研究方面，应重点关注连接件静动力疲劳性能、不均匀沉降对连接件力学性能影响、纵向连接件施工的多尺度分析；在装配式挡土墙失稳破坏机制与施工控制技术研究方面，应重点关注力学性能弱化机制、连接件破坏规律、不同破坏模式的施工控制技术；在装配式挡土墙关键施工技术与质量控制方法研究方面，应重点关注挡土墙稳定性控制技术、挡土墙整体刚度控制技术、挡土墙施工质量保证方法；在基于BIM技术的装配式挡土墙产养运全寿命周期的施工工艺精细化与智能化控制技术研究方面，应重点关注挡土墙BIM 精细化模型、挡土墙施工工艺优化、挡土墙施工智能化控制技术[10，11]。