扶壁式挡墙支护研究综述

◇聊城大学建筑工程学院 殷志伟 袁立群 段兆岢 王传清 王建波

随着我国城市化建设水平的不断提高，大量的工程建设项目相继出现，为适应各种不同的地形、地质条件，工程中出现了各种各样的支护护坡结构。从工程早期应用的重力式挡土墙发展成为了如今的抗滑桩、锚杆锚索、加筋的挡土墙等结构形式。其中，最常见的一种边坡支挡构筑物扶壁式挡墙结构，作为一类能够适配高边坡的支挡结构，在工程项目的应用过程中，其技术已经得到了很大的完善。随着扶壁式挡墙结构在工程实际中的应用，其理论研究、工程技术也不断成熟。本文通过对扶壁式挡墙的理论研究与应用实际出发，通过翻阅相关文献，整理归纳了近些年国内有关扶壁式挡墙的研究，简要概括扶壁式挡墙的理论研究与技术创新。

近些年来，由于我国经济的飞速发展，使得交通运输方面的基础建设得到了很大的完善。随着高速公路的不断修建与拓宽，公路扩建时两边出现的边坡支护问题日益凸显。在实际工程应用中，为了充分利用土体自重以及增大承台的抗剪能力，节约混凝土的用量，高边坡的工程实际中常采用扶壁式挡墙支护结构。事实上，挡土墙的发展已经有了很长的历史，作为一种能够适应高大边坡与软弱土地基的支挡结构（见图1），扶壁式挡墙在基础建设的过程中被广泛使用，该结构已经起到了提高工程稳定性、保障工程安全、防止滑坡危害等作用。

图1 扶壁式挡墙

目前，国内相关学者已经针对扶壁式挡墙在不同荷载、不同地质环境下的抗滑护坡性能展开了大量研究工作。王建辉[1]等通过使用有限元分析法，使用有限元软件ABAQUS建立了扶壁式挡墙与土体相互作用的数值模型，运用牛顿-拉夫逊迭代算法分析了扶壁式挡墙在交通荷载下的受力与变形特性。智泓[2]等人通过对某水库扶壁式挡墙结构变形的监测和变形特征的分析，得出了某水库坝段扶壁式挡墙的变形特征及其沉降规律，为水库支护结构的安全工作状态提供了依据和保障。田士军[3]等通过分析桩基承台扶壁式挡墙的结构形式，阐述其挡墙设计计算方法，并以某道路拓宽项目为例，介绍该支护结构在实际工程中的应用，表明扶壁式挡墙结构在软弱土地基和用地条件受限场地中的技术优点。赵津茂[4]在Civil3D的基础上使用Subassembly Composer软件，利用BIM建模技术，构建了一种新型扶壁式挡墙模型。他们将该技术运用到工程实践中，对公路BIM的支挡结构建立模型进行了探索性的尝试，使其模型可以在BIM应用中根据其挡土墙所处的位置自动调节墙体和扶壁尺寸的大小，从而实现了扶壁式挡墙的建模设计更加轻便、实用。

1 扶壁式挡墙理论研究

1.1 扶壁式挡墙结构分析

扶壁式挡墙是一种由立板、前趾板、踵板和扶壁构成的支护结构。它的主要特点是构造简单、施工方便、墙身断面较小、自身质量轻，可以较好地发挥材料的强度性能，能适应承载力较低的地基。对于6m以上10m以下的填方路段，可选用扶壁式挡墙作肩墙和路堤墙使用。在工程早期，墙高超过6m时，工程中经常使用的悬臂式挡墙立壁推力产生的挠度较大，对边坡稳定性造成一定的影响。为了增强其支挡物的抗弯与抗剪性能，减少支挡物的整体位移，沿墙的纵向均匀设置若干道扶壁，支挡结构的稳定是由扶壁间的土重量和底板上的填土重共同作用而实现，使得该支挡结构在工程的实际应用中减小横向位移，增加稳定性（如图2所示）。扶壁式挡墙与普通挡土墙的有些不同之处在于，它与普通挡土墙的受力大小与方向和作用位置有一定的区别。一般情况下，普通挡土墙主要抵抗主动土压力，而扶壁式挡墙则是对滑坡体剩余的滑行推力进行有效的抵挡，有效地防止其滑坡位移。

图2 扶壁式挡墙示意

1.2 扶壁式挡墙内力分析

扶壁式挡墙的受力特性与普通挡墙的受力特性类似，但在进行结构设计时，扶壁式挡墙所受侧压力通常是滑坡推力而非主动土压力。在进行对扶壁式挡墙的内力计算时，需要对其所受的各类力系进行全面的分析，合理确定作用于扶壁式挡墙上的滑坡推力。

在滑坡推力计算时，国内外的学者与专家一般采用极限平衡法计算，在计算过程中且不考虑摩阻力。理论上，滑坡推力的计算方法应该协调于它的稳定性分析方法，从而使其与相应的稳定系数相符合。在用极限平衡法进行边坡稳定分析时，由于力的不同假定，需要采用多种不同的稳定计算方法，因此产生了各种计算滑坡阻力的假设和算法。

目前学术界计算前墙土压力的方法主要分为以下几类：极限平衡理论（比如库伦理论、朗金理论等）、变形协调计算法（考虑土体中压力与变形的协调关系，建立土压力随墙体变化而变化的内在联系）、有限元法（主要体现在所使用的本构模型必须能合理准确地反映土体内部的应力应变关系）。

早期计算扶壁式挡墙的前墙土压力分布时，出于便捷计算的目的，不考虑肋板与土体间的摩擦效应，大多数的学者在计算土压力时主要参考与借鉴早期的薄壁式挡墙的前墙土压力计算方法[5]。该方法认为其合力作用点位于三角形形心位置，薄壁式挡墙墙背土压力呈三角形线性分布。得到其土压力分布后，根据前墙高度H与扶壁间距l之比确定墙内弯矩。但这种计算方法较为保守与简单，近年来，国内外一些学者的试验结果表明，作用在墙体高度范围内的前墙土压力呈垂直和肋板横向的非线性分布，合力作用点不在准确的形心位置，用此方法计算的墙体纵横弯矩受肋板间距的影响误差较大。

朱天宁[6]在经过试验与研究，在他的文献中指出，扶壁式挡墙结构中前墙承受的横向最大正弯矩出现在任意两肋板间跨中1/2墙高处，而横向最大负弯矩则是出现在肋板处1/2～3/4墙高之间。考虑到肋板的约束摩擦作用，竖向弯矩沿墙长方向呈抛物线分布。

1.3 扶壁式挡墙结构破坏及设计优化

大量施工过程中发现，扶壁式挡墙结构下部坡体岩土体力学性能能够直接影响其结构稳定性，若是其支挡结构的下部岩土体内部裂隙较大，且存在土岩结合面[7]这类土质问题，则需要对扶壁式挡墙结构进行以下设计优化。

通过对挡墙截面尺寸、配筋率进行调整[8]，可以节省挡墙上部的混凝土用量，降低坡体上部荷载来提高挡墙结构稳定性。采用塑性极限分析的方法，对挡墙后扶壁的间距与厚度计算后，采用数值模拟[9]对扶壁的厚度及间距进行验证与调整，从而得出最优化的结构设计。李慧军[10]通过分析扶壁式挡墙抗滑移稳定性计算，通过对预拉式挡板锚杆布置方向长度进行调整，由两个扶壁之间的墙面穿过调整至插入扶壁内部，起到了加长扶壁，提高挡墙位移稳定性的作用。

因此，对扶壁式挡墙进行结构设计时，应根据工程实际地质、坡体特征、土体参数，合理的选择挡墙截面、扶壁的厚度及间距，以期达到满足经济、实用、环保的目的。挡土墙的作用是稳定滑坡，但由于滑坡形式的多样性，滑坡的推力也会随着滑坡的形式、规模和滑动面的变化而变化。因此支护结构的断面形式也要根据工程地质与具体工况而定。

1.4 地震动力响应分析

中国由于地处环太平洋火山地震带，是世界上最容易发生地震的国家之一。在地震作用下,边坡的稳定性大大降低,边坡支护结构会产生较大的位移,严重影响边坡安全系数,对工程造成较大的破坏。李万君[11]等使用MIDAS有限元软件模拟分析了扶壁式挡墙结构边坡在地震作用下的响应情况。通过分析得知，地震作用导致了地层应力重分布，使受影响地区的挡墙向高层建筑方向移动，墙底的地震加速度进一步加剧了这一影响。因此，李万君等提出了在受地震影响范围之内的挡墙结构可采取土工格栅加固，增强整体稳定性。同时，还可以按照工程实际情况设置边坡排涝系统，防止由于滑坡积水造成的岩土力学性能降低，进而确保扶壁式挡墙结构的稳定性。

2 扶壁式挡墙结构应用

由于我国城市化进程不断加速，大规模建设项目越来越频繁，施工期间所剩余的大量的废弃土石方，如果不及时采取有效的防治措施，将造成严重的城市污染，造成极大的破坏。在工程中，弃碴场的填筑高度通常大于十米，而现在普遍采用的重力式支挡结构，不仅无法满足要求，而且巨大的工程量会造成高昂的造价。同时，由于坡体高度，在其他因素的作用下，产生的下滑力也会增大。因此，合理、经济、有效地处理这一弃碴场的边坡支挡问题具有十分重要的意义。

吁燃[12]认为高速公路与市政道路的道路互通是为节约用地、降低拆迁需求而设计的，目前已建的高速、已建市政路、已建等级公路的填筑工程中，挡土墙数量日益增多。由于填方地基与软土厚度不同，填筑材料的压实技术水平参差不齐，而且填方自身存在较长的工后沉降，目前大多数道路已有的填方承载力不能满足新建高速公路高挡墙的承载力要求。张敏[13]等根据工程实践和地质调查结果，从稳定性、抗滑移、抗倾覆等方面对高速公路周围的坡体进行了分析，提出了在特定的工况下以扶壁式挡土墙为支挡结构，用于下伏填土、上覆高挡墙的设计，不仅可以确保在交通荷载下挡墙的稳定性，而且可以节约施工时间、降低工程成本，提高安全水平。

3 扶壁式挡墙技术创新

徐诚[14]通过针对建筑结构加固中碳纤维布修复技术的应用优势及性能进行分析，得出了出碳纤维布由于具有高强、轻质、适应性强、施工方便、易于质量保证、维护成本低、加固效率高等优点，被广泛应用于工程维修加固领域。根据试验结果，对碳纤维布加固后梁的受弯特性、受弯承载力和二次受力特性进行了非线性分析，并对其受弯特性的影响因素进行了探讨，提出了碳纤维布加固梁有益的建议与分析结果。随后有学者通过有限元软件实现了应用碳纤维布加固补强扶壁式挡墙结构，其通过静动力分析、时程分析、并选取输入波为典型波段的Kobe地震波，研究了其抗震性能，表明采用碳纤维布加固后的支挡结构，其屈服强度与极限承载力都明显提高，其抗震性能也得到了很大的提升。

王宏源[15]等人提出传统挡土墙依赖自身的自重刚度来抵抗墙后土体的侧压力，使得支挡物自身自重过大、抗震性能及整体稳定性差，经常出现支挡物发生倾覆与大位移的情况这种弊端的分析，他们结合了工程实际探索出了一种新型的复合式扶壁式挡墙结构“加锚扶壁式挡墙”。

这种新型的扶壁式挡墙横截面如图3所示，结构中有一横截面近似于三角形的扶壁式挡墙18，墙后为填土16，预应力锚杆1穿过墙面板2与扶壁3嵌固于被加固土体4内部，在预应力锚杆1的锚固段5周围灌注水泥砂浆6，自由段7上涂有一层 防腐材料8，之外套装pvc塑料套管9，周围包裹水泥砂浆6，锚头10将预应力锚杆1的端部锚定在墙面板2上，分段设置伸缩缝11和泄水孔12，扶壁式挡墙18所受的土压力通过锚头10传至预应力锚杆1的锚固段5，通过锚固段5锚固在稳定地层中。以上的新型设计，改进克服了传统扶壁式挡墙的些许缺点，在投入使用后使得边坡段水平与竖向位移均变小，能够满足其工程设计与规范要求。

图3 加锚扶壁式挡墙新型结构剖面图

4 结束语

扶墙式挡墙结构是一种适用于边坡高度较高、地面土质较软弱等特殊工况的支挡结构，该结构在工程实际中的合理应用可以解决一些施工中出现的较高边坡的支挡问题。在合理的施工地质和工程环境下使用该结构，可以较好的解决施工造价和施工工期问题，从而取得好的经济效益。扶壁式挡墙的理论研究与实际应用的不断创新，丰富了将高防护挡墙设计在承载力较小的基础填方施工体上的设计经验，以补充了同型基础填土和挡墙支挡物的协同沉降和工后沉降的设计施工上的经验不足。但是，当挡墙的高度不断提升、其所承受的荷载不断增加时，工程中再采用钢筋混凝土扶壁式挡墙时，会使得混凝土用量与其含钢量大大增加。这就很大程度上造成了施工不便、造价倍增等一系列的问题。由此可见，在工程实际中，扶壁式挡墙的研究与设计还需要进一步的优化。