装配扶壁式钢筋混凝土挡土墙受力性能研究*

刘海成 成斌

沈阳建筑大学土木工程学院 110168

引言

目前，在市政工程中，装配扶壁式挡土墙构造简单，相比于传统现浇扶壁式挡土墙，有更多的优越性，省去现场支大量模板以及浇筑混凝土的环节，缩短工程工期，保持现场清洁。章宏生［1］设计了一种扶壁式挡土墙，分解为底板、面板和扶壁板等分离式结构，底板为现场浇筑，面板和扶壁板为预制双面叠合混凝土板，在现浇底板上安装后浇筑内芯混凝土，形成完整的装配扶壁式挡土墙；叶兴成［2］对该扶壁式挡土墙进行受力研究，并介绍其施工工艺。王仕康［3］、文登国［4］建立扶壁式挡土墙模型，研究其应变规律和土压力分布规律，得出墙面板水平方向的侧向土压力呈线性增大；垂直方向上，越靠近墙面板的底部，侧向土压力越大。

笔者提出一种新型带键槽装配扶壁式挡土墙，该挡土墙存在新老混凝土结合面及接缝，而带键槽的预制扶壁墙受力较复杂，根部竖直方向受拉力，水平方向以及远离根部受压力，键槽连接处是整个结构中最薄弱部分，因此对于预制扶壁墙键槽结合部位的研究很有意义，而构造措施如最优键槽尺寸布置、扶壁墙厚度等的研究显得尤为重要。

本文使用ABAQUS有限元软件对不同键槽的深度、宽度、键槽的间距、扶壁墙厚度与高度的挡土墙进行模拟计算，通过键槽抗剪性能、预制立壁顶部位移、扶壁墙键槽混凝土的受拉损伤因子来确定其较优的深度、宽度、间距，并分别建立装配扶壁式挡土墙与现浇挡土墙的模型，根据两者的极限承载力来评价该新型结构的合理性与安全性。

1 结构型式

1.1 挡土墙计算模型

挡土墙结构型式见图1，该挡土墙由预制立壁、预制扶壁墙和叠合踵板组成，叠合踵板由预制踵板与现浇踵板组成。各构件之间的连接方式为：在预制立壁、预制扶壁墙与现浇踵板之间设置键槽，在预制立壁与预制扶壁墙之间设置混凝土现浇带。各构件尺寸见表1。

表1 挡土墙构件尺寸Tab.1 Dimensions of retaining wall members

图1 结构型式Fig.1 Structural form

预制扶壁式挡土墙现场安装步骤为：①将预制踵板吊装到混凝土垫层，并根据扶壁墙位置放置混凝土垫块，并绑扎预制踵板上部钢筋；②将预制立壁吊装到混凝土垫块，斜支撑将其固定，绑扎预制立壁后浇带钢筋；③将预制扶壁墙吊装到混凝土垫块，斜支撑将其固定，绑扎预制扶壁墙后浇筑带钢筋；④预制立壁间、预制扶壁墙连接部分先支模板再浇筑混凝土。

根据《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ—2014）［5］规定，键槽深度t不宜小于30mm，宽度w不宜小于深度的3 倍且不宜大于深度的10 倍，键槽间距宜等于键槽宽度，键槽端部斜面倾角不宜大于30°。键槽形式有两种，见图2，为方便计算，本文取键槽倾角为30°，键槽选择贯通截面，现浇踵板厚取决于钢筋锚固长度，本文中预制立壁、预制扶壁墙、现浇踵板、预制踵板钢筋均为双向双层布置，锚固方式为环形封闭钢筋＋附加钢筋，根据规范规定，此类构造措施的锚固长度为0.6 倍的受拉钢筋锚固长度，即0.6la，即锚固长度取250mm，保护层厚度取20mm。根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）［6］、《建筑挡土墙技术规程》（DB21／T 3343—2020）［7］规定，扶壁墙厚度宜为扶壁墙间距的1／8 ～1／6，底板厚不应小于0.3m。现浇踵板厚取290mm，预制踵板厚取200mm，扶壁墙间距取1800mm，最外侧扶壁距踵板端部距离为575mm，外伸趾板长度取560mm。

图2 键槽形式Fig.2 Keyway form

为了比较在不同键槽布置下该装配扶壁式挡土墙的受力特性，本文以控制单一变量法进行建模研究，即在其他条件均相同的情况下，比较键槽深度在30mm ～80mm，键槽宽度与键槽间距在90mm ～400mm范围内，改变单一变量时的受力状态，包括结构变形、结构最大位移、结构最大应力以及混凝土受拉损伤因子，受拉损伤因子越大，破坏越严重。键槽的尺寸与间距见表2。

表2 键槽的尺寸与间距Tab.2 Dimensions and size of keyways

1.2 施加土压力与配筋

本文假设墙背垂直，挡土墙为受力面，取墙背土层厚度为6.49m，挡土墙埋深取1.8m，非扶壁墙侧为挡土面，该挡土墙既可用于市政工程中，又可用于地下室挡土，当挡土墙高度增加时，有扶壁侧可以用作房间。挡土墙墙身刚度大，变形小，并且孙本杰［8］、Fang［9］等提出采用主动土压力的临界位移为0.0003H～0.0005H（H为挡土墙高度），该挡土墙高度为6m，使用静止土压力所得最大位移为0.2141mm，远小于临界位移，故应采用静止土压力，材料取值见表3。经计算静止土压力取值为81.14kPa，荷载以三角形面荷载加载到墙背面。对于各部件之间接缝处的配筋，预制立壁与预制立壁之间、预制扶壁墙与预制立壁之间的连接钢筋，考虑到制作误差与安装误差，接缝处钢筋间预留5mm，各构件配筋见表4。

表3 材料取值Tab.3 Parameter values of various materials

表4 各构件配筋Tab.4 Reinforcement of each component

2 有限元模型与参数

2.1 模型及单元类型

该挡土墙结构对称，取两个挡土墙单体为对称面，通过ABAQUS 建模，使用右手直角坐标系，X轴正方向为水平向右。

该新型装配扶壁式挡土墙有二次浇筑面、接缝以及键槽连接，采用“接触”模块，混凝土采用C30 级别，C3D8R单元，塑性损伤模型，钢筋采用HRB400 级别，桁架T3D2 单元，双折线模型。

2.2 参数设置

假设钢筋与混凝土之间无相对滑移，将其看做一个整体，通过“内置”功能将钢筋嵌入到混凝土中，便于后期数据处理。预制踵板和现浇踵板之间的二次浇筑面，出厂前经过拉毛处理，根据沈阳建筑大学实验结果［10］，新老混凝土拉毛粗糙界面抗剪强度极限值为3.0MPa，光面未拉毛结合面抗剪强度为1.8MPa，大于规范0.4MPa要求，并且不是研究重点，认为此接触面连接可靠，使用“绑定”功能。预制扶壁墙键槽连接未经过拉毛处理，是最薄弱部位，预制扶壁墙部分受拉力、部分受压力，受力复杂，最易发生破坏，该界面采用“接触”功能。键槽新老混凝土界面采用建立2mm 厚度的薄层单元进行模拟，薄层单元如图3a所示，通过折减系数K的取值对该薄层材料的力学参数进行折减，范亮［11］经过试算发现当粗糙面薄层材料性能折减系数是0.466时，实验结果与模拟结果相接近。而光面非粗糙面折减系数根据极限抗剪强度比，取粗糙面的0.6 倍。将预制踵板的底部所有节点全部自由度固定，左侧非扶壁侧挡土，右侧支撑，施加三角形荷载模拟静止土压力，如图3b所示。

图3 薄层单元与荷载简图Fig.3 Thin layer element and load diagram

2.3 单元网格的布置

网格的划分对于计算精度及计算速度有着重要的影响，新型装配扶壁式钢筋混凝土挡土墙网格按以下划分：钢筋全部以50mm划分，该挡土墙存在接触和绑定的相互作用，需要考虑到接触面主从面的问题，主面应为刚度大、网格粗的构件，接触面不能有尖角，因此混凝土对于不同构件有不同划分规则；预制立壁沿厚度分5 层，其他方向以140mm长度划分；预制踵板沿厚度分3层，其他方向以140mm 长度划分；现浇踵板沿厚度为4 层，键槽的划分更加精细，键槽可划分为3mm×3mm×1mm，减少运算时间，保证结果精确［12，13］，其他方向以150mm 长度划分。各构件网格划分见图4。

图4 各构件网格划分Fig.4 Grid division of each component

3 受力特性研究

3.1 不同键槽尺寸

在静止土压力三角形水平荷载条件下，通过对带键槽的新型装配扶壁式挡土墙进行受力模拟，比较不同键槽深度、宽度与间距下的模型受力特性，包括整个结构的最大位移及受力状态、损伤程度，以确定最优键槽布置。模拟结果见表5。

表5 键槽深度30mm ～80mm模拟结果Tab.5 Keyway depth 30mm ～80mm simulation results

根据模拟结果：挡土墙最大位移在预制立壁顶部，结构最大拉应力出现在扶壁墙根部键槽处。由表5 可知相同键槽深度、不同键槽宽度与间距情况下，键槽宽度与间距越大其挡土墙顶部最大位移与受拉损伤因子越大，键槽剪应力也越大，键槽破坏程度越重，挡土效果越差。相同键槽宽度与间距、不同键槽深度情况下，键槽越深挡土墙的顶部最大位移越小，因其键槽宽度及间距与键槽深度有关，所以随着深度的不断增加，键槽间距不断增大，键槽数量不断减少，导致挡土效果并不显著。

由图5 可知，在键槽深度为50mm，键槽宽度及间距为150mm ～200mm 下，取50mm ×180mm×180mm时挡土墙顶部位移与键槽混凝土受拉损伤因子最小；在键槽宽度与间距为180mm，键槽深度为30mm ～60mm 下，取50mm ×180mm×180mm时，得出相同结果。

图5 不同键槽尺寸的最大位移与受拉损伤因子Fig.5 Simulation results for different keyway sizes

通过以上模拟结果分析可得，键槽的较优布置为：键槽深度50mm，键槽宽度及键槽间距均为180mm。

3.2 不同挡土墙高度、扶壁墙厚度

为研究挡土墙高度以及带键槽预制扶壁墙的厚度对键槽最优尺寸布置的影响，建立挡土墙高度分别为6m、7m、8m 以及带键槽扶壁墙厚度分别为200mm、250mm、300mm 时，不同键槽尺寸的模型。模拟计算各种单一变量组合下的受力特性，得到整个结构的最大位移、受力状态及扶壁墙键槽混凝土受拉损伤因子等。当采用正常静止土压力时，挡土墙顶部最大位移、键槽损伤相差不大，难以比较各键槽尺寸的优劣，因此所加荷载为1.5 倍静止土压力，其余条件不变。

通过图6、图7 的模拟结果可知，在不同挡土墙高度、扶壁墙厚度条件下，键槽尺寸为50mm × 180mm ×180mm（深度×宽度×间距）时，整个结构顶点最大位移最小，扶壁墙根部键槽混凝土受拉损伤因子最小。挡土墙的高度以及扶壁墙的厚度对键槽的尺寸、布置无影响。

图6 不同挡土墙高度下最大位移与受拉损伤因子Fig.6 Simulation results under different retaining wall heights

图7 不同扶壁墙厚度下最大位移与受拉损伤因子Fig.7 Simulation results under different thicknesses of buttress walls

综上所述，最优键槽尺寸为50mm ×180mm ×180mm。

4 整体应力变形分析

4.1 正常土压力下挡土墙受力特性

在静止土压力作用下，采用最优键槽尺寸的挡土墙仅在预制扶壁墙底端的键槽处出现轻微的应力集中和损伤，但整体受力性能良好，结构完整性满足工程设计要求。

以键槽最优布置，即键槽深度为50mm，键槽宽度与间距均为180mm，对该结构进行受力特性分析。如图8a ～图8e所示，该挡土墙的拉应力在扶壁墙底部键槽位置最大，扶壁墙的最大剪应力为1.058MPa，小于未拉毛处理混凝土结合面的抗剪强度1.8MPa，挡土墙混凝土最大拉应力为扶壁墙边缘键槽处2.028MPa，稍超过C30 混凝土抗拉强度，但只是某个键槽边缘应力集中，产生微小裂缝，而其键槽的混凝土受拉损伤因子只有0.3，所有钢筋中最大应力为18.63MPa，均未达到钢筋屈服强度设计值360MPa［14-16］。图8f、图8g 分别为整体挡土墙变形图、挡土墙顶部沿x水平方向的位移图，由于扶壁墙的存在，该位移由墙底向墙顶依次增大，位移最大处为预制立壁与预制立壁顶部连接部位，为0.2141mm。因为扶壁墙的限制作用，预制立壁变形为波浪状，变形较小，满足安全性要求。

图8 模拟结果云图Fig.8 Simulation results cloud image

4.2 增大土压力下现浇与装配挡土墙受力特性对比

为验证装配挡土墙键槽部分新老混凝土结合部位的可靠性，不断增大荷载，与现浇挡土墙模型作为对比。模拟结果如图9，受力分为三阶段：初期未裂段，只有混凝土承担外力，界面未发生开裂，钢筋基本未受力；共同受力段，当荷载达到350kPa，界面部分混凝土达到极限抗拉强度，退出工作，扶壁墙钢筋开始受力，扶壁墙钢筋应力不断增大；界面破坏段，当现浇与装配挡土墙所加荷载分别达到660.23kPa、634.90kPa，键槽剪应力分别达到峰值3.8MPa、4.04MPa 时，钢筋应力达到最大值，对于扶壁墙与现浇踵板结合面，扶壁墙键槽混凝土受拉损伤因子达到88%，即产生严重的塑性变形，扶壁墙根部产生受拉破坏，认为此时界面已失效，达到极限状态；达到极限状态后，钢筋应力与键槽剪应力开始下降，之后钢筋应力出现上升段。

图9 现浇与装配挡土墙模拟结果Fig.9 Simulation results of cast-in-place and assembled retaining walls

可见现浇与装配挡土墙受力特性相似，极限承载力相差不大，键槽结合部位连接可靠。

5 结论

1.在相同键槽深度下，键槽宽度与间距越大，键槽的抗剪能力越低，挡土墙顶部位移越大，变形越大；在相同键槽宽度与间距下，键槽深度在一定范围内越大，键槽的抗剪能力越强，挡土墙顶部位移越小，变形越小。

2.通过对比不同键槽深度、键槽宽度与键槽间距下的最大位移、应力与变形，最终得出最优键槽深度为50mm，键槽间距与键槽宽度均为180mm。

3.挡土墙高度与预制扶壁墙厚度对键槽尺寸、布置无影响。

4.最优键槽布置下，挡土墙只有某个键槽边缘应力集中，产生微小裂缝，其他部分剪应力、拉应力均小于混凝土强度值，该挡土墙可以带裂缝工作，安全可靠，满足使用要求。

5.通过对比现浇挡土墙与装配扶壁式挡土墙的极限承载力，得出两者极限承载力相差不大，键槽新老混凝土结合部位连接可靠。