全預(yù)制裝配式懸臂擋土墻在項目中的應(yīng)用研究

沈 偉[上海公路橋梁（集團）有限公司，上海 200433]

預(yù)制拼裝技術(shù)由于具有施工快速、質(zhì)量可靠和環(huán)保、耐久性等方面的優(yōu)點，得到了行業(yè)越來越多的青睞，它的應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)今國內(nèi)外土木工程領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的趨勢。懸臂式擋土墻作為公路、鐵路、水利、市政等工程領(lǐng)域常見的構(gòu)筑物，這些領(lǐng)域預(yù)制拼裝技術(shù)的研究及應(yīng)用已展開，但多為將懸臂式擋土墻現(xiàn)澆改為分段預(yù)制或部分預(yù)制，裝配化程度較低，設(shè)計方法也是采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆擋土墻的計算理論，對裝配式擋土墻關(guān)鍵問題仍缺乏研究。為配合上海市某公路改建項目實現(xiàn)綠色公路建設(shè)示范工程的目標(biāo)，本標(biāo)段以懸臂式擋土墻為代表開展預(yù)制裝配式技術(shù)的研究和應(yīng)用。

1 研究概況

上海市某公路改建工程 2 期作為上海市第一批實施綠色公路建設(shè)典型示范工程，設(shè)計道路等級為二級公路，設(shè)計荷載為公路 Ⅰ 級荷載。工程主要將原有道路雙向 4 車道改建為雙向 6 車道，并增加相應(yīng)的非機動車道和人行道，拓寬后紅線寬度為 40.0 m。該工程路基邊坡中約有 70% 為懸臂式擋土墻形式，擋墻高度 2.0～4.6 m。

考慮該工程作業(yè)空間狹小，為提高工程質(zhì)量、加快建設(shè)速度、減少環(huán)境干擾、最大限度減少對交通的影響以及提升工程的社會效益、經(jīng)濟效益，本工程懸臂式擋土墻擬全部采用全預(yù)制裝配形式。本文通過對項目施工過程中擋土墻預(yù)制結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件連接、預(yù)制及安裝等關(guān)鍵技術(shù)進行探索和總結(jié)，并對加載試驗的過程觀察及數(shù)據(jù)分析以驗證預(yù)制形式的可行性，為后續(xù)工程的建設(shè)提供了合理化建議。

2 連接方式比選

如何將懸臂式擋土墻拆分成形式簡單、便于生產(chǎn)預(yù)制及現(xiàn)場安裝的結(jié)構(gòu)以及擋土墻單元和構(gòu)件連接可靠是研究的核心，如何選擇合理、經(jīng)濟的連接方式并精準(zhǔn)實施到預(yù)制擋土墻施工中是研究的難點。

結(jié)合常規(guī)連接形式，查閱的相關(guān)資料及參考工程經(jīng)驗，以標(biāo)準(zhǔn)長度懸臂式擋墻為基礎(chǔ)進行構(gòu)件拆分，得到底板和立板兩部分。預(yù)制裝配式懸臂擋土墻的連接形式具體考慮以下幾種形式：① 承插式：底板、立板采用預(yù)制構(gòu)件，底板設(shè)置槽口，立板根部設(shè)置榫頭，底板與立板通過承插（承插式連接）形成機械互鎖；② 錨栓連接：底板、立板采用預(yù)制構(gòu)件，在底板上預(yù)留若干個錨栓，立板根部預(yù)留與錨栓數(shù)量、間距相同的錨栓孔，通過錨栓連接將立板和底板鎖定在一起形成擋土墻；③ 灌漿套筒：分別在底板預(yù)制時預(yù)留鋼筋頭，立板預(yù)制時預(yù)埋鋼套筒，在現(xiàn)場吊裝使鋼筋插入鋼套筒，通過向套筒和鋼筋的間隙灌注專用高強度水泥基灌漿料，灌漿料凝固后形成一定強度實現(xiàn)構(gòu)件的連接；④ 波紋管連接：分別在立板預(yù)制時預(yù)留鋼筋頭，底板預(yù)制時預(yù)埋金屬波紋管，在現(xiàn)場吊裝使鋼筋插入鋼套筒，通過向波紋管和鋼筋的間隙灌注專用高強度水泥基灌漿料，灌漿料凝固后形成一定強度實現(xiàn)構(gòu)件的連接；⑤ 后澆帶法：底板和立板在預(yù)制中在連接部位設(shè)置預(yù)留鋼筋，在現(xiàn)場利用二次搭模，將各構(gòu)件澆筑連接；⑥ 鋼板焊接連接：底板和立板在連接部位設(shè)置預(yù)埋鋼板，在現(xiàn)場采用加勁板焊接，形成整體。

通過對以上 6 種連接方式在連接可靠性、整體性、耐久性、施工周期、造價等方面的綜合對比（表 1），發(fā)現(xiàn)承插式具有一定優(yōu)勢，故本項目推薦采用承插式，同時錨栓連接作為備選方式。

表1 裝配式擋土墻連接方案匯總表

3 理論分析及試驗構(gòu)件確定

3.1 計算分析

針對擬選用的承插式連接方案，通過有限元模型進行受力性能強度驗算分析。

(1) 工況說明。本工程的荷載是根據(jù)公路 Ⅰ 級荷載，按一般地質(zhì)情況進行估算的，具體實施時需根據(jù)實際情況進行計算。擬對承插預(yù)制擋土墻模型進行有限元分析，單元模型高 2～5 m（按 0.5 m 遞增，共 7 種），底板、立板均厚 40 cm，倒角 40 cm×40 cm，榫口 150 cm×40 cm。見圖 1。

圖1 承插式擋土墻示意及模型圖

(2) 有限元模型說明。材料采用 C 40 混凝土，考慮一定的配筋后材料的剛度增強；模型本構(gòu)采用彈性模型，建立模型時添加鋼筋只能改善局部受力，對最終結(jié)果影響不大，故本模型中未添加鋼筋；底板最下層節(jié)點固結(jié)，底板與立板采用一般面接觸，兩者之間的靜態(tài)摩擦系數(shù)偏安全地取 0。

(3) 分析。各尺寸擋土墻受力結(jié)果見表 2。

表2 各尺寸擋土墻受力結(jié)果匯總表

根據(jù)以上分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：① 承插部分拉應(yīng)力小于立板內(nèi)側(cè)根部拉應(yīng)力，故保證承插部分與立板結(jié)構(gòu)一致時，承插部分結(jié)構(gòu)安全可以得到保障；② 各尺寸擋土墻的壓應(yīng)力均滿足要求（＜fck=26.8 MPa），但 ≥3 m 擋土墻立板內(nèi)側(cè)根部拉應(yīng)力均超標(biāo)（＞ftk=2.39 MPa），本結(jié)果是由線彈性材料模型計算得到的，實際中混凝土拉應(yīng)力超過抗拉強度時，材料開裂，裂紋處的拉應(yīng)力主要由豎向鋼筋承擔(dān)；③ 在不計構(gòu)件制作時產(chǎn)生的尺寸偏差時，頂端水平位移值較小。

根據(jù)初步的有限元分析結(jié)果，承插式擋土墻的高度不宜 ＞3 m；據(jù)浙江 31 省道北延紹興至蕭山段工程實例：擋土墻單元長度 2 m，每個擋墻單元分別由預(yù)制底板與立板組成，墻高 H=4m ，該工程中底板和立板用栓接連接。故擋土墻當(dāng)高度 ＞3 m 時采用栓接的連接形式，并在試驗中進行驗證及優(yōu)化。

3.2 試驗構(gòu)件尺寸確定

根據(jù)以上計算分析，并考慮運輸、吊裝要求，由于承插式擋土墻標(biāo)準(zhǔn)單個節(jié)段長度為 5.0 m，栓接式擋土墻單個節(jié)段長度為 2.5 m，最終選取在相同形式下設(shè)計內(nèi)力最大、規(guī)格最大的方案進行試驗，見圖 2。同時基于對經(jīng)濟性與承插結(jié)構(gòu)對稱性的考慮，承插式取半結(jié)構(gòu)試驗即長度為 2.5 m。

圖2 兩類裝配式擋土墻設(shè)計圖

4 加載試驗

4.1 試驗?zāi)康?、方?/h3>

(1) 試驗?zāi)康模孩?通過足尺試驗發(fā)現(xiàn)預(yù)制、安裝過程中存在問題，對后續(xù)設(shè)計、施工過程提出合理化建議；② 驗證擋土墻在設(shè)計工況中的適用性和安全性；③ 探究擋土墻的破壞發(fā)展歷程及極限承載力；④ 驗證設(shè)計計算的可靠性。

(2) 試驗方法：① 試驗?zāi)Ｐ筒扇嶓w 1∶1 比例；② 采用自平衡加載系統(tǒng)模擬設(shè)計與施工工況下?lián)跬翂κ芰顟B(tài)進行分級加載，并收集荷載加載值、試件水平位移與豎向位移、混凝土應(yīng)變和鋼筋應(yīng)變，并觀測試驗過程中裂縫發(fā)展情況，兩組試驗對象加載高度分別為 1.2 m（承插式構(gòu)件）、1.9 m（栓接式構(gòu)件）。

4.2 試驗過程

(1) 構(gòu)件制作與安裝。裝配式擋墻的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程與常規(guī)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工藝基本相同，包括鋼筋加工、模板制作與安裝、混凝土澆筑、養(yǎng)生等，但各工序的質(zhì)量把控需更為嚴(yán)格，具體如下：① 為保證鋼筋安裝的準(zhǔn)確性與快速性，需設(shè)計專門鋼筋胎架，鋼筋連接需采用點焊；② 為節(jié)約場地和提高模板周轉(zhuǎn)率，墻身采用立式預(yù)制，底板采用水平預(yù)制；③ 模板需采用具有剛度、強度俱佳的材質(zhì)，本次試驗采用鋼模，為保證澆筑的構(gòu)件尺寸偏差較小及外觀平滑，需注意加工模板的鋼板厚度不能太薄，對于長大的平板部分需設(shè)置相應(yīng)肋條；④ 承插孔、螺栓位置的定位控制需設(shè)計專門的定位裝置，要求精準(zhǔn)而且便于拆卸；⑤為確保拼縫砂漿密實，面板和底板連接采用座漿法施工。

(2) 加載裝置安裝與加載。通過對擋土墻結(jié)構(gòu)底板進行延伸設(shè)計形成延長底板與反力架固定形成自平衡加載系統(tǒng)（圖 3），并通過設(shè)置在千斤頂加載端部的壓力傳感器控制施加在墻身的相應(yīng)荷載，具體加載流程見圖 4。

圖3 加載裝置

圖4 試驗加載流程圖

4.3 試驗結(jié)果簡述

(1) 承插式擋土墻?；跇?gòu)件裂縫開展以及最終破壞形態(tài)，將試驗構(gòu)件按荷載的響應(yīng)分為以下階段：① 彈性階段：水平推力為 0～150.00 KN 左右時，擋土墻結(jié)構(gòu)位移、鋼筋應(yīng)變和混凝土應(yīng)變隨荷載線性變化，構(gòu)件未出現(xiàn)明顯裂縫；② 帶裂縫工作階段：水平推力為 150.00～180.00 KN，槽口左右兩側(cè)出現(xiàn)明顯裂縫，裂縫發(fā)展迅速，在已出現(xiàn)的第一道裂縫后方約 20 cm 處出現(xiàn)第二道裂縫，且第一道裂縫逐漸發(fā)展并與第二道裂縫匯合；③ 破壞階段：水平推力超過 180.00 KN，逐漸加載至 185.00 KN，此后擋土墻結(jié)構(gòu)位移較為明顯，水平推力難以持荷，加載水平力由 185.00 KN 卸載至 180.00 KN，裂縫寬度最大值為 4 mm，頂部水平位移近 5 cm，墻身與底板榫頭明顯脫開，底板彎曲破壞，底板開裂嚴(yán)重，底板鋼筋屈服，荷載無法繼續(xù)增加，構(gòu)件破壞。

按照人行道側(cè)擋墻設(shè)計荷載組合對應(yīng)加載高度 1.2 m 的加載力為 89.87 KN。綜上所述，承插式滿足人行道側(cè)擋土墻拼裝需求。

(2) 栓接式擋土墻?；跇?gòu)件裂縫開展以及最終破壞形態(tài)，將試驗構(gòu)件隨荷載的響應(yīng)分為以下階段：① 彈性階段：水平推力為 0～155.40 KN，擋土墻處于彈性變形階段，擋土墻結(jié)構(gòu)位移、鋼筋應(yīng)變和混凝土應(yīng)變隨荷載線性變化，構(gòu)件未出現(xiàn)明顯裂縫；② 帶裂縫工作階段：水平推力為 155.40～276.33 KN，墻身變截面端部出現(xiàn)第一道表面彎曲裂縫，結(jié)構(gòu)帶裂縫工作，剛度無較大變化；③ 破壞階段：水平推力為 276.33～460.00 KN。至 317.00 KN 時在墻身之上約 30 cm 處出現(xiàn)第二道彎曲裂縫，同時在底板螺栓連接處頂面出現(xiàn)彎曲裂縫；當(dāng)荷載至 355.50 KN 時底板填土外側(cè)底面出現(xiàn)貫穿裂縫，此后無新裂縫出現(xiàn)。原有裂縫隨著荷載增加逐漸發(fā)展，此后擋土墻墻身水平位移、底板豎向位移均較為明顯，特別是底板出現(xiàn)裂縫之后變化較為明顯，底板鋼筋應(yīng)力也隨荷載的增加而迅速增大，最終加載至極限荷載時，擋土墻位移持續(xù)增加而水平推力難以持荷，底板主要裂縫相互貫通，鋼筋達到屈服，結(jié)構(gòu)達到承載能力極限。

按照人行道側(cè)擋墻設(shè)計荷載組合對應(yīng)加載高度 1.9 m 的加載力為 242.94 KN。綜上所述，栓接式滿足人行道側(cè)擋土墻拼裝需求。

5 結(jié) 語

(1) 從懸臂式擋土墻全預(yù)制裝配的角度進行方案比選、理論分析及足尺構(gòu)件的模型加載試驗，提出并驗證了擋土墻采用承插和栓接兩種形式，從拆分成立板、底板進行場內(nèi)預(yù)制后連接應(yīng)用在道路人行道側(cè)的方案是可行的。

(2) 承插式擋墻的槽口處為整個擋土墻結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，墻身在槽口發(fā)生破壞時鋼筋應(yīng)力很低，應(yīng)當(dāng)對槽口進行構(gòu)造尺寸及配筋的優(yōu)化。

(3) 足尺試驗?zāi)Ｐ偷闹谱靼惭b過程相當(dāng)于簡易工況的現(xiàn)場預(yù)制裝配式懸臂擋土墻試驗，對下一步預(yù)制裝配擋墻在全工程應(yīng)用中的模具設(shè)計，預(yù)埋件、預(yù)留孔洞定位的控制及構(gòu)件安裝方法、精度控制等方面提供了一定的經(jīng)驗積累。