劉 澤,何 礬,黃天棋,陳 麗

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201)

0 引言

擋土墻是道路、房建、水利等各類工程建設(shè)中的常見構(gòu)筑物。傳統(tǒng)的擋土墻多為圬工重力式結(jié)構(gòu)，采用漿砌或現(xiàn)澆人工濕法作業(yè)，不僅材料消耗量大，機(jī)械化程度低，而且作業(yè)環(huán)境惡劣，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，使得施工質(zhì)量難以得到保證，工后病害時(shí)有發(fā)生，且隨著環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，許多地區(qū)石料開采受限，勞動(dòng)力成本近年來也在不斷攀升，使得圬工重力式擋土墻越來越不能滿足現(xiàn)代“高效低耗、節(jié)能環(huán)保”工程建設(shè)的需要。

預(yù)制化、裝配化是工程建設(shè)的重要發(fā)展方向，國內(nèi)外許多學(xué)者也開展了擋土墻的裝配化研究，先后設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)形式或裝配方式的裝配式擋土墻(如裝配懸臂式擋土墻、四構(gòu)件折板式擋土墻、雙曲薄殼形裝配式擋土墻等)[1-5]，有力地促進(jìn)了工程質(zhì)量和現(xiàn)場施工效率的提高，并降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。由于懸臂式、扶壁式擋土墻具有作用機(jī)理清晰、對地基承載力要求低、結(jié)構(gòu)簡單、易于折分構(gòu)件化、材料強(qiáng)度可控等優(yōu)點(diǎn)，上述裝配式擋土墻大多是以這兩種結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。將懸臂式、扶壁式擋土墻預(yù)制裝配化的一般流程[5]是：先將擋土墻沿長度方向劃分為若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長度的擋土墻單元，再將擋土墻單元拆分為立板、底板、肋板等構(gòu)件進(jìn)行預(yù)制，然后將預(yù)制養(yǎng)護(hù)好的構(gòu)件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行拼裝。通常立板、底板、肋板均為板狀構(gòu)件，結(jié)構(gòu)簡單，便于預(yù)制。因此，擋土墻裝配化的核心是如何將這些構(gòu)件組裝成整體，即預(yù)制構(gòu)件間如何連接。現(xiàn)有的連接方式主要有：(1)整體預(yù)制。采用模具將整個(gè)擋土墻單元整體預(yù)制，構(gòu)件間無需設(shè)置節(jié)點(diǎn)。(2)預(yù)留鋼筋二次澆注。孫寶昌[1]提出在立板預(yù)制時(shí)，將立板內(nèi)抗彎受拉鋼筋預(yù)留出足夠的長度，采用二次澆注方式將這部分鋼筋澆注到后趾板中。(3)預(yù)留鋼板焊接。這種方式是在預(yù)制構(gòu)件指定位置預(yù)留連接鋼板，安裝時(shí)通過電焊將相鄰構(gòu)件上的預(yù)留鋼板焊接在一起，再對連接部位進(jìn)行二次澆注。文獻(xiàn)[3]即將立板和肋板一起預(yù)制并在底部預(yù)留鋼板，底板現(xiàn)澆，再通過鋼筋、三角鋼板等將板肋預(yù)留鋼板與底板上鋼板焊接在一起。(4)疊合板法。章宏生[7]提出先用預(yù)制雙面疊合混凝土板拼成擋土墻框模，然后在疊合板間設(shè)置連接鋼筋、澆注內(nèi)芯混凝土，待其凝固后形成擋土墻。顯然方式1的擋土墻整體性好，不存在構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接問題，但模板復(fù)雜，預(yù)制施工難度大，而且墻高較大時(shí)，預(yù)制構(gòu)件重量大，對預(yù)制、吊裝設(shè)備的要求高。方式(2)～(4)不僅需要二次澆注，而且在裝配時(shí)需要設(shè)置輔助支撐裝置以保證施工安全，裝配施工難度大，擋土墻拼裝后也不能立即承受荷載。除此之外，徐健[8]、劉景濤[9]等對裝配式擋墻的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析；一些學(xué)者還對懸臂式擋土墻沿高度方向上裝配的可行性進(jìn)行了研究[10-15];段鐵錚[16]、張國棟[17]分別對裝配式擋土墻標(biāo)準(zhǔn)化系列化的可行性與條件以及設(shè)計(jì)應(yīng)考慮荷載進(jìn)行了探討，但沒有對構(gòu)件的合理連接方式開展研究?？梢姡壳皩跬翂?gòu)件的連接問題還有待進(jìn)一步深入研究。

為了探索更為合理的構(gòu)件連接方式，本研究設(shè)計(jì)了鋼筋焊接、螺栓角鋼連接、錨栓連接3種裝配方式以及整體預(yù)制結(jié)構(gòu)的懸臂式擋土墻，通過室內(nèi)進(jìn)行預(yù)制、裝配，檢驗(yàn)了4種裝配方式擋土墻的加工可行性，然后對立板施加水平推力，模擬土壓力作用，測試了4種結(jié)構(gòu)懸臂式擋土墻在不同荷載下的變形和破壞形式，為擋土墻的裝配化設(shè)計(jì)提供了參考。

1 裝配式擋土墻設(shè)計(jì)

為收縮坡角、減少土地占用、提高施工質(zhì)量，浙江S31省道北延工程大源互通C匝道的路基擬采用裝配懸臂式擋土墻進(jìn)行支擋。結(jié)合現(xiàn)場條件和《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)的基本要求，確定了路基支擋方案和相關(guān)參數(shù)，見圖1和表1。擋土墻設(shè)計(jì)先進(jìn)行荷載計(jì)算和穩(wěn)定性校核，再以《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)為依據(jù)進(jìn)行配筋計(jì)算，然后考慮如何實(shí)現(xiàn)裝配化。裝配化的基本思路為：先沿路線長度方向?qū)跬翂澐譃殚L度為2.5 m擋土墻單元，再將擋土墻單元拆分為底板、立板構(gòu)件進(jìn)行預(yù)制養(yǎng)護(hù)，然后將預(yù)制好的底板、立板構(gòu)件運(yùn)輸至工點(diǎn)進(jìn)行裝配成形。

圖1 路基支擋方案(單位：cm)Fig.1 Subgrade support scheme(unit: cm)

圖2 裝配式擋土墻的連接方式設(shè)計(jì)(單位：cm)Fig.2 Design of connection modes of prefabricated retaining wall(unit:cm)

表1 設(shè)計(jì)條件與基本參數(shù)

將懸臂式擋土墻裝配化的核心是尋找合適的構(gòu)件連接方式，即設(shè)計(jì)合理的節(jié)點(diǎn)。考慮到立板與底板連接處的變形以彎拉為主，剪切為輔，筆者設(shè)計(jì)了3種裝配式方式：預(yù)留鋼筋焊接式、螺栓角鋼連接式和錨栓連接式，如圖2所示。

(1)預(yù)留鋼筋焊接式。在立板底部、底板上方設(shè)計(jì)有預(yù)留三角形連接鋼筋，考慮底板、立板上預(yù)留鋼筋的相互位置關(guān)系。構(gòu)件預(yù)制、養(yǎng)護(hù)成型后，通過電焊將分別來自立板、底板的相鄰預(yù)留鋼筋焊接在一起，然后對連接處進(jìn)行二次澆注形成節(jié)點(diǎn)(圖2(a))。

(2)螺栓角鋼連接式。在立板、底板預(yù)制時(shí)預(yù)埋螺栓和螺栓孔(鋼套筒)，并制作連接用帶肋角鋼。立板和底板構(gòu)件預(yù)制、養(yǎng)護(hù)成型后，通過雙頭螺栓、螺母、墊片和帶肋角鋼等連接件將兩者連接成整體并對連接部位二次澆注(圖2(b))。

(3)錨栓連接式。將立板底部擴(kuò)大為楔體形，并在其中布置斜向鋼筋，設(shè)置鋼套筒形成錨栓孔；在底板上預(yù)埋地腳錨栓。構(gòu)件預(yù)制、養(yǎng)護(hù)成型后，利用起重設(shè)備吊起立板，使底板上的預(yù)留錨栓穿過立板底部的錨栓孔，通過螺母、墊片將其鎖緊，然后在螺栓頂部的凹槽處澆注混凝土(圖2(c))。

為了對比上述3種裝配方式的優(yōu)劣性，試驗(yàn)還設(shè)計(jì)了整體澆注式(圖2(d))，即立板和底板為一整體結(jié)構(gòu)，兩者間為剛性連接。

2 模型制作與裝配檢驗(yàn)

在室內(nèi)用鋼模按1∶5的比例將4種連接方式的擋土墻進(jìn)行預(yù)制并養(yǎng)護(hù)。模型制作時(shí)，混凝土采用C10細(xì)石混凝土，鋼筋直徑按比例縮小后以就近原則選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的鍍鋅低碳鋼絲(5#，8#，14#)，鋼絲的幾何與力學(xué)參數(shù)見表2。模型擋土墻的相似常數(shù)見表3。圖3為模型制作過程的情形。

表2 鋼絲的幾何與力學(xué)參數(shù)

表3 模型擋土墻的相似常數(shù)

圖3 模型擋土墻制作Fig.3 Production of retaining wall model

模型制作與裝配過程表明，整體澆注式擋土墻的模板復(fù)雜，使混凝土澆注、振搗較困難；3種裝配方式的擋土墻都能順利完成構(gòu)件制作與裝配，但預(yù)留鋼筋焊接式擋土墻裝配時(shí)要先對鋼筋位置進(jìn)行調(diào)整才能焊接，耗時(shí)較長，且易出現(xiàn)虛焊；螺栓角鋼連接式擋土墻對螺栓、角鋼安裝孔的位置精度要求高，否則安裝調(diào)整難度較大；相比之下，錨栓連接式擋土墻的裝配最為方便。

3 不同連接方式擋土墻的承載特性能試驗(yàn)

3.1 加載方案

側(cè)向土壓力是擋土墻的主要荷載。在這一荷載下，立板內(nèi)有彎矩和剪力兩種內(nèi)力，在墻高方向上前者為拋物線分布，后者為線性分布，但均在立板和底板相交處(節(jié)點(diǎn))達(dá)到最大值，即節(jié)點(diǎn)處為危險(xiǎn)截面。為了測試節(jié)點(diǎn)受力后的破壞規(guī)律，試驗(yàn)采用簡化方式加載：不考慮土壓力沿墻高的分布性，直接在立板頂部施加水平推力，如圖4所示。先將預(yù)制拼裝好的擋土墻用地腳螺栓、槽鋼等固定在地面，再通過千斤頂在擋土墻立板頂部施加水平推力P，使擋土墻立板受到剪力Q和彎矩M作用，采用分級加載的方法逐漸增大荷載，控制每級荷載增量為0.5 kN，直至擋土墻破壞失效。試驗(yàn)時(shí)通過荷載傳感器、百分表測量模型擋土墻受到的推力、擋土墻側(cè)向變形，并時(shí)刻關(guān)注擋土墻各個(gè)部位是否出現(xiàn)裂縫。圖5為試驗(yàn)加載時(shí)的情形。

圖4 加載方案Fig.4 Loading scheme

圖5 加載試驗(yàn)Fig.5 Loading test

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1整體澆注式擋土墻的失效模式與極限承載力

考慮到目前工程中的懸臂式擋土墻一般為現(xiàn)澆整體式，其應(yīng)用非常成熟，為了便于對比，首先分析整體澆注式擋土墻的試驗(yàn)結(jié)果。

圖6為整體澆注式擋土墻在不同推力P作用下側(cè)向變形沿墻高的變化曲線(圖中的相對高度為測點(diǎn)距立板底部距離hi與立板高度h的比值)?？梢姡瑩跬翂Φ膫?cè)向變形隨荷載的增加而增大，各級荷載下側(cè)向變形沿墻高基本上都呈線性分布，最大變形發(fā)生在頂墻，變形主要發(fā)生在立板支托以上部分，以立板與支托(立板厚度尺寸發(fā)生變化的位置)相交處為鉸點(diǎn)，呈整體旋轉(zhuǎn)式變形。圖7為整體澆注式擋土墻最大變形隨荷載增加的發(fā)展曲線。分析可知，擋土墻變形可分為3個(gè)階段：當(dāng)荷載P≤1.02 kN (節(jié)點(diǎn)處的彎矩Mo≤0.612 kN·m)時(shí)，側(cè)向變形隨荷載線性增大；當(dāng)荷載增大到P=1.51 kN時(shí)，側(cè)向變形出現(xiàn)一個(gè)較大的增量，使曲線變彎，但在擋土墻上沒有發(fā)現(xiàn)裂縫，隨著荷載繼續(xù)增加，擋土墻側(cè)向變形也基本上為線性增大；當(dāng)荷載增大到P=4.01 kN (Mo=2.406 kN·m)時(shí)，在立板內(nèi)側(cè)(受拉側(cè))與支托相連接處出現(xiàn)一條橫向裂縫(圖8)；繼續(xù)增大荷載P，裂縫沿立板橫截面方向擴(kuò)展，立板側(cè)向變形迅速增大，且節(jié)點(diǎn)三角區(qū)受拉側(cè)鋼筋保護(hù)層出現(xiàn)剝離式破壞，這主要是由節(jié)點(diǎn)處斜向鋼筋的沖剪作用所引起的。

圖6 各級荷載作用下?lián)跬翂Φ淖冃吻€Fig.6 Deformation curves of retaining wall under different loads

圖7 擋土墻最大位移與荷載的關(guān)系Fig.7 Relation between maximum displacement of retaining wall and load

圖8 擋土墻連接處裂紋Fig.8 Cracks at joint of retaining wall

3.2.23種裝配式擋土墻的變形分析

圖9為3種結(jié)構(gòu)裝配式擋土墻在水平推力作用下的側(cè)向變形發(fā)展曲線。與整體澆注式擋土墻對比可知，3種裝配式擋土墻的立板側(cè)向變形規(guī)律基本相同，擋土墻立板側(cè)向變形隨荷載的增加而增大，在墻高方向呈線性分布。但立板變形的起始點(diǎn)位置不同，鋼筋焊接式擋土墻同整體澆注式一樣，立板側(cè)向變形也是以支托頂部為鉸點(diǎn)，而螺栓角鋼連接式和錨栓連接式擋土墻的變形起始點(diǎn)在立板底部，即立板相對底板有一定量的整體轉(zhuǎn)動(dòng)變形，這主要是由連接節(jié)點(diǎn)間存在一定的初始間隙所造成的?？紤]到這種間隙除了會(huì)影響擋土墻受荷后的變形，還可能引起局部應(yīng)力集中，并提供了水進(jìn)入節(jié)點(diǎn)區(qū)的通道，對連接件的耐久性造成影響，如果這種結(jié)構(gòu)要用于工程實(shí)際，就必須消除節(jié)點(diǎn)間隙。

圖9 三種裝配式擋土墻的側(cè)向變形發(fā)展曲線Fig.9 Lateral deformation development curves of 3 types of prefabricated retaining wall

3.2.3三種裝配式擋土墻的失效模式

圖10為3種裝配式擋土墻最終破壞失效時(shí)的裂縫位置圖。在水平推力引起的彎矩作用下，預(yù)留鋼筋焊接式擋土墻的立板受拉側(cè)在距底板0.4 m處出現(xiàn)一條橫向裂縫(圖10(a))，裂縫出現(xiàn)這一位置的原因主要在于三角形預(yù)留鋼筋的設(shè)置使得立板底部的鋼筋被加密。螺栓角鋼連接式擋土墻的裂縫出現(xiàn)在立板下端，并由連接螺栓與受拉側(cè)相交點(diǎn)開始，斜向上發(fā)展(圖10(b))，出現(xiàn)一個(gè)梯形破壞體，表明立板底部產(chǎn)生拉伸破壞。錨栓連接式擋土墻的破壞首先在立板下部受拉側(cè)、截面突變處出現(xiàn)一條橫向裂縫，隨荷載的增加裂縫加寬并向受壓側(cè)和楔形體下部延伸，并且在立板與底板前趾相交區(qū)出現(xiàn)壓縮破壞?？梢?，裝配式擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)要針對具體連接方式進(jìn)行有針對性的強(qiáng)度驗(yàn)算。

3.2.4三種裝配式擋土墻的極限承載力

圖11 四種模型擋土墻的荷載-最大水平位移曲線Fig. 11 Curves of load vs. maximum horizontal displacement of 4 retaining wall models

圖11為3種連接方式的模型擋土墻最大側(cè)向變形與荷載的關(guān)系曲線。整體澆注式擋土墻因立板和底板鋼筋籠通過連接處的斜向鋼筋連接并一次性澆注成形，立板和底板之間為剛性連接，在剪力和彎矩作用下，擋土墻具有較好的整體性，結(jié)構(gòu)剛度最大。焊接裝配式擋土墻的立板和底板單獨(dú)預(yù)制后，通過電焊將斜向連接鋼筋焊接在一起，再二次澆注形成支托使立板底部截面尺寸增大，同時(shí)對連接鋼筋進(jìn)行保護(hù)，最終節(jié)點(diǎn)也為剛性連接，表現(xiàn)出與整體澆注式擋土墻相同的結(jié)構(gòu)特性，兩者的最大變形與荷載曲線基本相同。螺栓角鋼連接式擋土墻是在立板和底板上預(yù)留螺栓(孔)，底板、立板預(yù)制養(yǎng)護(hù)成型后通過連接角鋼、螺母、墊片等將兩者拼接而成，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部不可避免地存在初始間隙使裝配式節(jié)點(diǎn)的剛度減小，使得相同荷載下?lián)跬翂Φ膫?cè)向變形比整體澆注式擋土墻要大一些。錨栓連接式擋土墻的承載力與螺栓角鋼連接式基本相同。

根據(jù)各模型擋土墻的實(shí)測可承受最大推力，由式(1)可計(jì)算原型擋土墻可承受的最大彎矩：

Mmax=cMPmaxa，

(1)

式中，cM為擋土墻的彎矩相似系數(shù)，見表3；Pmax為模型擋土墻實(shí)測極限推力；a為試驗(yàn)推力作用點(diǎn)距底板頂面的距離。

定義擋土墻節(jié)點(diǎn)的安全系數(shù)為節(jié)點(diǎn)能承受最大彎矩Mmax與設(shè)計(jì)土壓力引起的節(jié)點(diǎn)處最大彎矩MEa之比，見式(2)。

(2)

式中，Ea為每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長度單元原型擋土墻的設(shè)計(jì)土壓力合力；ht為原型擋土墻的立板高度。其他符號意義同上。

每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長度單元(長2.5 m)原型擋土墻設(shè)計(jì)的水平土壓力合力為279.13 kN。根據(jù)模型設(shè)計(jì)的相似比條件，計(jì)算4種擋土墻可承受的極限荷載與安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表4?？梢?，焊接裝配式因與整體澆注式同為剛性連接，且因連接處的鋼筋用量較整體澆注式大，在3種裝配式擋土墻中其極限承載力最大，螺栓角鋼連接式擋土墻的極限承載力最小，但4種連接方式的擋土墻均具有足夠的安全系數(shù)。

表4 模型擋土墻的極限荷載

4 結(jié)論

為了探索裝配懸臂式擋土墻的合理連接方式，設(shè)計(jì)了整體澆注式、預(yù)留鋼筋焊接式、螺栓角鋼連接式、錨栓連接式等4種連接方式的模型擋土墻，在室內(nèi)模型制作檢驗(yàn)不同裝配方式施工便利性的基礎(chǔ)上，通過荷載試驗(yàn)測試了4種連接方法裝配式擋土墻的破壞模式和極限承載力，主要結(jié)論有：

(1)4種連接方式的懸臂裝配式擋土墻都可以順利完成預(yù)制，但在裝配時(shí)錨栓連接式擋土墻安裝最為簡便。

(2)預(yù)留鋼筋焊接式擋土墻的節(jié)點(diǎn)鋼筋用量較整體澆注式擋土墻大，其極限承載力最大；螺栓角鋼連接式與錨栓連接式擋土墻的節(jié)點(diǎn)內(nèi)部存在初始間隙，相同荷載下?lián)跬翂Φ淖冃屋^預(yù)留鋼筋焊接式擋土墻和整體澆注式擋土墻大，極限承載力也要小一些，但4種結(jié)構(gòu)均具有足夠的安全系數(shù)。

(3)整體澆注式、螺栓角鋼連接式、錨栓連接式擋土墻的破壞均發(fā)生在節(jié)點(diǎn)處，預(yù)留鋼筋焊接式擋土墻的破壞發(fā)生在立板中下部。

(4)實(shí)際工程中，懸臂、扶壁式擋土墻的裝配化是大型構(gòu)件的裝配，構(gòu)件的重量大，吊裝要求高，構(gòu)件連接方法的選擇不僅要考慮結(jié)構(gòu)的安全，還要充分考慮施工的難易程度以及經(jīng)濟(jì)性。在綜合比較4種連接方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，實(shí)體試驗(yàn)工程采用了錨栓連接式擋土墻，并通過接合面座漿工藝消除立板與底板間的初始間隙，以提高結(jié)構(gòu)的整體性。