箱式擋土墻技術(shù)優(yōu)化研究

姜 雷

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

1 現(xiàn)有技術(shù)分析

箱式擋土墻屬于重力式擋土墻的范疇，主要由箱體和箱體內(nèi)填土組成，依靠箱體和箱體內(nèi)填土自重共同抵抗墻背土壓力，如圖1所示。箱體為薄壁鋼筋混凝土構(gòu)件，箱底可設(shè)置底板，也可不設(shè)置底板。箱式擋土墻的抗滑穩(wěn)定性由箱體與地基土之間的摩阻力來保證，抗傾覆穩(wěn)定性由結(jié)構(gòu)及填土自重來保證。

圖1 箱式擋土墻典型圖式

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

早在上個(gè)世紀(jì)70年代，箱式擋土墻就有相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例。木蘭縣五一水庫溢洪道岸[1]邊坡采用了鋼筋混凝土箱式擋土墻，該工點(diǎn)地基為巖石，箱式擋土墻采用淺基礎(chǔ)不封底，空箱內(nèi)填滿砂礫，砂漿封頂設(shè)計(jì)該工程于 1978 年修建，至今運(yùn)用良好。

日本鐵路路基邊坡工程中采用了一種鋼板制成的箱式擋土墻[2]，該擋土墻用壓波紋鋼板制成的方形筒裝配成連續(xù)體，其內(nèi)填充現(xiàn)場(chǎng)砂土形成擋土墻。這是利用填充砂土的剪切抗力來抵抗外力，從而保持墻體穩(wěn)定的一種鋼制擋土墻。

近年來，國內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)了一些箱式擋土墻的應(yīng)用實(shí)例。湘江大橋北引橋改造工程[3]采用了設(shè)置底板的箱式擋土墻；大連國際儲(chǔ)備庫北區(qū)工程填方采用了一種命名為網(wǎng)箱擋土墻的箱式擋土墻[4]，箱體采用鋼筋網(wǎng)制成，箱內(nèi)填充石料；渝西某公路路塹邊坡采用了箱式階梯式擋土墻[5]，墻體由多個(gè)無底板的混凝土箱體自下而上拼裝而成；侯月鐵路某填方路基工點(diǎn)采用了有底板的箱式擋土墻[6]，最大擋墻高度8 m；中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院有限公司申請(qǐng)了分節(jié)式預(yù)制空腹擋墻砌塊及擋墻結(jié)構(gòu)專利[7]，該結(jié)構(gòu)采用多個(gè)箱體組合拼裝而成；建材建華(中國)有限公司申請(qǐng)了裝配式混凝土空箱擋土結(jié)構(gòu)專利[8]，該結(jié)構(gòu)采用多個(gè)無底鋼筋混凝土箱體自下而上裝配而成。

總體來看，箱式擋土墻在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用不多，現(xiàn)有的研究資料多認(rèn)為箱式擋土墻施工技術(shù)要求較高，施工周期長(zhǎng)，且小尺寸的箱式擋土墻受結(jié)構(gòu)及配筋構(gòu)造限制，經(jīng)濟(jì)性較差。因此其推廣應(yīng)用有一定的局限性。

1.2 研究現(xiàn)狀

目前，關(guān)于箱式擋土墻的研究資料較為有限，從已有的研究資料[9-10]來看，其研究尚停留在初步階段，且基本參照重力式擋土墻理論對(duì)箱式擋土墻進(jìn)行設(shè)計(jì)，這主要是因?yàn)橄涫綋跬翂εc重力式擋土墻存在諸多相似之處。

箱式擋土墻的計(jì)算分為土壓力計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算兩部分。墻背土體及墻內(nèi)填土土壓力計(jì)算普遍采用庫倫土壓力或朗肯土壓力，結(jié)構(gòu)計(jì)算一般將前后板、側(cè)板及底板分別拆分，簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧虬鍐卧M(jìn)行計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)化模型多趨于保守。

箱式擋土墻設(shè)計(jì)分為整體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)(抗傾覆和抗滑移)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。整體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法步驟類同于傳統(tǒng)重力式擋土墻，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)重力式擋土墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)區(qū)別較大。傳統(tǒng)重力式擋土墻為素混凝土結(jié)構(gòu)，一般采用容許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)，只需驗(yàn)算墻身截面剪應(yīng)力和拉應(yīng)力即可；箱式擋土墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)，且需進(jìn)行抗彎、抗剪、最大裂縫寬度、撓度等驗(yàn)算。箱內(nèi)填料一般采用分層填筑、分層碾壓，壓實(shí)系數(shù)一般不小于0.90。

箱式擋土墻構(gòu)造要求主要包括結(jié)構(gòu)尺寸和配筋要求，組成箱體的鋼筋混凝土板一般厚20～30 cm，板內(nèi)一般布置雙層鋼筋，鋼筋保護(hù)層厚度、鋼筋間距等均應(yīng)滿足混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)要求。

2 優(yōu)化研究

2.1 土壓力算法優(yōu)化

箱體內(nèi)填土產(chǎn)生的土壓力是控制箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要荷載，目前箱式擋土墻箱體內(nèi)填土土壓力主要采用庫倫或朗肯土壓力計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果偏于保守。考慮到箱體是有限空間，箱內(nèi)填土為有限邊界條件，這一點(diǎn)與貯倉相似，因此宜采用貯倉理論計(jì)算土壓力。

(1)

σx=σzK

(2)

(3)

式中：σz——豎向土壓力(kPa)；

γ——腹內(nèi)填土容重(kN/m3);

A——系數(shù)(1/m)；

Z——計(jì)算點(diǎn)距離墻頂?shù)木嚯x(m)；

σx——水平土壓力(kPa)；

K——靜止土壓力系數(shù)；

U——空腹薄壁墻內(nèi)敞口周長(zhǎng)(m)；

S——空腹薄壁墻內(nèi)敞口面積(m2)；

δ——腹內(nèi)填土與墻壁摩擦角，可取1/2填土內(nèi)摩擦角。

分別采用庫侖土壓力和貯倉理論計(jì)算某工況箱式擋土墻的箱內(nèi)填土土壓力分布，如圖2所示。從圖2可以看出，在填土5 m深度處，庫倫土壓力是貯倉土壓力的1.6倍，這說明庫倫土壓力的計(jì)算結(jié)果偏保守，采用貯倉土壓力對(duì)箱式擋土墻進(jìn)行設(shè)計(jì)更為合理。

圖2 土壓力分布圖

2.2 構(gòu)造措施優(yōu)化

箱式擋土墻一般采用有底板設(shè)計(jì)，底板與箱體通常采用固結(jié)連接，此時(shí)組成箱體的鋼筋混凝土板均為雙向受力板，板體雙向承受正負(fù)彎矩，需雙向布置雙層主筋，鋼筋用量較大，導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)性較差。

箱式擋土墻的工作原理是通過箱體保持箱內(nèi)填土穩(wěn)定，并共同形成整體抵抗墻背土壓力，設(shè)置底板的目的是為了增加結(jié)構(gòu)的整體性，降低基底壓應(yīng)力，提高擋墻自穩(wěn)性，以滿足地基承載力及穩(wěn)定性要求。從底板的功能而言，其與箱體連接不必采用固結(jié)連接，可采用分離式設(shè)計(jì)，將底板設(shè)置為L(zhǎng)型或U型(如圖3所示)這樣在箱體內(nèi)填土土壓力的作用下，組成箱體的鋼筋混凝土板均為單向受力板。

圖3 箱式擋土墻底板與箱體分離設(shè)計(jì)示意圖

組成箱體的板體一般采用剛性連接，也可采用鉸接連接。采用剛性連接時(shí)，可直接采用混凝土現(xiàn)澆成箱體；采用鉸接連接時(shí)，應(yīng)確保連接處抗拉力滿足設(shè)計(jì)要求，必要時(shí)應(yīng)采用相應(yīng)的構(gòu)造措施，以確保組成箱體的各構(gòu)件始終保持箱體的狀態(tài)，與填土構(gòu)成可靠穩(wěn)定的實(shí)體墻。

底板與箱體采用分離式設(shè)計(jì)，箱體的計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為超靜定框架結(jié)構(gòu)?？紤]箱體內(nèi)填土土壓力和墻背土壓力的作用，計(jì)算時(shí)可按單邊受力、雙邊受力、三邊受力和四邊受力分別計(jì)算，計(jì)算模型如圖4所示。此時(shí)只需沿水平方向布置主筋、沿豎向布置分布鋼筋即可。

圖4 計(jì)算模型及受力工況示意圖

底板與箱體采用分離式設(shè)計(jì)時(shí)，抗滑穩(wěn)定性與整體式設(shè)計(jì)相同，將箱體、底板和填土看作一個(gè)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算；抗傾覆穩(wěn)定性與整體式設(shè)計(jì)有所不同，在將箱體、底板和填土看作一個(gè)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算的同時(shí)，尚應(yīng)將箱體與填土看作一個(gè)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，兩次計(jì)算結(jié)果均應(yīng)滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。抗滑及抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算方法與傳統(tǒng)重力式擋土墻相同。

2.3 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)于鋼筋的凈距和鋼筋保護(hù)層均有嚴(yán)格要求，不能小于規(guī)定的限定值，其目的是確保骨料對(duì)鋼筋形成有效的握箍力。采用雙層鋼筋通常需同時(shí)布置拉筋，以形成鋼筋籠骨架，拉筋的彎鉤長(zhǎng)度既要滿足長(zhǎng)度要求又要滿足最小保護(hù)層厚度要求。為滿足上述構(gòu)造要求，箱式擋土墻的鋼筋混凝土板厚一般不小于20 cm。而對(duì)于尺寸較小的箱體(高度不大于6 m，1節(jié)長(zhǎng)約2～4 m，寬1～2 m)，箱體內(nèi)填土土壓力較小，結(jié)構(gòu)內(nèi)力較少，從受力分析而言，板厚無需達(dá)到 20 cm，這導(dǎo)致小尺寸箱式擋土墻的經(jīng)濟(jì)性較差，限制了其推廣應(yīng)用。

為進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，鋼筋可采用錯(cuò)排布置，如圖5所示。這樣可在保證鋼筋間距和凈距滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，將小尺寸箱式擋土墻的混凝土板厚減小至13 cm，混凝土用量可降低25%～35%，鋼筋用量可降低30%～40%。

圖5 錯(cuò)排鋼筋布置圖

2.4 施工工藝優(yōu)化

現(xiàn)有箱式擋土墻多采用現(xiàn)澆施工[11]，立模工序較為復(fù)雜，施工工期較長(zhǎng)，且受外部環(huán)境因素干擾較大(如雨季、冬季)，施工質(zhì)量不易控制，對(duì)周邊環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生一定的污染。

近幾年，裝配式結(jié)構(gòu)[12]在建筑行業(yè)發(fā)展迅速，并取得了豐碩的技術(shù)成果。箱式擋土墻由鋼筋混凝土板組合而成，具備裝配施工的條件，混凝土板可設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，以產(chǎn)品的形式廠內(nèi)加工完成后，再運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)裝配成箱體。因此，箱式擋土墻可采用預(yù)制裝配施工工藝，其工序簡(jiǎn)單，施工工期短，受外部環(huán)境因素干擾小，施工質(zhì)量容易控制，特別是在長(zhǎng)大鐵路路塹點(diǎn)地段，可有效避免因路塹邊坡長(zhǎng)期放置而導(dǎo)致的邊坡大變形、溜塌等。

2.5 優(yōu)化前后對(duì)比分析

對(duì)現(xiàn)有箱式擋土墻進(jìn)行優(yōu)化研究后，其結(jié)構(gòu)組成、設(shè)計(jì)理論、施工工藝等技術(shù)均有所創(chuàng)新，優(yōu)化前后的對(duì)比分析如表1所示。

優(yōu)化后，箱式擋土墻的技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著提高，其壁厚更薄，鋼筋用量更省，每立方混凝土鋼筋用量約為60 kg左右，質(zhì)量更易于控制，施工更快捷，更環(huán)保，其應(yīng)用領(lǐng)域也得到了拓寬。小尺寸的箱式擋土墻可設(shè)計(jì)為薄壁結(jié)構(gòu)，其造價(jià)可降為與傳統(tǒng)重力式擋墻或懸臂式擋墻基本相當(dāng)[13]，用于一般的鐵路支擋工點(diǎn)時(shí)，又具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可用于替代現(xiàn)有的重力式擋土墻。

3 結(jié)論

本文對(duì)箱式擋土墻技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，并對(duì)其土壓力計(jì)算、構(gòu)造措施、結(jié)構(gòu)尺寸、施工工藝等幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化研究，得出主要研究結(jié)論如下：

(1)箱體內(nèi)填土土壓力計(jì)算宜采用貯倉土壓力，其計(jì)算模型更符合有限填土的特性，計(jì)算結(jié)果更為合理。

(2)箱體與底板宜采用分離式設(shè)計(jì)，此時(shí)箱體可簡(jiǎn)化為超靜定框架結(jié)構(gòu)模型，均按單向受力板設(shè)計(jì)，底板按彈性地基板設(shè)計(jì)。

(3)對(duì)于小尺寸的箱式擋土墻，其鋼筋布置可采用錯(cuò)排構(gòu)造，以有效減小結(jié)構(gòu)尺寸和鋼筋用量。

(4)箱式擋土墻宜優(yōu)先采用預(yù)制裝配施工，小尺寸的箱式擋土墻可采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，以產(chǎn)品的形式進(jìn)行推廣應(yīng)用。