卸荷式擋墻結(jié)構(gòu)研究綜述

涂文睿，魏松 （合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230008）

1 卸荷式擋墻結(jié)構(gòu)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

卸荷式擋墻是一種在墻背設(shè)置卸荷板或卸荷平臺來減少墻體所受總側(cè)向推力，同時利用卸荷板上方填土自重來優(yōu)化擋墻整體位移的擋土結(jié)構(gòu)。早在1927年，西澳大利亞大學(xué)的學(xué)者就開始研究帶卸荷板的擋墻結(jié)構(gòu)[1]。在國外，卸荷板式擋土結(jié)構(gòu)最早應(yīng)用于水工岸壁工程，1951年前蘇聯(lián)學(xué)者M.E.克羅烈等人在其所著的《滑坡及其防治》一書中就提出了加設(shè)伸到滑裂面以外的長卸荷板的治理方式來處理鐵路工程中個別特殊邊坡條件。1961年沙湖年慈等所著的《蘇聯(lián)鐵路滑坡的防治經(jīng)驗》一書介紹了蘇聯(lián)學(xué)者在戰(zhàn)后針對加設(shè)長卸荷板的擋土墻的研究與發(fā)展。在上個世紀70年代，印度學(xué)者針對懸臂式擋土墻上加設(shè)卸荷板進行過相關(guān)研究，并做了一些實踐探究[2]。

在國內(nèi)，卸荷板式擋墻結(jié)構(gòu)首先應(yīng)用于港工方面，如重力式碼頭、塢墻等結(jié)構(gòu)。上個世紀60年代，吳宗儉[3]首次提出了衡重式擋土墻。隨后，周鏡等人[4]對衡重式擋墻進行了模型試驗，改良了在一般荷載下土壓力的計算方法，加速了衡重式擋墻在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用。在之后的侯月鐵路、枝柳鐵路與南昆鐵路等工程的建設(shè)中，采用卸荷式擋土墻代替重力式擋土墻可明顯減少開挖土方，降低造價節(jié)省工期[5]。此外，卸荷板—托盤式路肩擋土墻首次應(yīng)用于南昆鐵路的建設(shè)中，此類結(jié)構(gòu)綜合了以上兩種擋土墻的優(yōu)點，適用于陡坡地段。經(jīng)實踐證明，與衡重式擋土墻相比，此類結(jié)構(gòu)可節(jié)省30%～50%的圬工，具有顯著的經(jīng)濟價值[6]。對于一些特殊的工程條件，劉國楠[7]首次提出了衡重式樁板擋墻來取代錨索板樁擋墻結(jié)構(gòu)，該類型擋墻已在深圳地區(qū)多個工程項目中得到成功運用。2016年，在澮河南坪船閘工程設(shè)計中首次采用了卸荷板式閘墻，與不使用卸荷板的方案相比，該方案可節(jié)省大量建材，同時其抗浮穩(wěn)定性系數(shù)也有一定的提升[8]。未來幾年，根據(jù)安徽省水運規(guī)劃，淮河航道、江淮航道、引江濟巢航道等沿線將有十多座船閘新建或改建?？紤]到節(jié)省投資的因素，若可進一步推廣應(yīng)用該技術(shù)，改進整體式船閘斷面設(shè)計，大多數(shù)船閘設(shè)計都可以采用卸荷板式結(jié)構(gòu)，其具有較高的經(jīng)濟價值。

2 卸荷式擋墻結(jié)構(gòu)研究

國內(nèi)外學(xué)者對卸荷式擋墻結(jié)構(gòu)的研究大多從卸荷板卸荷效應(yīng)、擋墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及土壓力分布規(guī)律三個方向入手，對近幾年的研究成果進行集中歸納。

2.1 卸荷板卸荷效應(yīng)研究

卸荷板的卸荷效應(yīng)即加設(shè)卸荷板對擋墻墻體所受側(cè)向推力的卸荷能力。自1973年Chadhuri[9]首次針對卸荷板對擋土墻上側(cè)向土壓力卸荷效果進行研究，許多學(xué)者開始對這一問題進行了研究。

彭磊[10]，吳海根[11]對加設(shè)卸荷板的扶壁式擋土墻進行受力分析，計算結(jié)果表明加設(shè)卸荷板可以降低墻上土壓力且可適當減小墻體截面，同時提高了擋土墻整體穩(wěn)定性。

李浩等[12]對四種位移模式下衡重式路肩擋墻模型進行離心試驗分析，結(jié)果顯示：衡重臺對上墻土體的托舉作用使得下墻離衡重臺1/3墻高范圍內(nèi)的土壓力明顯減小。

席榮等[13]基于澮河南坪船閘工程，利用有限元方法卸荷板的埋設(shè)位置以及形狀對閘墻的水平位移、土壓力分布和單寬彎矩的影響進行了分析，結(jié)果顯示：卸荷板具有顯著卸荷效果且能增加閘室抗浮能力；卸荷板的埋深深度與其寬度和厚度對上墻閘墻土壓力的影響不大，下墻土壓力隨以上參數(shù)先增大后減小。

張明等[14]針對衡重式樁板擋墻，開展了相似比為7:1的模型試驗，結(jié)果顯示：對于主動區(qū)，加設(shè)卸荷板對靠近卸荷板處墻面所受土壓力的卸荷效果最為明顯；對于被動區(qū)，加設(shè)卸荷板對樁前上半部分土壓力有較好卸荷效果。

2.2 卸荷式擋墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

胡榮華[15]對衡重式樁板擋墻進行靜力與離心試驗，根據(jù)其試驗結(jié)果建議卸荷板埋設(shè)在距墻頂0.4倍墻高處，其埋深與寬度之比為1～1.4之間。

胡云龍[16]對衡重式樁板擋墻在填土荷載以及外加荷載作用下的變形進行了研究，其結(jié)果顯示：卸荷板加設(shè)位置與其寬度對結(jié)構(gòu)變形有較大影響，對于卸荷板未伸出滑裂面的工況，寬度增加，結(jié)構(gòu)變形減小。而對于卸荷板伸出滑裂面的工況，其對結(jié)構(gòu)變形的限制作用較差。

Chauhan[17]建立一個墻高為6m，加設(shè)3塊卸荷板的擋墻模型并對其進行有限元分析，結(jié)果顯示：對于不同的卸荷板寬度組合，擋墻所受的側(cè)向土壓力減少11.7%～23.5%，其中板寬為0.6m的工況卸荷效果最好。對于加設(shè)多卸荷板的擋土墻，其卸荷板最大寬度隨自上而下依次增大，且加設(shè)在任意深度的卸荷板最大允許寬度與其上方卸荷板的寬度具有函數(shù)關(guān)系。

譚波等[18]應(yīng)用有限元分析方法，分析了在土體位移、變形以及土墻相互作用等因素下卸荷式擋土墻墻后土壓力分布，并對卸荷板的位置和寬度等參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，其結(jié)果顯示：卸荷板最佳寬度為0.3倍的墻高，最佳卸荷板埋設(shè)位置為墻體的中部。

Djireb[19]使用FLAC3D對卸荷板擋墻上主動土壓力進行了分析，結(jié)果顯示：在光滑的剛性連接卸荷板條件下，其主動土壓力分析值可能高于實際值從而造成擋土墻設(shè)計過于保守，推薦使用非剛性連接的短卸荷板來增加擋土墻的穩(wěn)定性；對于卸荷板設(shè)置高度在0.4～0.7倍墻高的情況，其卸荷比在31%～34.9%，其卸荷板寬度建議為0.2～0.27倍墻高。

2.3 卸荷式擋墻結(jié)構(gòu)土壓力分布及計算方法研究

劉國楠等[20-21]以衡重式樁板擋墻為原型，制作了比例為7:1的模型進行模型試驗，詳細研究了卸荷板埋深位置和寬度對擋墻后土壓力分布、大小和擋墻位移的影響。

付長靜[22]將卸荷式板樁墻高樁梁板碼頭式結(jié)構(gòu)分區(qū)進行土壓力計算，考慮土拱效應(yīng)與卸荷平臺卸荷作用，利用非極限狀態(tài)下土壓力計算理論對各分區(qū)土壓力進行簡化運算，其結(jié)果與數(shù)值模擬與離心試驗結(jié)果進行比對，比對結(jié)果基本一致，表明該計算方法具有一定可行性。

張寧[23]通過采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并進行數(shù)值模擬，分析了在回填荷載作用下，卸荷式船閘閘墻所受土壓力、孔隙水壓力以及閘墻變形情況隨時間的變化。

陳磊[24]利用比例為15:1的卸荷式船閘模型進行模型試驗，研究了在不同卸荷板寬度的情況下，在分級堆載下墻后土壓力、基底壓力、卸荷板上下土壓力以及墻體位移情況，并提出了堆載作用下，上下墻土壓力簡化計算公式。

朱衛(wèi)國[25]提出了超高卸荷式擋土墻碼頭水工結(jié)構(gòu)方案，并根據(jù)前人研究以及現(xiàn)行規(guī)范，提出了超高卸荷式擋土墻土壓力及其結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算公式。

張明[26]進行了比例為50:1的衡重式樁板擋墻的離心試驗，結(jié)果表明：當填土為砂土?xí)r，其上墻所受主動土壓力可在朗肯主動土壓力的基礎(chǔ)上乘以一定系數(shù)來計算，下墻樁前抗力可按C法和M法計算。當下層填土采用粉土?xí)r，其樁前抗力分布呈拋物線形，與M法、C法及朗肯被動土壓力計算結(jié)果相差較大。

3 結(jié)語

目前對于卸荷式擋墻結(jié)構(gòu)的研究已有一定的成果，但由于此類擋墻結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，現(xiàn)有研究中仍存在一些盲點與不足。結(jié)合以上三個方面的研究成果，對現(xiàn)階段研究現(xiàn)狀以及存在的問題歸納如下：

①卸荷板對擋墻下墻土壓力卸荷作用明顯，在不同的卸荷板埋深及其寬度下，對比無卸荷板的擋墻，下墻土壓力卸荷比為20%～35%。然而對于卸荷式擋墻上墻與下墻土壓力的計算并沒有統(tǒng)一的方法與規(guī)范；

②目前的研究一般都從板的卸荷效應(yīng)和反向力矩對擋墻抗傾覆穩(wěn)定的作用方向入手，在反向力矩對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響，尚不明確；

③目前多研究主動情況下?lián)鯄ι舷聣λ芡翂毫Ψ植记闆r。對于卸荷式結(jié)構(gòu)被動土壓力及其分布，目前很少有研究。