裝配扶壁式鋼筋混凝土擋土墻受力性能研究*

劉海成 成斌

沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院 110168

引言

目前，在市政工程中，裝配扶壁式擋土墻構(gòu)造簡單，相比于傳統(tǒng)現(xiàn)澆扶壁式擋土墻，有更多的優(yōu)越性，省去現(xiàn)場支大量模板以及澆筑混凝土的環(huán)節(jié)，縮短工程工期，保持現(xiàn)場清潔。章宏生［1］設(shè)計了一種扶壁式擋土墻，分解為底板、面板和扶壁板等分離式結(jié)構(gòu)，底板為現(xiàn)場澆筑，面板和扶壁板為預(yù)制雙面疊合混凝土板，在現(xiàn)澆底板上安裝后澆筑內(nèi)芯混凝土，形成完整的裝配扶壁式擋土墻；葉興成［2］對該扶壁式擋土墻進行受力研究，并介紹其施工工藝。王仕康［3］、文登國［4］建立扶壁式擋土墻模型，研究其應(yīng)變規(guī)律和土壓力分布規(guī)律，得出墻面板水平方向的側(cè)向土壓力呈線性增大；垂直方向上，越靠近墻面板的底部，側(cè)向土壓力越大。

筆者提出一種新型帶鍵槽裝配扶壁式擋土墻，該擋土墻存在新老混凝土結(jié)合面及接縫，而帶鍵槽的預(yù)制扶壁墻受力較復(fù)雜，根部豎直方向受拉力，水平方向以及遠離根部受壓力，鍵槽連接處是整個結(jié)構(gòu)中最薄弱部分，因此對于預(yù)制扶壁墻鍵槽結(jié)合部位的研究很有意義，而構(gòu)造措施如最優(yōu)鍵槽尺寸布置、扶壁墻厚度等的研究顯得尤為重要。

本文使用ABAQUS有限元軟件對不同鍵槽的深度、寬度、鍵槽的間距、扶壁墻厚度與高度的擋土墻進行模擬計算，通過鍵槽抗剪性能、預(yù)制立壁頂部位移、扶壁墻鍵槽混凝土的受拉損傷因子來確定其較優(yōu)的深度、寬度、間距，并分別建立裝配扶壁式擋土墻與現(xiàn)澆擋土墻的模型，根據(jù)兩者的極限承載力來評價該新型結(jié)構(gòu)的合理性與安全性。

1 結(jié)構(gòu)型式

1.1 擋土墻計算模型

擋土墻結(jié)構(gòu)型式見圖1，該擋土墻由預(yù)制立壁、預(yù)制扶壁墻和疊合踵板組成，疊合踵板由預(yù)制踵板與現(xiàn)澆踵板組成。各構(gòu)件之間的連接方式為：在預(yù)制立壁、預(yù)制扶壁墻與現(xiàn)澆踵板之間設(shè)置鍵槽，在預(yù)制立壁與預(yù)制扶壁墻之間設(shè)置混凝土現(xiàn)澆帶。各構(gòu)件尺寸見表1。

表1 擋土墻構(gòu)件尺寸Tab.1 Dimensions of retaining wall members

圖1 結(jié)構(gòu)型式Fig.1 Structural form

預(yù)制扶壁式擋土墻現(xiàn)場安裝步驟為：①將預(yù)制踵板吊裝到混凝土墊層，并根據(jù)扶壁墻位置放置混凝土墊塊，并綁扎預(yù)制踵板上部鋼筋；②將預(yù)制立壁吊裝到混凝土墊塊，斜支撐將其固定，綁扎預(yù)制立壁后澆帶鋼筋；③將預(yù)制扶壁墻吊裝到混凝土墊塊，斜支撐將其固定，綁扎預(yù)制扶壁墻后澆筑帶鋼筋；④預(yù)制立壁間、預(yù)制扶壁墻連接部分先支模板再澆筑混凝土。

根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ—2014）［5］規(guī)定，鍵槽深度t不宜小于30mm，寬度w不宜小于深度的3 倍且不宜大于深度的10 倍，鍵槽間距宜等于鍵槽寬度，鍵槽端部斜面傾角不宜大于30°。鍵槽形式有兩種，見圖2，為方便計算，本文取鍵槽傾角為30°，鍵槽選擇貫通截面，現(xiàn)澆踵板厚取決于鋼筋錨固長度，本文中預(yù)制立壁、預(yù)制扶壁墻、現(xiàn)澆踵板、預(yù)制踵板鋼筋均為雙向雙層布置，錨固方式為環(huán)形封閉鋼筋＋附加鋼筋，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，此類構(gòu)造措施的錨固長度為0.6 倍的受拉鋼筋錨固長度，即0.6la，即錨固長度取250mm，保護層厚度取20mm。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）［6］、《建筑擋土墻技術(shù)規(guī)程》（DB21／T 3343—2020）［7］規(guī)定，扶壁墻厚度宜為扶壁墻間距的1／8 ～1／6，底板厚不應(yīng)小于0.3m。現(xiàn)澆踵板厚取290mm，預(yù)制踵板厚取200mm，扶壁墻間距取1800mm，最外側(cè)扶壁距踵板端部距離為575mm，外伸趾板長度取560mm。

圖2 鍵槽形式Fig.2 Keyway form

為了比較在不同鍵槽布置下該裝配扶壁式擋土墻的受力特性，本文以控制單一變量法進行建模研究，即在其他條件均相同的情況下，比較鍵槽深度在30mm ～80mm，鍵槽寬度與鍵槽間距在90mm ～400mm范圍內(nèi)，改變單一變量時的受力狀態(tài)，包括結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)最大位移、結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力以及混凝土受拉損傷因子，受拉損傷因子越大，破壞越嚴重。鍵槽的尺寸與間距見表2。

表2 鍵槽的尺寸與間距Tab.2 Dimensions and size of keyways

1.2 施加土壓力與配筋

本文假設(shè)墻背垂直，擋土墻為受力面，取墻背土層厚度為6.49m，擋土墻埋深取1.8m，非扶壁墻側(cè)為擋土面，該擋土墻既可用于市政工程中，又可用于地下室擋土，當擋土墻高度增加時，有扶壁側(cè)可以用作房間。擋土墻墻身剛度大，變形小，并且孫本杰［8］、Fang［9］等提出采用主動土壓力的臨界位移為0.0003H～0.0005H（H為擋土墻高度），該擋土墻高度為6m，使用靜止土壓力所得最大位移為0.2141mm，遠小于臨界位移，故應(yīng)采用靜止土壓力，材料取值見表3。經(jīng)計算靜止土壓力取值為81.14kPa，荷載以三角形面荷載加載到墻背面。對于各部件之間接縫處的配筋，預(yù)制立壁與預(yù)制立壁之間、預(yù)制扶壁墻與預(yù)制立壁之間的連接鋼筋，考慮到制作誤差與安裝誤差，接縫處鋼筋間預(yù)留5mm，各構(gòu)件配筋見表4。

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

表4 各構(gòu)件配筋Tab.4 Reinforcement of each component

2 有限元模型與參數(shù)

2.1 模型及單元類型

該擋土墻結(jié)構(gòu)對稱，取兩個擋土墻單體為對稱面，通過ABAQUS 建模，使用右手直角坐標系，X軸正方向為水平向右。

該新型裝配扶壁式擋土墻有二次澆筑面、接縫以及鍵槽連接，采用“接觸”模塊，混凝土采用C30 級別，C3D8R單元，塑性損傷模型，鋼筋采用HRB400 級別，桁架T3D2 單元，雙折線模型。

2.2 參數(shù)設(shè)置

假設(shè)鋼筋與混凝土之間無相對滑移，將其看做一個整體，通過“內(nèi)置”功能將鋼筋嵌入到混凝土中，便于后期數(shù)據(jù)處理。預(yù)制踵板和現(xiàn)澆踵板之間的二次澆筑面，出廠前經(jīng)過拉毛處理，根據(jù)沈陽建筑大學(xué)實驗結(jié)果［10］，新老混凝土拉毛粗糙界面抗剪強度極限值為3.0MPa，光面未拉毛結(jié)合面抗剪強度為1.8MPa，大于規(guī)范0.4MPa要求，并且不是研究重點，認為此接觸面連接可靠，使用“綁定”功能。預(yù)制扶壁墻鍵槽連接未經(jīng)過拉毛處理，是最薄弱部位，預(yù)制扶壁墻部分受拉力、部分受壓力，受力復(fù)雜，最易發(fā)生破壞，該界面采用“接觸”功能。鍵槽新老混凝土界面采用建立2mm 厚度的薄層單元進行模擬，薄層單元如圖3a所示，通過折減系數(shù)K的取值對該薄層材料的力學(xué)參數(shù)進行折減，范亮［11］經(jīng)過試算發(fā)現(xiàn)當粗糙面薄層材料性能折減系數(shù)是0.466時，實驗結(jié)果與模擬結(jié)果相接近。而光面非粗糙面折減系數(shù)根據(jù)極限抗剪強度比，取粗糙面的0.6 倍。將預(yù)制踵板的底部所有節(jié)點全部自由度固定，左側(cè)非扶壁側(cè)擋土，右側(cè)支撐，施加三角形荷載模擬靜止土壓力，如圖3b所示。

圖3 薄層單元與荷載簡圖Fig.3 Thin layer element and load diagram

2.3 單元網(wǎng)格的布置

網(wǎng)格的劃分對于計算精度及計算速度有著重要的影響，新型裝配扶壁式鋼筋混凝土擋土墻網(wǎng)格按以下劃分：鋼筋全部以50mm劃分，該擋土墻存在接觸和綁定的相互作用，需要考慮到接觸面主從面的問題，主面應(yīng)為剛度大、網(wǎng)格粗的構(gòu)件，接觸面不能有尖角，因此混凝土對于不同構(gòu)件有不同劃分規(guī)則；預(yù)制立壁沿厚度分5 層，其他方向以140mm長度劃分；預(yù)制踵板沿厚度分3層，其他方向以140mm 長度劃分；現(xiàn)澆踵板沿厚度為4 層，鍵槽的劃分更加精細，鍵槽可劃分為3mm×3mm×1mm，減少運算時間，保證結(jié)果精確［12，13］，其他方向以150mm 長度劃分。各構(gòu)件網(wǎng)格劃分見圖4。

圖4 各構(gòu)件網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division of each component

3 受力特性研究

3.1 不同鍵槽尺寸

在靜止土壓力三角形水平荷載條件下，通過對帶鍵槽的新型裝配扶壁式擋土墻進行受力模擬，比較不同鍵槽深度、寬度與間距下的模型受力特性，包括整個結(jié)構(gòu)的最大位移及受力狀態(tài)、損傷程度，以確定最優(yōu)鍵槽布置。模擬結(jié)果見表5。

表5 鍵槽深度30mm ～80mm模擬結(jié)果Tab.5 Keyway depth 30mm ～80mm simulation results

根據(jù)模擬結(jié)果：擋土墻最大位移在預(yù)制立壁頂部，結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在扶壁墻根部鍵槽處。由表5 可知相同鍵槽深度、不同鍵槽寬度與間距情況下，鍵槽寬度與間距越大其擋土墻頂部最大位移與受拉損傷因子越大，鍵槽剪應(yīng)力也越大，鍵槽破壞程度越重，擋土效果越差。相同鍵槽寬度與間距、不同鍵槽深度情況下，鍵槽越深擋土墻的頂部最大位移越小，因其鍵槽寬度及間距與鍵槽深度有關(guān)，所以隨著深度的不斷增加，鍵槽間距不斷增大，鍵槽數(shù)量不斷減少，導(dǎo)致?lián)跬列Ч⒉伙@著。

由圖5 可知，在鍵槽深度為50mm，鍵槽寬度及間距為150mm ～200mm 下，取50mm ×180mm×180mm時擋土墻頂部位移與鍵槽混凝土受拉損傷因子最??；在鍵槽寬度與間距為180mm，鍵槽深度為30mm ～60mm 下，取50mm ×180mm×180mm時，得出相同結(jié)果。

圖5 不同鍵槽尺寸的最大位移與受拉損傷因子Fig.5 Simulation results for different keyway sizes

通過以上模擬結(jié)果分析可得，鍵槽的較優(yōu)布置為：鍵槽深度50mm，鍵槽寬度及鍵槽間距均為180mm。

3.2 不同擋土墻高度、扶壁墻厚度

為研究擋土墻高度以及帶鍵槽預(yù)制扶壁墻的厚度對鍵槽最優(yōu)尺寸布置的影響，建立擋土墻高度分別為6m、7m、8m 以及帶鍵槽扶壁墻厚度分別為200mm、250mm、300mm 時，不同鍵槽尺寸的模型。模擬計算各種單一變量組合下的受力特性，得到整個結(jié)構(gòu)的最大位移、受力狀態(tài)及扶壁墻鍵槽混凝土受拉損傷因子等。當采用正常靜止土壓力時，擋土墻頂部最大位移、鍵槽損傷相差不大，難以比較各鍵槽尺寸的優(yōu)劣，因此所加荷載為1.5 倍靜止土壓力，其余條件不變。

通過圖6、圖7 的模擬結(jié)果可知，在不同擋土墻高度、扶壁墻厚度條件下，鍵槽尺寸為50mm × 180mm ×180mm（深度×寬度×間距）時，整個結(jié)構(gòu)頂點最大位移最小，扶壁墻根部鍵槽混凝土受拉損傷因子最小。擋土墻的高度以及扶壁墻的厚度對鍵槽的尺寸、布置無影響。

圖6 不同擋土墻高度下最大位移與受拉損傷因子Fig.6 Simulation results under different retaining wall heights

圖7 不同扶壁墻厚度下最大位移與受拉損傷因子Fig.7 Simulation results under different thicknesses of buttress walls

綜上所述，最優(yōu)鍵槽尺寸為50mm ×180mm ×180mm。

4 整體應(yīng)力變形分析

4.1 正常土壓力下?lián)跬翂κ芰μ匦?/h3>

在靜止土壓力作用下，采用最優(yōu)鍵槽尺寸的擋土墻僅在預(yù)制扶壁墻底端的鍵槽處出現(xiàn)輕微的應(yīng)力集中和損傷，但整體受力性能良好，結(jié)構(gòu)完整性滿足工程設(shè)計要求。

以鍵槽最優(yōu)布置，即鍵槽深度為50mm，鍵槽寬度與間距均為180mm，對該結(jié)構(gòu)進行受力特性分析。如圖8a ～圖8e所示，該擋土墻的拉應(yīng)力在扶壁墻底部鍵槽位置最大，扶壁墻的最大剪應(yīng)力為1.058MPa，小于未拉毛處理混凝土結(jié)合面的抗剪強度1.8MPa，擋土墻混凝土最大拉應(yīng)力為扶壁墻邊緣鍵槽處2.028MPa，稍超過C30 混凝土抗拉強度，但只是某個鍵槽邊緣應(yīng)力集中，產(chǎn)生微小裂縫，而其鍵槽的混凝土受拉損傷因子只有0.3，所有鋼筋中最大應(yīng)力為18.63MPa，均未達到鋼筋屈服強度設(shè)計值360MPa［14-16］。圖8f、圖8g 分別為整體擋土墻變形圖、擋土墻頂部沿x水平方向的位移圖，由于扶壁墻的存在，該位移由墻底向墻頂依次增大，位移最大處為預(yù)制立壁與預(yù)制立壁頂部連接部位，為0.2141mm。因為扶壁墻的限制作用，預(yù)制立壁變形為波浪狀，變形較小，滿足安全性要求。

圖8 模擬結(jié)果云圖Fig.8 Simulation results cloud image

4.2 增大土壓力下現(xiàn)澆與裝配擋土墻受力特性對比

為驗證裝配擋土墻鍵槽部分新老混凝土結(jié)合部位的可靠性，不斷增大荷載，與現(xiàn)澆擋土墻模型作為對比。模擬結(jié)果如圖9，受力分為三階段：初期未裂段，只有混凝土承擔外力，界面未發(fā)生開裂，鋼筋基本未受力；共同受力段，當荷載達到350kPa，界面部分混凝土達到極限抗拉強度，退出工作，扶壁墻鋼筋開始受力，扶壁墻鋼筋應(yīng)力不斷增大；界面破壞段，當現(xiàn)澆與裝配擋土墻所加荷載分別達到660.23kPa、634.90kPa，鍵槽剪應(yīng)力分別達到峰值3.8MPa、4.04MPa 時，鋼筋應(yīng)力達到最大值，對于扶壁墻與現(xiàn)澆踵板結(jié)合面，扶壁墻鍵槽混凝土受拉損傷因子達到88%，即產(chǎn)生嚴重的塑性變形，扶壁墻根部產(chǎn)生受拉破壞，認為此時界面已失效，達到極限狀態(tài)；達到極限狀態(tài)后，鋼筋應(yīng)力與鍵槽剪應(yīng)力開始下降，之后鋼筋應(yīng)力出現(xiàn)上升段。

圖9 現(xiàn)澆與裝配擋土墻模擬結(jié)果Fig.9 Simulation results of cast-in-place and assembled retaining walls

可見現(xiàn)澆與裝配擋土墻受力特性相似，極限承載力相差不大，鍵槽結(jié)合部位連接可靠。

5 結(jié)論

1.在相同鍵槽深度下，鍵槽寬度與間距越大，鍵槽的抗剪能力越低，擋土墻頂部位移越大，變形越大；在相同鍵槽寬度與間距下，鍵槽深度在一定范圍內(nèi)越大，鍵槽的抗剪能力越強，擋土墻頂部位移越小，變形越小。

2.通過對比不同鍵槽深度、鍵槽寬度與鍵槽間距下的最大位移、應(yīng)力與變形，最終得出最優(yōu)鍵槽深度為50mm，鍵槽間距與鍵槽寬度均為180mm。

3.擋土墻高度與預(yù)制扶壁墻厚度對鍵槽尺寸、布置無影響。

4.最優(yōu)鍵槽布置下，擋土墻只有某個鍵槽邊緣應(yīng)力集中，產(chǎn)生微小裂縫，其他部分剪應(yīng)力、拉應(yīng)力均小于混凝土強度值，該擋土墻可以帶裂縫工作，安全可靠，滿足使用要求。

5.通過對比現(xiàn)澆擋土墻與裝配扶壁式擋土墻的極限承載力，得出兩者極限承載力相差不大，鍵槽新老混凝土結(jié)合部位連接可靠。