卸荷板擋墻的設計實踐

胡榮華，齊明柱，余海忠，梁月英

(中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，廣東 深圳 518034)

隨著卸荷板擋墻在世界范圍內的應用，一些學者也開始研究卸荷板擋墻的受力機理與卸荷效果。前蘇聯 Р·В·Лубенов 教授(1962)進行了卸荷板模型土壓力試驗，但是沒有能給出明確的結果。德國的Prommersberger(1985)進行了卸荷板試驗，試驗結果表明卸荷板可有效減小荷載20%～30%。日本的福岡正己教授(1985)［1］用模型試驗研究凹形墻后卸荷板的卸荷效應，研究表明卸荷板可有效減小荷載并節省圬工。天津大學郭鴻儀等(1993)［2］對卸荷板的卸荷效應做了模型試驗，試驗結果表明懸臂式卸荷板卸荷有效，卸荷效率隨卸荷板長度增長，但有一定限度。

國內自1958年在碼頭成功應用卸荷板擋土墻后的幾十年間，發展了不同形式的卸荷板擋土墻(如圖1)，主要用于道(鐵)路路基、濱海河岸、小型邊(滑)坡的整治［3-5］。

前人較為注重卸荷板受力機理及卸荷效應的研究，但其設計計算方面的文獻很少。本文依托深圳市羅湖區“二線”插花地大望村二線公路東側邊坡擋墻加固工程，分析了原擋墻存在的問題，提出了用卸荷板擋土墻對原擋墻結構進行加固的方案，并對卸荷板擋墻進行了設計計算;同時根據地質條件與原有擋墻存在的問題，對卸荷板擋墻的施工給出了具體施工技術要求。卸荷板擋墻的設計計算方法及施工技術要求對類似的工程設計有借鑒意義。

1 工程概況

1.1 場地現狀

圖1 不同形式卸荷板支擋結構示意

場地原始地貌為山前坡地，后來由于城市建設發展的需要，進行階梯狀開挖，形成多級邊坡和寬大平臺，作為生產和建設用地，其平臺寬度遠大于邊坡高度［6］。

邊坡原設計采用磚砌擋墻支擋，擋墻近直立(如圖2)。經現場踏勘及分析，發現原擋墻存在如下幾個問題:

1)墻身滲水嚴重，雖然設置的泄水孔部分發揮了排水功能，有大股的清水自孔內流出，但墻面仍明顯地表現出長期受地下水浸泡的跡象，如墻身中下部呈灰綠色并長有青苔。

2)擋墻下部有外鼓的跡象，墻身表面的抹灰亦開裂呈網紋狀。

3)墻趾處嚴重積水，墻頂已經出現了明顯的外傾，隨時有向外倒塌的可能。

4)墻身單薄，最大墻厚僅0.5 m，墻厚與墻高嚴重不成比例，擋墻承載能力嚴重不足。

由上可知，需對原擋墻進行加固。

1.2 地層條件

擋墻范圍內分布的地層主要有第四系人工填土(Qml)、燕山期花崗巖()。由新到老分述如下:

圖2 原有擋墻結構(單位:mm)

雜填土:干，稍密，由含砂黏土及建筑垃圾回填而成，局部表層為水泥地面。

全風化花崗巖:長石手捏成粉砂狀，巖芯呈堅硬土柱狀，手捏易散，遇水易軟化，局部夾強風化塊。

強風化花崗巖:長石手捏成礫砂狀，裂隙發育，巖芯呈半巖半土狀夾塊狀，手可折斷，遇水易軟化。

中風化花崗巖:巖質較軟，巖芯呈短柱狀夾塊狀，敲擊聲稍脆。

典型斷面上擋墻計算高度范圍內各土層厚度及其物理力學參數如表1所示。

表1 土層厚度及其物理力學參數

2 加固方案及結構設計

2.1 加固方案

根據現場地質條件及原有擋墻存在的問題，提出用卸荷板擋墻來加固原有擋墻。加固形式如圖3所示［6］。

2.2 結構設計

2.2.1 墻后土體參數計算的選取

擬采用庫倫土壓力計算作用在墻身上的土壓力。由于墻后土體的多樣性，給計算帶來了很大的困難，為簡便計算，將墻后土體的黏聚力和內摩擦角轉化為綜合內摩擦角，其轉化公式為［7］

圖3 卸荷板擋墻加固形式(單位:mm)

式中:φd為土層的綜合內摩擦角(°);φ為土層的內摩擦角(°);c為土層的黏聚力(kPa);h為坡體高度(m);θ為破裂角，且 θ=45°+φ/2。

根據填土層厚度，按加權平均的原則，將墻面計算高度范圍內的各土層的綜合內摩擦角進行平均。

綜上所述，墻后土體計算參數及地基承載力驗算參數如表2所示。

表2 墻后土體計算參數及地基承載力驗算參數

2.2.2 土壓力計算

1)計算方法

本文工程實例中的擋墻加固后所形成的支擋結構相當于短卸荷板擋墻。根據鐵路路基支擋結構設計規范(TBJ 10025—2001)［7］，按下述方法計算作用在墻身上的土壓力。

①作用在墻背上的主動土壓力按庫倫理論計算，其中上墻按第二破裂面法計算，兩破裂面交點在短卸荷板懸臂端;下墻按力多邊形法計算，土壓力強度按矩形分布，作用點為下墻墻高的1/2處。

②計算作用于短卸荷板上的豎向壓力時，可先計算第二破裂面上的豎向分力，短卸荷板承受其長度相應部分投影的應力，再計算第三破裂面以及土體的自重，兩者疊加即為短卸荷板的豎向壓力，在板上均勻分布。

計算簡圖如圖4所示。

2)計算過程

圖4 卸荷板擋墻計算圖式(單位:m)

①上墻土壓力計算

上墻側壓力計算

作用在卸荷板上的土重

簡化到短卸荷板上的平均分布荷載的大小為

②下墻土壓力計算

下墻按力多邊形法計算作用在下墻背上的土壓力

墻背內摩擦角 δ2=20°

則有

即 tanθ=0.827 1(0≤θ≤90°)，所以 θ=39.59°

下墻破裂棱體的重量W2

W2=227.1 kN/m所以有

2.2.3 穩定性及地基承載力計算

1)抗滑穩定性計算

混凝土墻身自重

剩余舊墻墻身自重

作用在卸荷板上的土重及土壓力的合力

所以有

因此，加固后的擋墻抗滑滿足要求。

2)抗傾覆穩定性計算

所以有

因此，抗傾覆滿足要求。

3)地基承載力計算

所以有

因此，地基承載力符合要求。

2.2.4 卸荷板及上墻結構設計

1)卸荷板設計

按懸臂板計算，取1 m寬度計算(即取單位寬度進行計算)，如圖5。

圖5 (卸荷板)懸臂板計算圖式

取板厚40 cm，C25混凝土，采用二級鋼，保護層厚5 cm，對稱配筋，fc=11.9，fy=300，則有

則取10根 φ12，實際 As=1 131 mm2>1 083 mm2。

2)上墻結構設計

作用在墻背上的土壓力按第一破裂面計算，并與按第二破裂面的計算結果作比較，取兩者中的大者。

按第一破裂面的計算

取 φ =35°，按墻背直立，H=2.60 m，δ=0。

則有

按第一破裂面的結果計算作用在墻背土的土壓力根據規范［7］規定，在墻身截面強度驗算中，土墻墻背的水平土壓力可按實際墻背按庫倫理論的計算值乘以系數1.4，因此作用在墻背上的水平力

上墻彎矩最大值為

采用 C25混凝土，二級鋼，fc=11.9，fy=300，保護層5 cm，彎矩最大處板厚h=0.777 4 m，經計算，按構造配筋即可滿足要求。

3 施工技術要求

根據地質條件與原有擋墻的情況，對卸荷板擋墻的施工給出了如下具體要求。

1)先按設計拆除上部擋墻并挖除墻后土方后，才能開挖擋墻基礎。

2)擋墻基礎要分段開挖、分段施工，待上一段基礎回填后才能開挖下一段的基礎。

3)錨入舊墻內的鋼筋，可采用手持式鑿巖機成孔，成孔直徑40 mm，孔內注入1∶1水泥砂漿，然后插入鋼筋即可。

4)舊墻表面的抹灰層要鑿除。

5)擋墻基礎開挖后要抓緊回填，嚴禁長期暴露，或受水浸泡。

6)泄水孔或仰斜疏干孔穿越舊墻時，采用鉆孔成孔，嚴禁沖擊成孔。

4 監測結果

卸荷板擋墻建成至今近5年時間，監測總的側向位移<2 cm，擋墻相當穩定。說明本文應用的設計方法正確，施工技術要求可行，對類似工程設計有借鑒意義。

5 結論

本文依托實際工程對卸荷板擋土墻進行了設計，得出如下幾點主要結論:

1)為簡便計算，應將墻后土體的黏聚力和內摩擦角轉化為綜合內摩擦角。

2)根據現場地質條件以及原有擋墻存在的問題，提出了用卸荷板加固原有擋墻的方案，并對卸荷板擋墻結構進行了設計計算，計算參數合理，計算步驟完整，計算結果可靠。

3)根據現場地質條件及卸荷板擋墻自身的特點，提出了卸荷板擋墻的施工技術要求。

4)根據擋墻位移監測結果，擋墻相當穩定，說明本文應用的設計方法正確，施工技術要求可行，對類似工程設計施工有借鑒意義。

［1］福罔正己.プレギヤスト.プレストレスト.コンクリート曲面擁壁構造［J］.土と基礎，1985，33(4):11-14.

［2］郭鴻儀，呂寶柱.卸荷板卸荷效應的模型驗證［J］.巖土工程學報，1993，15(1):81-85.

［3］鐵道部科學研究院西北研究所主編.滑坡文集—1973年“全國鐵路滑坡防治經驗交流及科研協作會議”交流資料［Z］.蘭州:鐵道科學研究院西北研究所，1973.

［4］李海光.新型支擋結構設計與工程實例［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［5］王恭先，徐峻嶺，劉光代，等.滑坡學與滑坡防治技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［6］齊明柱.深圳市羅湖區“二線”大望村二線公路東側邊坡擋墻加固工程設計［Z］.深圳:中國鐵道科學研究院深圳分院，2005.

［7］中華人民共和國鐵道部.TBJ 10025-2001鐵路路基支擋結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2001.