裝配懸臂式擋土墻節點承載特性試驗研究

劉 澤,何 礬,黃天棋,陳 麗

(1.湖南科技大學 土木工程學院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學 巖土工程穩定控制與健康監測湖南省重點實驗室,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中的常見構筑物。傳統的擋土墻多為圬工重力式結構，采用漿砌或現澆人工濕法作業，不僅材料消耗量大，機械化程度低，而且作業環境惡劣，工人勞動強度高，使得施工質量難以得到保證，工后病害時有發生，且隨著環境保護要求的不斷提高，許多地區石料開采受限，勞動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代“高效低耗、節能環保”工程建設的需要。

預制化、裝配化是工程建設的重要發展方向，國內外許多學者也開展了擋土墻的裝配化研究，先后設計了多種結構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]，有力地促進了工程質量和現場施工效率的提高，并降低工人勞動強度。由于懸臂式、扶壁式擋土墻具有作用機理清晰、對地基承載力要求低、結構簡單、易于折分構件化、材料強度可控等優點，上述裝配式擋土墻大多是以這兩種結構為基礎的。將懸臂式、扶壁式擋土墻預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標準長度的擋土墻單元，再將擋土墻單元拆分為立板、底板、肋板等構件進行預制，然后將預制養護好的構件運輸到現場進行拼裝。通常立板、底板、肋板均為板狀構件，結構簡單，便于預制。因此，擋土墻裝配化的核心是如何將這些構件組裝成整體，即預制構件間如何連接。現有的連接方式主要有：(1)整體預制。采用模具將整個擋土墻單元整體預制，構件間無需設置節點。(2)預留鋼筋二次澆注。孫寶昌[1]提出在立板預制時，將立板內抗彎受拉鋼筋預留出足夠的長度，采用二次澆注方式將這部分鋼筋澆注到后趾板中。(3)預留鋼板焊接。這種方式是在預制構件指定位置預留連接鋼板，安裝時通過電焊將相鄰構件上的預留鋼板焊接在一起，再對連接部位進行二次澆注。文獻[3]即將立板和肋板一起預制并在底部預留鋼板，底板現澆，再通過鋼筋、三角鋼板等將板肋預留鋼板與底板上鋼板焊接在一起。(4)疊合板法。章宏生[7]提出先用預制雙面疊合混凝土板拼成擋土墻框模，然后在疊合板間設置連接鋼筋、澆注內芯混凝土，待其凝固后形成擋土墻。顯然方式1的擋土墻整體性好，不存在構件節點連接問題，但模板復雜，預制施工難度大，而且墻高較大時，預制構件重量大，對預制、吊裝設備的要求高。方式(2)～(4)不僅需要二次澆注，而且在裝配時需要設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鍵技術進行分析；一些學者還對懸臂式擋土墻沿高度方向上裝配的可行性進行了研究[10-15];段鐵錚[16]、張國棟[17]分別對裝配式擋土墻標準化系列化的可行性與條件以及設計應考慮荷載進行了探討，但沒有對構件的合理連接方式開展研究。可見，目前對擋土墻構件的連接問題還有待進一步深入研究。

為了探索更為合理的構件連接方式，本研究設計了鋼筋焊接、螺栓角鋼連接、錨栓連接3種裝配方式以及整體預制結構的懸臂式擋土墻，通過室內進行預制、裝配，檢驗了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種結構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計提供了參考。

1 裝配式擋土墻設計

為收縮坡角、減少土地占用、提高施工質量，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行支擋。結合現場條件和《公路路基設計規范》(JTG D30—2015)的基本要求，確定了路基支擋方案和相關參數，見圖1和表1。擋土墻設計先進行荷載計算和穩定性校核，再以《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)為依據進行配筋計算，然后考慮如何實現裝配化。裝配化的基本思路為：先沿路線長度方向將擋土墻劃分為長度為2.5 m擋土墻單元，再將擋土墻單元拆分為底板、立板構件進行預制養護，然后將預制好的底板、立板構件運輸至工點進行裝配成形。

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計(單位：cm)Fig.2 Design of connection modes of prefabricated retaining wall(unit:cm)

表1 設計條件與基本參數

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

(1)預留鋼筋焊接式。在立板底部、底板上方設計有預留三角形連接鋼筋，考慮底板、立板上預留鋼筋的相互位置關系。構件預制、養護成型后，通過電焊將分別來自立板、底板的相鄰預留鋼筋焊接在一起，然后對連接處進行二次澆注形成節點(圖2(a))。

(2)螺栓角鋼連接式。在立板、底板預制時預埋螺栓和螺栓孔(鋼套筒)，并制作連接用帶肋角鋼。立板和底板構件預制、養護成型后，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。將立板底部擴大為楔體形，并在其中布置斜向鋼筋，設置鋼套筒形成錨栓孔；在底板上預埋地腳錨栓。構件預制、養護成型后，利用起重設備吊起立板，使底板上的預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種裝配方式的優劣性，試驗還設計了整體澆注式(圖2(d))，即立板和底板為一整體結構，兩者間為剛性連接。

2 模型制作與裝配檢驗

在室內用鋼模按1∶5的比例將4種連接方式的擋土墻進行預制并養護。模型制作時，混凝土采用C10細石混凝土，鋼筋直徑按比例縮小后以就近原則選擇標準規格的鍍鋅低碳鋼絲(5#，8#，14#)，鋼絲的幾何與力學參數見表2。模型擋土墻的相似常數見表3。圖3為模型制作過程的情形。

表2 鋼絲的幾何與力學參數

表3 模型擋土墻的相似常數

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件制作與裝配，但預留鋼筋焊接式擋土墻裝配時要先對鋼筋位置進行調整才能焊接，耗時較長，且易出現虛焊；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

3.1 加載方案

側向土壓力是擋土墻的主要荷載。在這一荷載下，立板內有彎矩和剪力兩種內力，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(節點)達到最大值，即節點處為危險截面。為了測試節點受力后的破壞規律，試驗采用簡化方式加載：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。試驗時通過荷載傳感器、百分表測量模型擋土墻受到的推力、擋土墻側向變形，并時刻關注擋土墻各個部位是否出現裂縫。圖5為試驗加載時的情形。

圖4 加載方案Fig.4 Loading scheme

圖5 加載試驗Fig.5 Loading test

3.2 試驗結果與分析

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澆整體式，其應用非常成熟，為了便于對比，首先分析整體澆注式擋土墻的試驗結果。

圖6為整體澆注式擋土墻在不同推力P作用下側向變形沿墻高的變化曲線(圖中的相對高度為測點距立板底部距離hi與立板高度h的比值)。可見，擋土墻的側向變形隨荷載的增加而增大，各級荷載下側向變形沿墻高基本上都呈線性分布，最大變形發生在頂墻，變形主要發生在立板支托以上部分，以立板與支托(立板厚度尺寸發生變化的位置)相交處為鉸點，呈整體旋轉式變形。圖7為整體澆注式擋土墻最大變形隨荷載增加的發展曲線。分析可知，擋土墻變形可分為3個階段：當荷載P≤1.02 kN (節點處的彎矩Mo≤0.612 kN·m)時，側向變形隨荷載線性增大；當荷載增大到P=1.51 kN時，側向變形出現一個較大的增量，使曲線變彎，但在擋土墻上沒有發現裂縫，隨著荷載繼續增加，擋土墻側向變形也基本上為線性增大；當荷載增大到P=4.01 kN (Mo=2.406 kN·m)時，在立板內側(受拉側)與支托相連接處出現一條橫向裂縫(圖8)；繼續增大荷載P，裂縫沿立板橫截面方向擴展，立板側向變形迅速增大，且節點三角區受拉側鋼筋保護層出現剝離式破壞，這主要是由節點處斜向鋼筋的沖剪作用所引起的。

圖6 各級荷載作用下擋土墻的變形曲線Fig.6 Deformation curves of retaining wall under different loads

圖7 擋土墻最大位移與荷載的關系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種結構裝配式擋土墻在水平推力作用下的側向變形發展曲線。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向變形規律基本相同，擋土墻立板側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位置不同，鋼筋焊接式擋土墻同整體澆注式一樣，立板側向變形也是以支托頂部為鉸點，而螺栓角鋼連接式和錨栓連接式擋土墻的變形起始點在立板底部，即立板相對底板有一定量的整體轉動變形，這主要是由連接節點間存在一定的初始間隙所造成的。考慮到這種間隙除了會影響擋土墻受荷后的變形，還可能引起局部應力集中，并提供了水進入節點區的通道，對連接件的耐久性造成影響，如果這種結構要用于工程實際，就必須消除節點間隙。

圖9 三種裝配式擋土墻的側向變形發展曲線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的裂縫位置圖。在水平推力引起的彎矩作用下，預留鋼筋焊接式擋土墻的立板受拉側在距底板0.4 m處出現一條橫向裂縫(圖10(a))，裂縫出現這一位置的原因主要在于三角形預留鋼筋的設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在立板下端，并由連接螺栓與受拉側相交點開始，斜向上發展(圖10(b))，出現一個梯形破壞體，表明立板底部產生拉伸破壞。錨栓連接式擋土墻的破壞首先在立板下部受拉側、截面突變處出現一條橫向裂縫，隨荷載的增加裂縫加寬并向受壓側和楔形體下部延伸，并且在立板與底板前趾相交區出現壓縮破壞。可見，裝配式擋土墻設計時要針對具體連接方式進行有針對性的強度驗算。

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向變形與荷載的關系曲線。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，結構剛度最大。焊接裝配式擋土墻的立板和底板單獨預制后，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，同時對連接鋼筋進行保護，最終節點也為剛性連接，表現出與整體澆注式擋土墻相同的結構特性，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留螺栓(孔)，底板、立板預制養護成型后通過連接角鋼、螺母、墊片等將兩者拼接而成，節點內部不可避免地存在初始間隙使裝配式節點的剛度減小，使得相同荷載下擋土墻的側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。

根據各模型擋土墻的實測可承受最大推力，由式(1)可計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，見表3；Pmax為模型擋土墻實測極限推力；a為試驗推力作用點距底板頂面的距離。

定義擋土墻節點的安全系數為節點能承受最大彎矩Mmax與設計土壓力引起的節點處最大彎矩MEa之比，見式(2)。

(2)

式中，Ea為每個標準長度單元原型擋土墻的設計土壓力合力；ht為原型擋土墻的立板高度。其他符號意義同上。

每個標準長度單元(長2.5 m)原型擋土墻設計的水平土壓力合力為279.13 kN。根據模型設計的相似比條件，計算4種擋土墻可承受的極限荷載與安全系數，計算結果見表4。可見，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。

表4 模型擋土墻的極限荷載

4 結論

為了探索裝配懸臂式擋土墻的合理連接方式，設計了整體澆注式、預留鋼筋焊接式、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，在室內模型制作檢驗不同裝配方式施工便利性的基礎上，通過荷載試驗測試了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制，但在裝配時錨栓連接式擋土墻安裝最為簡便。

(2)預留鋼筋焊接式擋土墻的節點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點內部存在初始間隙，相同荷載下擋土墻的變形較預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種結構均具有足夠的安全系數。

(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生在節點處，預留鋼筋焊接式擋土墻的破壞發生在立板中下部。

(4)實際工程中，懸臂、扶壁式擋土墻的裝配化是大型構件的裝配，構件的重量大，吊裝要求高，構件連接方法的選擇不僅要考慮結構的安全，還要充分考慮施工的難易程度以及經濟性。在綜合比較4種連接方法優缺點的基礎上，實體試驗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，以提高結構的整體性。