扶壁裝配式擋土墻優化設計研究★

徐志強，孫昌開，周海兵

(湖南建工交通建設有限公司，湖南 長沙 410029)

1 概述

單元分割[1-3]是扶壁式擋土墻實現裝配化的首要步驟，也是裝配式構件預制的基礎。對扶壁式擋土墻進行裝配式設計首先要保證裝配式擋土墻的支護效果和傳統整體式擋土墻的支護效果相當，其次要保證裝配式擋土墻的結構變形量與傳統整體式擋土墻的變形量相差不大。因此，分割單元的結構形式[4-7]對扶壁裝配式擋土墻的支護效果有著重要的影響。

對傳統扶壁式擋土墻進行面板受力分析時，考慮扶壁的作用，一般將面板看成三邊固定、一邊自由的雙向板進行荷載計算。目前對扶壁式擋土墻[8-9]進行裝配式設計時，常用的分割單元是在面板中間分割，扶壁放于分割單元中間，此時面板就變成兩垂直邊固定、兩垂直邊自由的支撐形式(如圖1所示)，在墻后土壓力的作用下，圖1中陰影區域易產生較大的撓曲變形。因此，本文對扶壁裝配式擋土墻進行了結構優化設計，并通過有限差分軟件FLAC3D對常用分割單元和優化分割單元面板的受力特征和變形規律進行了對比分析[10-13]。

2 分割單元優化設計

目前常用的裝配單元分割方法[14-21]是將面板從中間分割，這種分割方法改變了傳統扶壁式面板的受力模式，為了使裝配式結構的結構特點和整體現澆時的結構特點相似，圖2對分割單元的結構形式進行了優化，在優化結構中，適當減小扶壁厚度，在每個分割單元中設置兩個扶壁，將扶壁放置在分割單元面板兩端，以確保面板仍為三邊固定、一邊自由的雙向板。分割單元尺寸示意圖見圖3。

本文以5 m墻高為例，對常用分割單元及優化分割單元面板的受力特征和變形規律進行分析。

3 優化分割單元面板結構特性對比分析

3.1 模型建立與參數

圖4為建立的優化分割單元分析模型，分割單元的各構件尺寸見表1。計算荷載按JYG D30—2015公路路基設計規范要求取10 kPa的均布荷載。模型的邊界條件為：除裝墻面及模型頂面為自由面外，其他模型邊界均設置為加點固定面。地基、回填土及墻體的力學參數見表2，表3。

表1 分割單元各構件尺寸表 m

表2 地基及回填土的力學參數

表3 墻體的力學參數

3.2 優化分割單元面板水平位移對比分析

在模型計算時，由于面板本身具有很大的剛度，因此相同截面高度處墻背及墻面的水平位移值分布相同，因此此次只對面板墻面處的水平位移進行分析和監測。由模型計算結果可知，常用分割單元將扶壁放置于分割單元面板的中間，在扶壁軸線處有很大的水平位移產生，并且產生最大水平位移的區域以扶壁軸線為中心向面板兩邊延伸，最大水平位移區域的形狀為“工”字形，最大值約為1.55 mm。在優化分割單元中，由于扶壁放置于分割單元面板兩端，面板處產生最大水平位移的范圍明顯縮小(見圖5)。

為對常用及優化分割單元面板水平位移進行直觀的比較，模型計算時對兩種結構形式下面板的節點位移進行了監測，監測點在線路方向(y軸)以及面板高度方向(z軸)上選取。整體而言，兩種結構形式下，面板水平位移沿面板高度均呈現上大下小的分布模式，但二者又有不同之處，對優化分割單元而言，面板水平位移自面板底部向上逐漸增大，水平位移在7/9墻高處出現極值點。而對常用分割單元而言，在1/3～8/9面板高度之間，面板的水平位移值變化不大，沒有出現明顯的位移極值點。分割單元水平位移曲線見圖6。

3.3 優化分割單元面板水平應力對比分析

圖7為常用及優化分割單元面板面側水平應力云圖。由模型計算結果可知，無論是常用分割單元還是優化分割單元，面板面側拉、壓應力區所處的位置幾乎一致，壓應力區位于面板上方，最大拉應力區位于面板下方，此處為填土埋深處。就面板整體而言，結構優化后，優化分割單元面板面側的最大水平拉應力比常用分割單元面板面側的最大水平拉應力小。

為對常用及優化分割單元面板水平應力進行直觀的比較，模型計算時同樣對兩種結構形式下面板的節點應力進行了監測，監測點選取與面板位移監測點一致。兩種結構形式下，面板面側水平應力沿面板高度的分布模式一致，最大拉應力值均產生于2/9墻高處。分割單元面板面側水平應力曲線見圖8。

同圖9常用及優化分割單元面板背側水平應力云圖相比，兩種結構形式下面板背側水平應力的分布模式不同，對常用分割單元而言，面板上部壓應力區形狀不規則，由于扶壁位于面板中間，兩側壓應力區范圍比較大。對優化分割單元而言，由于扶壁放置于面板兩側，對面板兩側有橫向約束作用，面板上部壓應力區形狀比較規則，另外在優化分割單元面板北側下部有小范圍的大拉應力區，大拉應力區位于扶壁軸線位置下方。

圖10為常用及優化分割單元面板背側的水平應力曲線。同圖8面板面側水平應力曲線相比，兩種結構形式下，面板背側水平應力沿墻高方向(z軸)有幾個明顯的峰值點，其中在z=4.5 m，z=3 m處為壓應力峰值點，在z=4 m，z=1 m處為拉應力峰值點。

綜合考慮兩種結構形式墻面及墻背的水平應力，由于面板的最大拉應力平均約為最大壓應力的10倍～30倍，可見面板的破壞荷載主要為水平拉應力，由上面分析可知，不論是面板面側還是面板背側，無論是面板中部位置還是面板兩端位置，常用分割單元面板的水平拉應力均大于優化分割單元的水平拉應力，由此可見，分割單元的結構形式對面板的受力及變形影響很大。

3.4 優化結構擋土墻整體支護效果對比分析

3.4.1 模型建立

為探討優化結構擋土墻的整體支護效果，建立了優化結構擋土墻的整體支護模型。該模型同樣含有三個分割單元，每個分割單元的尺寸同圖4(b)中的尺寸一致。在模型建立時，由于優化后裝配式擋土墻沿線路方向拼接施工時，同樣需要采用C30細石混凝土對各單元的面板進行連接，兩個分割單元中扶壁采用螺栓進行連接，面板處相當于鉸接作用，扶壁處相當于剛接作用。

因為檔案的類型具有多樣性，不同結構的檔案具有不同類型的特征信息，同時信息特征提取方式也有較大差異。筆者認為按照檔案特征提取方式對檔案進行分類則可以將檔案劃分為文本類檔案和圖片類檔案兩大類，其中音頻類檔案通過語音識別技術預處理之后特征提取方式同文本類檔案，視頻類檔案通過拆幀處理之后特征提取方式同圖片類檔案。

3.4.2 整體支護效果分析

圖11為優化結構擋土墻水平位移云圖。結構優化后，裝配式擋土墻的水平位移分布模式有所變化，不僅在面板上部有大水平位移產生，面板中部、扶壁中上部同樣產生有較大的水平位移。另外，由于在采用優化結構擋土墻進行施工時，增加了扶壁間的連接作用，線路方向上(y方向)各分割單元之間的整體作用更強。結構優化后，相同條件下，優化結構擋土墻的最大水平位移約為1.3 mm。可見對裝配式擋土墻分割單元的結構形式進行優化后，相同條件下，擋土墻產生的最大水平位移明顯減小，這也說明了優化后的結構形式更加合理。

圖12為優化結構擋土墻水平應力云圖。由圖12可知，由于在優化設計中，扶壁位于面板兩端，對每個分割單元而言減小了面板的撓曲變形，同時增加了各個分割單元扶壁間的連接作用，因此在線路方向上優化結構擋土墻水平應力的分布也有一定的連貫性。

綜合考慮上面各種工況的分析結果可知，對裝配式擋土墻分割單元的結構形式進行優化后，雖然優化結構擋土墻的最大水平應力及水平位移仍比整體現澆式的應力及位移值大，但和結構優化前裝配式擋土墻相比，最大水平應力及位移值明顯減小，在對扶壁式擋土墻進行裝配式設計時，優化分割單元的結構形式更加合理。表4為優化前后裝配式擋土墻整體支護效果對比分析表。

表4 分析模型整體支護效果對比分析匯總表

4 結語

本文結合有限差分軟件FLAC3D，對常用分割單元和優化分割單元面板的受力特征與變形規律進行了對比分析，主要結論如下：

1)在同樣荷載及邊界條件下，常用分割單元面板的最大水平位移約為1.55 mm，優化分割單元面板的最大水平位移約為1.27 mm，無論是面板中部還是面板兩端，對分割單元的結構形式進行優化后，面板的水平位移均有明顯減小。

2)對優化分割單元而言，面板水平位移自面板底部向上逐漸增大，水平位移在7/9墻高處出現極值點。而對常用分割單元而言，在1/3～8/9面板高度之間，面板的水平位移值變化不大，沒有出現明顯的位移極值點。

3)兩種結構形式下，面板面側水平應力沿面板高度的分布模式一致，最大拉應力值均產生于2/9墻高處；同面板面側水平應力曲線相比，面板背側水平應力沿墻高方向(z軸)有幾個明顯的峰值點，其中在z=45 m,z=3 m處為壓應力峰值點，在z=4 m,z=1 m處為拉應力峰值點。

4)在優化分割單元中，面板的最大水平位移及最大水平拉應力均小于常用分割單元面板的位移及應力值，可見，分割單元的結構形式對面板的受力及變形影響很大。

5)對裝配式擋土墻分割單元的結構形式進行優化后，雖然優化結構擋土墻的最大水平應力及水平位移仍比整體現澆式的應力及位移值大，但和結構優化前裝配式擋土墻相比，最大水平應力及位移值明顯減小，可見，在對扶壁式擋土墻進行裝配式設計時，優化分割單元的結構形式更加合理。