裝配式可綠化擋墻設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

寧英杰，王新泉，王正軍，朱 聰，，涂杰文

(1.浙江交工集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310051；2. 浙大城市學(xué)院，浙江 杭州 310015；3.浙江交工宏途交通建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310051)

0 引言

國(guó)內(nèi)對(duì)于裝配式擋土墻的研究，多采用懸臂/扶壁式擋墻[1-4]，裝配式懸臂/扶壁式擋墻由擋土板、底板構(gòu)成，各結(jié)構(gòu)由高強(qiáng)螺栓相連并封錨。而采用重力式[5]、砌塊[6]、柱板式[7]形式的擋墻偶有報(bào)道，但相對(duì)較少。

針對(duì)裝配式擋墻形式的研究，劉澤團(tuán)隊(duì)[1-4]提出了一種預(yù)留錨栓聯(lián)接的裝配式擋土墻，其底板上預(yù)留錨栓，在立板底部預(yù)留錨栓孔，通過(guò)錨釘連接,并通過(guò)縮尺試驗(yàn)，對(duì)一種懸臂式配式擋墻的連接形式展開(kāi)探討，確定了螺栓連接為裝配式擋墻的最佳選擇。李昊煜等[5]將重力式擋墻拆分為受力部分和配重部分，并利用廢料填充配重部分的薄壁空腔。張信貴等[6]基于試驗(yàn)對(duì)一種裝配式擋墻榫卯結(jié)構(gòu)砌塊進(jìn)行了榫卯?dāng)?shù)量研究，并提出針對(duì)該類(lèi)擋墻的砌塊抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式。周航等[7]將傳統(tǒng)樁板墻擋土板更改為拱結(jié)構(gòu)，討論了矩形截面的長(zhǎng)寬比、樁體嵌入深度、土體摩擦角等影響樁拱擋墻極限荷載因素。正交法對(duì)于擋土墻的應(yīng)用，張向東等[8]針對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索路基擋土墻，以擋墻面板位移量和路基沉降量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法優(yōu)化錨固參數(shù)的組合方案。

而文獻(xiàn)[1-4]為懸臂式/扶壁式擋墻的改進(jìn)，其立壁排水采用“排水孔”的措施，易在排水孔周?chē)a(chǎn)生“流鼻涕”的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響擋墻美觀性，且上述擋墻可綠化功能有限，同樣的，文獻(xiàn)[5-7]的擋墻亦會(huì)在排水孔周?chē)a(chǎn)生“流鼻涕”的現(xiàn)象。當(dāng)柱板式擋墻[7]用于土質(zhì)邊坡時(shí)，需在其土壓合力點(diǎn)附近位置鉆孔以打入錨桿(索)，此舉會(huì)破壞擋墻的整體性；同時(shí)傳統(tǒng)5 m以上裝配式擋墻在運(yùn)輸、吊裝過(guò)程中具有諸多不便利性，且綠化功能有限，同時(shí)其需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大規(guī)模澆筑，影響施工效率。對(duì)于斜插板擋墻[9-12]而言，由于其應(yīng)用局限于現(xiàn)澆工藝，故其現(xiàn)場(chǎng)施工效率較為低下。而兼顧預(yù)制化程度、可綠化能力、排水能力、現(xiàn)場(chǎng)施工效率的可綠化擋墻的研究，我國(guó)研究較少。

總而言之，目前有關(guān)裝配式可綠化擋墻方面的研究較為缺乏，主要局限于模塊體積過(guò)大、適用性不足、綠化效果不顯著等缺點(diǎn)。本研究利用ABAQUS軟件對(duì)裝配式可綠化擋墻進(jìn)行三維模擬，基于柱板式擋墻，采用正交試驗(yàn)法對(duì)該種結(jié)構(gòu)柱高、倒角大小、立柱間距進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)影響立柱核心截面拉應(yīng)力的3因素進(jìn)行敏感性排序；針對(duì)優(yōu)化分析后得到組合進(jìn)行承載力特性研究，最后針對(duì)其結(jié)構(gòu)特殊性，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況及模型建立

1.1 工程概況

03省道某工程路基寬度26 m，公路等級(jí)為設(shè)計(jì)速度80 km/h雙向四車(chē)道的一級(jí)公路，全線長(zhǎng)約16 km。因該線需要保持通車(chē)，為了提升交通通行能力，提高行車(chē)舒適性，對(duì)此次拓寬導(dǎo)致16處邊坡及兩處小邊坡需重新進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。

圖1(a)為填方段裝配式懸臂式可綠化擋墻預(yù)制空心立柱部分結(jié)構(gòu)圖，相比于其他柱板式擋墻，空心立柱由在工廠預(yù)制的上下空心柱組合而成，在運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)由錨釘連接；墻高5 m(上柱2.5 m、下柱2.5 m)，立柱凈距2 m，柱與柱間使用預(yù)制的傾斜擱板(格柵)聯(lián)系，傾斜擱板上部放置填土以植綠。工程未開(kāi)工，故采用3D Studio Max進(jìn)行渲染得到效果圖，如圖1(b)所示。

圖1 裝配式可綠化擋墻Fig.1 Prefabricated prefabricated retaining wall

1.2 模型建立

圖2 網(wǎng)格劃分(單位:m)Fig.2 Meshing(unit:m)

1.3 參數(shù)選取

陳力等[13]利用ABAQUS對(duì)混凝土材料單、雙軸應(yīng)力狀態(tài)下力學(xué)性能和構(gòu)件抗彎、剪性能進(jìn)行模擬，得到混凝土彌散開(kāi)裂模型能較好模擬混凝土單、雙軸受力狀態(tài)下的力學(xué)性能的結(jié)論，故立柱采用混凝土彌散開(kāi)裂模型，連接螺栓以及內(nèi)部鋼筋籠因在模擬時(shí)完全達(dá)不到屈服強(qiáng)度，故不考慮三折線本構(gòu)，采用彈性模型，力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 立柱力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of column

擋土墻為路堤墻，墻后放坡1.5 m。同時(shí)根據(jù)規(guī)范[14]，車(chē)輛荷載等效為均布土厚h0，等效土厚由擋墻高度決定：

(1)

式中，h0為等效土層厚度；γ為填土重度；q為車(chē)輛附加荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

核心截面壁厚如圖3所示，柱體內(nèi)部挖空，其背土端壁厚0.2 m，其余三側(cè)均為0.15 m，為緩解應(yīng)力集中問(wèn)題，在矩形四周倒角0.05 m圓。

圖3 立柱核心截面壁厚(單位:m)Fig.3 Wall thickness of column core section(unit:m)

根據(jù)庫(kù)倫土壓力理論[15]，將立柱與墻后填土接觸設(shè)為Pressure并定義主動(dòng)土壓函數(shù)：

Pa=1/2γH2Ka·K，

(2)

(3)

式中，Pa為擋土墻立柱背主動(dòng)土壓；γ為土重度；H為立柱高度；Ka為主動(dòng)土壓系數(shù)；K為簡(jiǎn)化的土壓放大系數(shù)；B為立柱中心距；d為橫向柱核心截面寬(本研究為0.7 m)。

2 裝配式可綠化擋墻設(shè)計(jì)研究

2.1 裝配式可綠化擋墻選型研究

為探究上部柱高(因素1)、大倒角尺寸(因素2)、立柱間距(因素3)對(duì)柱體受力的影響程度，將三要素作為考察因素，每個(gè)因素選取四水平，不考慮因素間交互作用，如表2所示。

高河飛奔回屋子里，氣喘如牛。原來(lái)，二表哥還不肯忘記那件事，他打算怎么樣，威脅我？高河想到這里，不禁心驚肉跳。

表2 試驗(yàn)因素Tab.2 Test factors

本試驗(yàn)為三因素四水平試驗(yàn)，取正交設(shè)計(jì)表L16(45)，試驗(yàn)排列及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 因素、水平及結(jié)果Tab.3 Factors，levels and result

對(duì)表3各因素結(jié)果所得應(yīng)力進(jìn)行處理，結(jié)果如表4所示。Ki，j為第j列因素第i水平試驗(yàn)結(jié)果之和；Rj為各因素均值極差，反映上部柱高、倒角尺寸、立柱間距對(duì)裝配式可綠化擋墻最大拉應(yīng)力的影響。

表4 數(shù)據(jù)處理表Tab.4 Data processing table

為探究三因素變化對(duì)應(yīng)力變化的影響趨勢(shì)，對(duì)表4結(jié)果進(jìn)行整理得到曲線，如圖4所示。圖4(a)直觀可知，上部柱高對(duì)倒角處最大應(yīng)力近似呈線性關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，隨著柱高增加應(yīng)力線性增長(zhǎng)；圖4(b)可得倒角尺寸對(duì)倒角處最大應(yīng)力呈二次方關(guān)系，隨著倒角的增加應(yīng)力拋物線形減??；圖4(c)可知，隨著立柱間距的增加，倒角處最大應(yīng)力呈線性增加。

圖4 各因素對(duì)倒角處應(yīng)力影響Fig.4 Influence of various factors on stress of chamfer

對(duì)ABAQUS足尺模擬應(yīng)力結(jié)果評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)規(guī)范[16]，除第13組最大拉應(yīng)力為2.128大于C30抗拉標(biāo)準(zhǔn)值外，其余均小于規(guī)范指標(biāo)。因素主次順序?yàn)椋阂蛩?，因素3，因素2，最佳組合為上部柱高2.5 m，倒角尺寸1 m，立柱間距2 m。

2.2 方差分析

對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表5所示。直觀可知，三因素F比值均小于臨界值，不是顯著因素。

表5 方差分析表Tab.5 Analysis of variance table

3 立柱受力機(jī)理分析

基于預(yù)制便利性以及排除施工不確定性的客觀條件，最終形式為上部柱高2.5 m，倒角尺寸1.2 m，立柱間距2 m。為探究該類(lèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律，對(duì)以上其組合進(jìn)行受力分析。

3.1 立柱應(yīng)力分析

圖5為立柱隨高度的增加變化曲線，直觀可得，下柱應(yīng)力隨著高度增加應(yīng)力先減小后增大，在截面變化處發(fā)生應(yīng)力集中達(dá)到應(yīng)力最大值1.8 MPa，隨后應(yīng)力隨高度增加而線性減??；上柱應(yīng)力隨高度的增加逐漸減小；因上下柱為錨釘連接，故其交界處應(yīng)力趨勢(shì)發(fā)生變化；上部柱體應(yīng)力隨高度增加呈拋物線型減小至0。故在實(shí)際施工中，需對(duì)下部柱體倒角處作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。

圖5 應(yīng)力-柱高曲線Fig.5 Curve of stress vs. column height

3.2 立柱位移機(jī)理研究

3.2.1 立柱側(cè)移分析

圖6為立柱位移隨高度變化曲線，直觀可知，下柱倒角處近似平動(dòng)，隨著高度增加，離開(kāi)倒角高度后，位移隨高度增加而線性增長(zhǎng)；由于上下柱產(chǎn)生相對(duì)滑移，故在其交界處位移趨勢(shì)變化表現(xiàn)為無(wú)規(guī)律性；上柱位移隨著高度增加而線性增長(zhǎng)。故在實(shí)際施工中，需將交界處相對(duì)滑移以及柱頂位移作為重點(diǎn)觀測(cè)對(duì)象。

圖6 位移-柱高曲線Fig.6 Curve of displacement vs. column height

3.2.2 立柱位移模式分析

由于立柱由上下柱體組合而成，而柱體間產(chǎn)生相對(duì)滑移，故分別對(duì)上下柱展開(kāi)位移模式的判斷。對(duì)于剛性擋墻，墻體位移模式可分5類(lèi)[17-18]。不同剛性擋墻位移模式可量化為：

(4)

式中，S上、S下為擋墻頂與墻底；n為描述擋墻位移模式的判斷值：n=1，T模式；n=0時(shí)，RT模式；n→∞，RB模式；0

由圖6直觀得，下柱繞底旋轉(zhuǎn)，即n→∞，為RB模式；上部柱體繞下部柱體旋轉(zhuǎn)的同時(shí)與下柱產(chǎn)生相對(duì)滑移，即1

4 擋墻應(yīng)用技術(shù)研究

針對(duì)該類(lèi)擋墻施工工藝研究較少，故對(duì)其施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)有限元軟件得出的結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，在放坡土為松散土?xí)r倒角處受力偏大，故需對(duì)邊坡上部進(jìn)行加筋土處理；針對(duì)一次性放置斜板與一次性填土導(dǎo)致斜板和立柱受力瞬間增大而破壞，故采取吊機(jī)結(jié)合人工進(jìn)行分層填土與斜板分層放置，最后對(duì)其進(jìn)行綠化。

裝配式可綠化擋墻由現(xiàn)澆底板、預(yù)制的下部柱體、預(yù)制的上部柱體和錨釘組成。在施工時(shí)底板在現(xiàn)澆、養(yǎng)護(hù)完成后，利用吊車(chē)將下部柱體移至底板，使用錨釘連接并封錨，上部柱體亦用吊車(chē)與人工配合的方法，亦使用錨釘與下部柱體連接并封錨。其關(guān)鍵技術(shù)實(shí)施較傳統(tǒng)柱板式擋墻不同，對(duì)其關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)總結(jié)，得技術(shù)流程如圖7所示。

圖7 擋墻位移模式Fig.7 Displacement mode of retaining wall

圖8 關(guān)鍵技術(shù)流程圖Fig.8 Flowchart of key technology

(1)對(duì)于開(kāi)挖邊坡，邊坡開(kāi)挖時(shí)按照從上至下的施工順序分級(jí)進(jìn)行，對(duì)有暗水土層采取排水或堵水等措施。

(2)底板采取現(xiàn)澆，將成品底板埋入土中，通過(guò)土體擠壓與摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)擋墻的自穩(wěn)以及抵抗墻體背后土壓；底板在現(xiàn)澆時(shí)埋入錨釘留出錨固端。

(3)立柱采用起重機(jī)吊裝，人工配合安放，上部柱體與下部柱體通過(guò)錨釘錨固后進(jìn)行封錨處理。

(4)從坡腳自下而上安放預(yù)制的傾斜擱板，預(yù)制板根據(jù)定位凸臺(tái)沿45°傾角擺放，預(yù)制板傾向坡面，形成格柵槽，其作用為填土與綠化。

(5)分層安放預(yù)制板，分層填土，直至墻頂，填土完成后需在各層?xùn)挪蹆?nèi)移栽苗木并噴播草種，同時(shí)在該柱板式護(hù)坡結(jié)構(gòu)上布置滴灌設(shè)備。

5 結(jié)論

(1)上部柱高對(duì)柱體受力影響最大，倒角大小對(duì)其受力影響最小，考慮到施工不確定因素，建議上部取值為柱高小于2.5 m，倒角尺寸大于1.2 m，立柱間距小于2 m。

(2)通過(guò)正交試驗(yàn)可知，上部柱高與立柱間距對(duì)應(yīng)力的影響均呈正相關(guān)，皆在2.5 m時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大值；隨著倒角尺寸的增加，應(yīng)力呈拋物線形減小，在1.2 m達(dá)到最小值。

(3)立柱上柱柱背應(yīng)力隨高度變化呈拋物線形變化，位移與高度變化線性相關(guān)；下柱柱背處應(yīng)力在倒角部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，達(dá)到1.8 MPa，大倒角范圍內(nèi)位移極小。

(4)上下柱由錨釘連接，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移，故其交界處應(yīng)力分布規(guī)律、位移分布規(guī)律較為復(fù)雜，為避免模型不收斂，擬解決的辦法為采用動(dòng)力學(xué)方式對(duì)其模擬。

(5)將滿足立柱5 m承載極限情況下的間距2 m 作為規(guī)范間距，在此基礎(chǔ)上，可適當(dāng)將上柱減小以放坡、以及減少造價(jià)。