白麗輝 朱 聰 黃天元 楊昕源 涂杰文

（浙江交工集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州 310006）

0 引言

擋土墻是常見(jiàn)的邊坡支擋構(gòu)筑物。擋土墻預(yù)制化程度、可綠化性以及排水能力，對(duì)擋土墻的施工效率以及環(huán)境友好性有至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)樁板式擋墻預(yù)制程度較低，多為現(xiàn)澆，并且因其封閉式的板結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其排水性能較差，其排水孔易出現(xiàn)“流鼻涕”的現(xiàn)象，大大降低了擋墻的觀賞性，由于擋土板的構(gòu)造特點(diǎn)，其可綠化性必然較弱；另外由于立柱截面中心部分受力較小，其實(shí)心結(jié)構(gòu)必然導(dǎo)致不必要的耗材；最后由于預(yù)制結(jié)構(gòu)尺寸較大，其運(yùn)輸難度、吊裝難度較大，故需對(duì)擋墻的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割。總之其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)需改進(jìn)。

關(guān)于裝配式擋墻型式選取的研究，國(guó)內(nèi)開(kāi)展較少。蔣梅東[1]將懸臂式擋墻拆分為立板和底板，提出焊接裝配、螺栓角鋼裝配、錨栓裝配三種裝配形式，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算得出螺栓、預(yù)留鋼筋之節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用FLAC3D討論了上下級(jí)墻間距、上級(jí)墻埋深以及墻背填土強(qiáng)度對(duì)擋土墻穩(wěn)定性之影響。劉 澤等[2]在文獻(xiàn)[1]的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和有限元模擬，確定使用錨栓作為連接措施。顯然，文獻(xiàn)[1-2]并未就擋墻的可綠化功能展開(kāi)研究，其所研究的擋墻可綠化性較差，且預(yù)制結(jié)構(gòu)尺寸較大，并未體現(xiàn)高度預(yù)制化，無(wú)法輕易做到隨裝隨拆。韓曉云[3]利用理論計(jì)算與數(shù)值模擬軟件FLAC3D探討了不同路堤填料、墻踵長(zhǎng)度、墻趾長(zhǎng)度以及凸榫位置時(shí)路堤邊坡變形特征以及墻體位移，得出適用于二級(jí)公路路堤邊坡加固的合理參數(shù)，其涉及肋板安裝、擋土板鏤空與安裝，雖然極大提高了預(yù)制程度，但是同時(shí)增加了預(yù)制難度以及現(xiàn)場(chǎng)的安裝難度。屈俊童[4]通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)澆帶傾斜擱板樁板墻受力問(wèn)題展開(kāi)探討，得到了傾斜擱板板間受力規(guī)律，以及傾斜擱板板后土壓計(jì)算方法。雖然文獻(xiàn)[4]介紹了傾斜擱板體系擋墻的制造、施工工藝，但該類(lèi)擋墻樁體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆且體積過(guò)于臃腫。

針對(duì)裝配式擋墻的上述缺點(diǎn)，本文對(duì)G60滬昆高速公路某工程的試驗(yàn)段擋墻進(jìn)行設(shè)計(jì)方案變更，將裝配式樁板擋墻進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，即將立柱改造成中空結(jié)構(gòu)，并將傳統(tǒng)擋土板進(jìn)行改進(jìn)，形成一種類(lèi)似“百葉窗”結(jié)構(gòu)的傾斜擱板，利用耳塊對(duì)傾斜擱板支撐，上柱與下柱、下柱與底板采用螺栓連接的裝配式可綠化擋墻，進(jìn)一步提高預(yù)制程度的同時(shí)降低了造價(jià)。利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，通過(guò)比較不同工況下立柱的承載力情況，確定其適用的工況，并通過(guò)模擬確定車(chē)輛荷載對(duì)其的影響。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1所示，裝配式可綠化擋墻由底板、立柱、耳塊和斜插板組成。立柱空心設(shè)計(jì)以節(jié)省混凝土用量。除底板外，所有構(gòu)件均工廠化預(yù)制，耳塊預(yù)制后在工廠通過(guò)自動(dòng)化裝配安裝于立柱上以節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)用工量，加快施工進(jìn)度。

圖1 錨栓柱板型裝配式格柵擋墻

擋墻裝配時(shí)，底板現(xiàn)澆，并預(yù)留連接鋼筋通過(guò)錨栓與已加裝耳塊的柱子連接（連接處增加底板厚度）。

柱子有兩種基本單元，一般立柱（可選高度為1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m；擋墻高度不高于2.5 m時(shí)獨(dú)立使用），底座立柱（2.5 m，擋墻高于2.5 m時(shí)，配合一般立柱予以接高處理）以實(shí)現(xiàn)不同高度擋墻的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

柱子之間以預(yù)制斜插板聯(lián)系，斜插板通過(guò)固定在柱子上的預(yù)制耳塊與柱子發(fā)生聯(lián)系，柱子與現(xiàn)澆底板、柱子與預(yù)制耳塊、耳塊與預(yù)制斜插板均使用錨栓方式相連接。

2 擋墻破壞模式探究

2.1 儀器的確定與布設(shè)

為了研究裝配式可綠化擋墻的破壞模式，并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性，對(duì)其進(jìn)行足尺試驗(yàn)研究。由于立柱合力點(diǎn)在下柱，且足尺試驗(yàn)柱體尺寸較大，為保證試驗(yàn)的安全開(kāi)展，對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。

對(duì)裝配式可綠化擋墻的加載系統(tǒng)進(jìn)行研究，針對(duì)千斤頂?shù)膰嵨贿x取問(wèn)題，本文采用相關(guān)規(guī)范[5]中“考慮均布荷載的路堤式擋墻主動(dòng)土壓計(jì)算方法”進(jìn)行計(jì)算，并將其等效為在合力點(diǎn)處的集中荷載，將結(jié)果乘以安全系數(shù)10得到所需千斤頂噸位為500 t。千斤頂施加荷載由軸力計(jì)控制，采用逐級(jí)加載，每級(jí)加載量為7.5 kN。

加載系統(tǒng)如圖2所示，加載系統(tǒng)由立柱、混凝土墩、鋼管腳手架、千斤頂、鋼板、軸力計(jì)、背部片石擋墻組成，各部件采用鋼管腳手架支撐。

圖2 加載系統(tǒng)

其中有限元模型如圖3所示，采用XFEM算法對(duì)其裂縫開(kāi)展情況、破壞模式進(jìn)行模擬，試驗(yàn)砼立柱本構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 材料本構(gòu)

圖3 有限元簡(jiǎn)化模型

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果對(duì)比

圖4（a）為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片，由于試驗(yàn)擋墻尺寸過(guò)大，故對(duì)其裂縫發(fā)展情況進(jìn)行收集與繪制，得到圖4（b）。由試驗(yàn)過(guò)程可知，首先產(chǎn)生裂縫2，隨后延伸至柱側(cè)，形成裂縫1，繼續(xù)加載至202.5 kN，裂縫達(dá)到0.22 mm，達(dá)到正常使用極限狀態(tài)，當(dāng)加載至300 kN時(shí)，突然產(chǎn)生裂縫3，裂縫寬度為2.2 mm，并迅速蔓延至裂縫4（335 kN），達(dá)到極限承載狀態(tài)。對(duì)立柱柱底取矩，可得到當(dāng)彎矩達(dá)到337.50 kN·m時(shí)，達(dá)到正常使用極限狀態(tài)，當(dāng)彎矩達(dá)到558.33 kN·m時(shí)，達(dá)到極限承載狀態(tài)。

圖4（c）為有限元模擬結(jié)果，其裂縫的開(kāi)展規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖4 試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬對(duì)比

3 擋墻結(jié)構(gòu)特性數(shù)值分析

3.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

由于土壓隨高度的增加而非線性增加，故重點(diǎn)對(duì)此類(lèi)擋墻最高的組合（5 m組合）進(jìn)行探討。

圖5為裝配式可綠化擋墻的三維有限元模型，幾何尺寸為按實(shí)際工程1∶1建模（即立柱高5 m，上部放坡1.5 m）；約束條件為三邊單軸約束（Roller）。

圖5 擋墻網(wǎng)格劃分

模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，柱體、土體、螺栓、傾斜擱板均采用C3D8r單元；傾斜擱板與立柱、墻體與土體之間的耦合采?。悍ㄏ蚪佑|類(lèi)型采用硬接觸（Hard contact），切向接觸類(lèi)型采用“罰”；立柱內(nèi)部鋼筋籠、傾斜擱板內(nèi)部鋼筋網(wǎng)選取Truss，采用T3D2劃分網(wǎng)格，以Embedded region功能嵌入立柱和插板中。

文獻(xiàn)[6-10]對(duì)ABAQUS 中混凝土彌散開(kāi)裂模型和塑性損傷模型進(jìn)行比較，得到彌散開(kāi)裂模型適用于單調(diào)荷載結(jié)構(gòu)，而損傷模型適用于往復(fù)荷載結(jié)構(gòu)的結(jié)論，故擋墻在實(shí)際使用過(guò)程的模擬，對(duì)無(wú)車(chē)輛動(dòng)載作用狀態(tài)以混凝土彌散開(kāi)裂本構(gòu)進(jìn)行模擬，而在動(dòng)荷載模擬中，采用塑性損傷本構(gòu)模型。土體視為服從Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則的理想彈塑性體，基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 輸入?yún)?shù)

3.2 填土高度對(duì)擋墻影響

為研究填方高度對(duì)該類(lèi)擋墻整體結(jié)構(gòu)承載性能的影響，對(duì)其進(jìn)行了不同填方高度模擬。由于不確定傳統(tǒng)的等效內(nèi)摩擦角法能否用于此類(lèi)傾斜擱板，故考慮了土體的黏聚力，對(duì)于傾斜擱板，取板間應(yīng)力進(jìn)行承載力特性分析。

為使得結(jié)果更容易收斂，便于他人復(fù)現(xiàn)，取黏聚力15 kPa、內(nèi)摩擦角25°時(shí)的路堤墻與路肩墻方案展開(kāi)對(duì)比，具體工況方案如下：

工況1 用于路肩墻，填土高度為0，即與擋墻頂端齊平。

工況2 用于路堤墻，墻后填土高度為1.5 m，車(chē)輛荷載換算土厚，由相關(guān)文獻(xiàn)[5]給出，其由擋墻高度決定，如式1所示，可得5 m高擋墻車(chē)輛荷載等效土厚為0.75 m。

式中：h0為等效土層厚度，m；γ為填土重度，kN/m3；q為車(chē)輛附加荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2。

由圖6（a）可知，工況1下，立柱位移呈封閉的脹肚形曲線，而工況2下，立柱位移隨高度增加近似呈直線增加，這是由于在路肩墻情況下?lián)鯄敹宋词芡翂汉奢d，而在工況2下由于其上部填土導(dǎo)致立柱頂端受力較大，頂端產(chǎn)生水平位移；兩者位移值在約0.5 m處差值逐漸增加，在頂端兩者差值最大；而在0.5倍柱高處，由于其為上下柱分別預(yù)制，兩柱通過(guò)螺栓連接，故上下柱會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移等現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為在此處其水平位移值趨勢(shì)明顯變化，從下至上位移突然增加。

圖6 擋墻各結(jié)構(gòu)水平位移及位移差

由圖6（b）可知，傾斜擱板在土壓荷載下呈多段“U”形曲線，但兩者趨勢(shì)有差異，具體表現(xiàn)為工況1下傾斜擱板最大位移趨勢(shì)呈閉口脹肚形曲線趨勢(shì)，而工況2下為開(kāi)口的脹肚形曲線，這是由于在工況1下，無(wú)上部填土，故無(wú)土對(duì)最上部?jī)A斜擱板產(chǎn)生水平推力，直接導(dǎo)致最上部?jī)A斜擱板頂端位移為0，而在工況2情況下，由于有上部填土，導(dǎo)致上部填土土壓直接施加在最上部?jī)A斜擱板上，直接導(dǎo)致最上部?jī)A斜擱板產(chǎn)生水平位移，其值與從上至下第8塊傾斜擱板位移量相當(dāng)。

3.3 經(jīng)典工況下?lián)鯄Τ休d特性

對(duì)該類(lèi)擋墻常見(jiàn)工況進(jìn)行適用性研究，取宕渣、灰土、基土工況，模擬其在正常使用情況下，擋墻在各類(lèi)回填土的使用狀況以及受力特點(diǎn)。

工況1：填土為宕渣，文獻(xiàn)[11-12]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合ABAQUS模擬，分析其回彈模量和內(nèi)摩擦角，得到一些有益的結(jié)論，據(jù)此推知宕渣黏聚力約為30 kPa，內(nèi)摩擦角約為15°～20°。

工況2：填土為灰土，文獻(xiàn)[13]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到一些有益結(jié)論，同時(shí)可推知灰土的黏聚力約為5～20 kPa，內(nèi)摩擦角約為10°～20°。

工況3：填土為基土，其黏聚力為20 kPa，內(nèi)摩擦角為32°。

各工況示意圖見(jiàn)圖7所示，依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求，取1.5 m放坡與0.75 m等效土高。

圖7 工況示意圖

由圖8（a）可知，立柱水平位移隨著柱高的增加呈線性增加，在相對(duì)柱高0.5位置時(shí)，由于上下柱采用螺栓連接，兩者之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，造成曲線在此位置發(fā)生突變；回填宕渣與回填基土?xí)r，立柱的水平位移較小，兩者位移曲線較為接近，而回填為灰土?xí)r，立柱水平位移較大，這是由于灰土的黏聚力和內(nèi)摩擦角較小，導(dǎo)致主動(dòng)土壓較大。

由圖8（b）可知，傾斜擱板的水平位移趨勢(shì)為多段U形曲線；宕渣與基土對(duì)于傾斜擱板的影響相近，而回填土為灰土?xí)r，傾斜擱板位移較大，若以板間撓度1/100為判定失穩(wěn)條件，灰土回填時(shí)亦尚未失穩(wěn)，且其安全系數(shù)為1.25，較為安全，這是因?yàn)樘罘蕉螕鯄A斜擱板下部增加加勁肋結(jié)構(gòu)，呈類(lèi)似“L”形，增加了傾斜擱板的抗力。

圖8 擋墻各結(jié)構(gòu)水平位移

3.4 車(chē)輛荷載下?lián)鯄Τ休d特性

由于“等效土厚”僅僅只能對(duì)擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化的強(qiáng)度驗(yàn)算，不能針對(duì)車(chē)載距離的遠(yuǎn)近對(duì)擋墻的影響進(jìn)行分析，故建立車(chē)輛荷載模型對(duì)擋墻的承載力特性進(jìn)行分析。

如圖9所示，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[14]，車(chē)載壓實(shí)試驗(yàn)所需車(chē)輛重55 t，前2輪荷載30 kN/個(gè)，中間4個(gè)車(chē)輪荷載120 kN/個(gè)，后4輪荷載140 kN/個(gè)，每個(gè)車(chē)輪與地面接觸面為矩形，前輪矩形0.3 m× 0.2 m，中、后輪荷載簡(jiǎn)化成0.6 m×0.2 m。車(chē)全長(zhǎng)15 m，軸距由前向后依次為3 m、1.4 m、7 m、1.4 m。

圖9 車(chē)輛平面尺寸

由于工程為45°放坡，故車(chē)載距離取1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m，探討各車(chē)距作用下對(duì)擋墻結(jié)構(gòu)的影響情況。由于本文重點(diǎn)探討擋土墻的受力特性問(wèn)題，故將車(chē)輛模型簡(jiǎn)化為荷載，具體操作為在Load選項(xiàng)將車(chē)輛輪胎對(duì)土體的荷載簡(jiǎn)化為Pressure。

為確定車(chē)載距離對(duì)擋墻影響，先后對(duì)立柱，傾斜擱板進(jìn)行不同車(chē)載距離下的受力分析與對(duì)比。

圖10為不同車(chē)輛荷載位置對(duì)立柱的位移曲線圖。圖10（a）和圖10（b）為在不同車(chē)載距離下各柱頂?shù)奈灰魄闆r，直觀可知當(dāng)車(chē)載距離為1.5～2.5 m時(shí)，各工況柱頂水平位移相近；當(dāng)車(chē)載距離在2.5 ～3 m范圍時(shí)，擋墻位移驟減，3 m車(chē)距位移量較2.5 m車(chē)距減小了17.5%。

圖10（c）為各車(chē)載距離工況下的立柱整體位移曲線，直觀可知柱間由于采用螺栓方式連接，故其在受荷載時(shí)上下兩柱發(fā)生相對(duì)位移，下柱各工況下的位移相近，上柱在車(chē)載距離2.5 ～3 m范圍時(shí)，兩者曲線分離較大，可推斷出車(chē)載對(duì)此類(lèi)擋墻的影響在2.5 m以內(nèi)較大，當(dāng)車(chē)載距離超過(guò)3 m后，車(chē)載對(duì)擋墻的影響較小。

圖10 不同距離車(chē)載作用下立柱受力情況

由于構(gòu)件的特殊性，故針對(duì)柱間位移展開(kāi)探討，圖10（d）為各車(chē)載距離工況下的柱間位移情況，直觀可知在1.5～2.5 m范圍內(nèi)，柱間位移較大，當(dāng)車(chē)載距離為3 m時(shí)，較2.5 m的柱間位移減小了11.6%，可推斷上下柱間位移對(duì)立柱的最大位移量有較大影響，故在實(shí)際工程中，需對(duì)柱間采取加固措施，例如采用水泥砂漿相接、錨固膠貼合等手段。

僅僅對(duì)立柱進(jìn)行分析并不能獲得足夠的依據(jù)，還需對(duì)傾斜擱板進(jìn)行分析與討論。圖11為不同車(chē)輛荷載位置對(duì)傾斜擱板的位移曲線圖。

其中圖11（a）和圖11（b）為不同車(chē)載距離工況下各傾斜擱板水平位移情況，直觀可知當(dāng)車(chē)載距離在2.5～3 m時(shí)曲線分離，最大位移出現(xiàn)位置發(fā)生改變，即車(chē)輛荷載距離在1.5～2.5 m范圍內(nèi)，從上至下第三塊傾斜擱板發(fā)生的位移量最大，但當(dāng)車(chē)輛荷載距離超過(guò)2.5 m后，傾斜擱板位移量最大板為從上至下第四塊，同時(shí)最大位移發(fā)生驟減，原因可能是破裂面處于2.5 m處，在2.5 m以外土體受車(chē)輛荷載后對(duì)擋墻影響較小。

圖11 不同距離車(chē)載作用下傾斜擱板受力情況

由圖11（c）可知，傾斜擱板最大位移減少率在2.5～3 m內(nèi)發(fā)生激增，最大值為8.32%，即可判斷車(chē)輛荷載在2.5 m后對(duì)擋墻的影響減小明顯。

4 結(jié)論

首先對(duì)傳統(tǒng)擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，再對(duì)擋墻進(jìn)行足尺破壞性試驗(yàn)，研究了其破壞模式，然后利用ABAQUS有限元軟件，建立了錨栓柱板型裝配式格柵擋墻的數(shù)值分析方法，對(duì)擋墻的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行模擬，得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)傳統(tǒng)柱板墻進(jìn)行改進(jìn)，將擋墻立柱拆分成上下立柱，通過(guò)螺栓連接；將定位凸臺(tái)獨(dú)立預(yù)制，通過(guò)螺栓與立柱連接；傾斜擱板與定位凸臺(tái)通過(guò)鋼筋固定；立柱再與現(xiàn)澆底板通過(guò)預(yù)埋的高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接并封錨，提高預(yù)制化程度、可綠化程度以及排水性能。

（2）對(duì)擋墻進(jìn)行足尺破壞性試驗(yàn)，得到其荷載達(dá)到202.5 kN時(shí)，對(duì)立柱柱底取矩，即當(dāng)彎矩達(dá)到337.50 kN·m時(shí)，達(dá)到正常使用極限狀態(tài)，當(dāng)荷載達(dá)到335 kN，對(duì)立柱柱底取矩，即彎矩達(dá)到558.33 kN·m時(shí)，達(dá)到極限承載狀態(tài)，并對(duì)其裂縫開(kāi)展情況與三維數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)裂縫開(kāi)展情況與數(shù)值模擬結(jié)果吻合。

（3）該類(lèi)擋墻在用于路肩墻與路堤墻工況下具有差異性，表現(xiàn)為用于路堤墻時(shí)擱板位移呈開(kāi)口的脹肚形多段“U”形曲線，而用于路肩墻時(shí)擱板位移呈閉口的脹肚形多段“U”形曲線；隨著車(chē)輛荷載距離的增加，擋墻結(jié)構(gòu)受力減小速率先增大后減小。