全预制装配式悬臂挡土墙在项目中的应用研究

2020-12-24上海公路桥梁集团有限公司上海200433

建筑科技 2020年3期

沈伟[上海公路桥梁（集团）有限公司，上海 200433]

预制拼装技术由于具有施工快速、质量可靠和环保、耐久性等方面的优点，得到了行业越来越多的青睐，它的应用已经成为当今国内外土木工程领域技术发展的趋势。悬臂式挡土墙作为公路、铁路、水利、市政等工程领域常见的构筑物，这些领域预制拼装技术的研究及应用已展开，但多为将悬臂式挡土墙现浇改为分段预制或部分预制，装配化程度较低，设计方法也是采用传统现浇挡土墙的计算理论，对装配式挡土墙关键问题仍缺乏研究。为配合上海市某公路改建项目实现绿色公路建设示范工程的目标，本标段以悬臂式挡土墙为代表开展预制装配式技术的研究和应用。

1 研究概况

上海市某公路改建工程 2 期作为上海市第一批实施绿色公路建设典型示范工程，设计道路等级为二级公路，设计荷载为公路 Ⅰ 级荷载。工程主要将原有道路双向 4 车道改建为双向 6 车道，并增加相应的非机动车道和人行道，拓宽后红线宽度为 40.0 m。该工程路基边坡中约有 70% 为悬臂式挡土墙形式，挡墙高度 2.0～4.6 m。

考虑该工程作业空间狭小，为提高工程质量、加快建设速度、减少环境干扰、最大限度减少对交通的影响以及提升工程的社会效益、经济效益，本工程悬臂式挡土墙拟全部采用全预制装配形式。本文通过对项目施工过程中挡土墙预制结构形式、构件连接、预制及安装等关键技术进行探索和总结，并对加载试验的过程观察及数据分析以验证预制形式的可行性，为后续工程的建设提供了合理化建议。

2 连接方式比选

如何将悬臂式挡土墙拆分成形式简单、便于生产预制及现场安装的结构以及挡土墙单元和构件连接可靠是研究的核心，如何选择合理、经济的连接方式并精准实施到预制挡土墙施工中是研究的难点。

结合常规连接形式，查阅的相关资料及参考工程经验，以标准长度悬臂式挡墙为基础进行构件拆分，得到底板和立板两部分。预制装配式悬臂挡土墙的连接形式具体考虑以下几种形式：① 承插式：底板、立板采用预制构件，底板设置槽口，立板根部设置榫头，底板与立板通过承插（承插式连接）形成机械互锁；② 锚栓连接：底板、立板采用预制构件，在底板上预留若干个锚栓，立板根部预留与锚栓数量、间距相同的锚栓孔，通过锚栓连接将立板和底板锁定在一起形成挡土墙；③ 灌浆套筒：分别在底板预制时预留钢筋头，立板预制时预埋钢套筒，在现场吊装使钢筋插入钢套筒，通过向套筒和钢筋的间隙灌注专用高强度水泥基灌浆料，灌浆料凝固后形成一定强度实现构件的连接；④ 波纹管连接：分别在立板预制时预留钢筋头，底板预制时预埋金属波纹管，在现场吊装使钢筋插入钢套筒，通过向波纹管和钢筋的间隙灌注专用高强度水泥基灌浆料，灌浆料凝固后形成一定强度实现构件的连接；⑤ 后浇带法：底板和立板在预制中在连接部位设置预留钢筋，在现场利用二次搭模，将各构件浇筑连接；⑥ 钢板焊接连接：底板和立板在连接部位设置预埋钢板，在现场采用加劲板焊接，形成整体。

通过对以上 6 种连接方式在连接可靠性、整体性、耐久性、施工周期、造价等方面的综合对比（表 1），发现承插式具有一定优势，故本项目推荐采用承插式，同时锚栓连接作为备选方式。

表1 装配式挡土墙连接方案汇总表

3 理论分析及试验构件确定

3.1 计算分析

针对拟选用的承插式连接方案，通过有限元模型进行受力性能强度验算分析。

(1) 工况说明。本工程的荷载是根据公路 Ⅰ 级荷载，按一般地质情况进行估算的，具体实施时需根据实际情况进行计算。拟对承插预制挡土墙模型进行有限元分析，单元模型高 2～5 m（按 0.5 m 递增，共 7 种），底板、立板均厚 40 cm，倒角 40 cm×40 cm，榫口 150 cm×40 cm。见图 1。

图1 承插式挡土墙示意及模型图

(2) 有限元模型说明。材料采用 C 40 混凝土，考虑一定的配筋后材料的刚度增强；模型本构采用弹性模型，建立模型时添加钢筋只能改善局部受力，对最终结果影响不大，故本模型中未添加钢筋；底板最下层节点固结，底板与立板采用一般面接触，两者之间的静态摩擦系数偏安全地取 0。

(3) 分析。各尺寸挡土墙受力结果见表 2。

表2 各尺寸挡土墙受力结果汇总表

根据以上分析结果，得出以下结论：① 承插部分拉应力小于立板内侧根部拉应力，故保证承插部分与立板结构一致时，承插部分结构安全可以得到保障；② 各尺寸挡土墙的压应力均满足要求（＜fck=26.8 MPa），但 ≥3 m 挡土墙立板内侧根部拉应力均超标（＞ftk=2.39 MPa），本结果是由线弹性材料模型计算得到的，实际中混凝土拉应力超过抗拉强度时，材料开裂，裂纹处的拉应力主要由竖向钢筋承担；③ 在不计构件制作时产生的尺寸偏差时，顶端水平位移值较小。

根据初步的有限元分析结果，承插式挡土墙的高度不宜＞3 m；据浙江 31 省道北延绍兴至萧山段工程实例：挡土墙单元长度 2 m，每个挡墙单元分别由预制底板与立板组成，墙高 H=4m ，该工程中底板和立板用栓接连接。故挡土墙当高度＞3 m 时采用栓接的连接形式，并在试验中进行验证及优化。

3.2 试验构件尺寸确定

根据以上计算分析，并考虑运输、吊装要求，由于承插式挡土墙标准单个节段长度为 5.0 m，栓接式挡土墙单个节段长度为 2.5 m，最终选取在相同形式下设计内力最大、规格最大的方案进行试验，见图 2。同时基于对经济性与承插结构对称性的考虑，承插式取半结构试验即长度为 2.5 m。

图2 两类装配式挡土墙设计图

4 加载试验

4.1 试验目的、方法

(1) 试验目的：① 通过足尺试验发现预制、安装过程中存在问题，对后续设计、施工过程提出合理化建议；② 验证挡土墙在设计工况中的适用性和安全性；③ 探究挡土墙的破坏发展历程及极限承载力；④ 验证设计计算的可靠性。

(2) 试验方法：① 试验模型采取实体 1∶1 比例；② 采用自平衡加载系统模拟设计与施工工况下挡土墙受力状态进行分级加载，并收集荷载加载值、试件水平位移与竖向位移、混凝土应变和钢筋应变，并观测试验过程中裂缝发展情况，两组试验对象加载高度分别为 1.2 m（承插式构件）、1.9 m（栓接式构件）。

4.2 试验过程

(1) 构件制作与安装。装配式挡墙的预制构件生产过程与常规现浇钢筋混凝土结构工艺基本相同，包括钢筋加工、模板制作与安装、混凝土浇筑、养生等，但各工序的质量把控需更为严格，具体如下：① 为保证钢筋安装的准确性与快速性，需设计专门钢筋胎架，钢筋连接需采用点焊；② 为节约场地和提高模板周转率，墙身采用立式预制，底板采用水平预制；③ 模板需采用具有刚度、强度俱佳的材质，本次试验采用钢模，为保证浇筑的构件尺寸偏差较小及外观平滑，需注意加工模板的钢板厚度不能太薄，对于长大的平板部分需设置相应肋条；④ 承插孔、螺栓位置的定位控制需设计专门的定位装置，要求精准而且便于拆卸；⑤为确保拼缝砂浆密实，面板和底板连接采用座浆法施工。

(2) 加载装置安装与加载。通过对挡土墙结构底板进行延伸设计形成延长底板与反力架固定形成自平衡加载系统（图 3），并通过设置在千斤顶加载端部的压力传感器控制施加在墙身的相应荷载，具体加载流程见图 4。

图3 加载装置

图4 试验加载流程图

4.3 试验结果简述

(1) 承插式挡土墙。基于构件裂缝开展以及最终破坏形态，将试验构件按荷载的响应分为以下阶段：① 弹性阶段：水平推力为 0～150.00 KN 左右时，挡土墙结构位移、钢筋应变和混凝土应变随荷载线性变化，构件未出现明显裂缝；② 带裂缝工作阶段：水平推力为 150.00～180.00 KN，槽口左右两侧出现明显裂缝，裂缝发展迅速，在已出现的第一道裂缝后方约 20 cm 处出现第二道裂缝，且第一道裂缝逐渐发展并与第二道裂缝汇合；③ 破坏阶段：水平推力超过 180.00 KN，逐渐加载至 185.00 KN，此后挡土墙结构位移较为明显，水平推力难以持荷，加载水平力由 185.00 KN 卸载至 180.00 KN，裂缝宽度最大值为 4 mm，顶部水平位移近 5 cm，墙身与底板榫头明显脱开，底板弯曲破坏，底板开裂严重，底板钢筋屈服，荷载无法继续增加，构件破坏。

按照人行道侧挡墙设计荷载组合对应加载高度 1.2 m 的加载力为 89.87 KN。综上所述，承插式满足人行道侧挡土墙拼装需求。

(2) 栓接式挡土墙。基于构件裂缝开展以及最终破坏形态，将试验构件随荷载的响应分为以下阶段：① 弹性阶段：水平推力为 0～155.40 KN，挡土墙处于弹性变形阶段，挡土墙结构位移、钢筋应变和混凝土应变随荷载线性变化，构件未出现明显裂缝；② 带裂缝工作阶段：水平推力为 155.40～276.33 KN，墙身变截面端部出现第一道表面弯曲裂缝，结构带裂缝工作，刚度无较大变化；③ 破坏阶段：水平推力为 276.33～460.00 KN。至 317.00 KN 时在墙身之上约 30 cm 处出现第二道弯曲裂缝，同时在底板螺栓连接处顶面出现弯曲裂缝；当荷载至 355.50 KN 时底板填土外侧底面出现贯穿裂缝，此后无新裂缝出现。原有裂缝随着荷载增加逐渐发展，此后挡土墙墙身水平位移、底板竖向位移均较为明显，特别是底板出现裂缝之后变化较为明显，底板钢筋应力也随荷载的增加而迅速增大，最终加载至极限荷载时，挡土墙位移持续增加而水平推力难以持荷，底板主要裂缝相互贯通，钢筋达到屈服，结构达到承载能力极限。

按照人行道侧挡墙设计荷载组合对应加载高度 1.9 m 的加载力为 242.94 KN。综上所述，栓接式满足人行道侧挡土墙拼装需求。