黄天元 王新泉 吴强强 曹铁锤 张泽宇 朱 聪，*

（1.浙江交工集团股份有限公司，杭州 310052；2.浙大城市学院土木工程系，杭州 310015；3.浙江交工宏途交通建设有限公司，杭州 310052）

0 引 言

近年来，国家大力推行建筑工业化，装配式建筑方兴未艾，随着传统悬臂式挡土墙设计理论的成熟［1］基于该型挡墙发展的装配式挡土墙在现今的工程建设中的应用也越来越广泛［2］。针对装配式挡墙的创新，黄字星等［3］对现有预制构件连接方式进行总结，介绍了国内外预制混凝土连接节点的研究现状。蒋梅东［4］为探究装配式挡土墙的结构特性，介绍了多种节点装配方式，并通过数值模拟，提出一种装配式挡土墙。刘泽等［5］对装配悬臂式挡土墙节点进行预制装配试验，对比了四种连接方式，明确锚栓连接式挡土墙的可靠性与易安装性。刘曙光等［6］使用静力加载试验，对三种新型挡墙的有效连接方式进行探究，验证叠合型挡土墙的适用性与可行性。纪文利等［7］介绍了装配式钢筋混凝土挡土墙的设计方法与施工要求，明确改型挡墙的应用前景。综合文献［3-7］所提出的装配式挡土墙构型，其预制构件的尺寸都不尽理想，预制化程度有待提升；同时现有装配式挡墙支护体系在生态功能方面欠考虑。

随着国家生态文明建设的推进，生态建设日益被重视，各类生态挡墙逐步兴起。针对生态挡墙的创新，朱益军等［8］通过生态工法研究，提出了预制砌块型挡墙结构。王国体等［9］针对生态建设对建筑材料与结构的要求，提出基于挡墙和砌块的生态功能概念的相关指标和参考范围，为挡墙构造设计提供参考。文献［8-9］所介绍生态挡墙以砌体结构为主，其应用的范围存在一定局限。杨少华等［10］简要介绍了吉奥阶梯式生态挡墙，以及其在高速公路工程中的应用。邓学斌等［11］针对柔性生态挡墙的实际应用，使用数值模拟对山区高速公路中柔性生态挡墙进行分析，验证柔性生态挡墙的可靠性。袁以美等［12］以传统重力式挡墙为基础，对墙面进行优化设置生态槽，提出了生态槽设计数据。文献［10-12］所介绍生态挡墙的应用均非装配式生态挡墙，装配式生态挡墙的应用存在一定空白。

本文介绍的锚栓柱板型装配式可绿化挡墙，由底板、立柱、耳块和斜插板组成，各模块可进行标准化生产，相比现浇及预制悬臂式挡墙具有预制性高、生态性好、施工简便、经济性佳等优势。其在浙江某高速实际工程中的应用，将填补该类型生态挡墙的空白，为日后该类型生态挡墙发展奠定基础。

本工程互通A匝道原设置悬臂（扶臂式）挡墙共235.6 m，其中左侧127.8 m、右侧107.8 m。该处原有挡墙较矮，挡墙外侧紧靠省道，考虑该处的绿化景观需要，在墙高小于5 m段选用锚栓柱板型装配式可绿化挡墙替换原有挡墙，以提升美观程度并降低造价。

1 挡墙承载力特性研究

1.1 计算参数

锚栓柱板型装配式可绿化挡墙立柱分上下立柱两部分，挡墙上下柱各高2.5 m，通过4根φ40HRB400带螺纹钢筋相连接；下柱与现浇底板之间由6根φ40HRB400钢筋相连接。挡墙立柱两侧增设定位耳块以放置倾斜搁板，以倾斜搁板进行联系，底部使用现浇底板以固定，立柱净距2 m，倾斜搁板上部放置填土以植绿。构件构造尺寸如图1所示。

图1 挡墙结构图（单位：cm）Fig.1 Structural drawing of retaining wall（Unit：cm）

锚杆、钢筋采用弹性本构，材料假定各向同性；挡墙以混凝土弥散开裂本构进行模拟，混凝土标号为C30。

土体视为服从Mohr-Coulomb破坏准则的理想弹塑性体，黏聚力c=5 kPa，内摩擦角φ=30°，具体参数如表1所示。

表1 输入参数Table 1 Input parameters

1.2 结构计算

挡墙荷载采取考虑均布荷载的路堤式挡墙主动土压计算方法，如图2以及式（1）—式（7）所示。

图2 考虑均布荷载的路堤式挡墙主动土压计算Fig.2 Calculation of active earth pressure of embankment retaining wall considering uniform load

破裂角θ计算公式中的项，ψ＜90°时，取正号ψ＞ 90°时，取负号。

式中：h0为作用于破坏棱体顶面附加荷载的换算土层厚度（m）；a为挡土墙顶面填土高度（m）；b为墙顶后缘至路基边缘的水平投影长度（m）。

挡墙下柱主筋采用φ25HRB400，间距10.8 cm；箍筋采用φ12HRB400，间距20 cm。采用Midas Civil 2019，建立挡墙上柱与下柱组合计算模型，将结构简化为悬臂梁结构，约束条件为一端刚接，即约束段X、Y方向位移与转角为0，模型共计51个节点、50个单元。计算模型如图3所示。

图3 柱体计算模型Fig.3 Calculation model of cylinder

图4（a）为下柱正截面抗弯计算结果，所有截面内力均满足规范要求，其中最不利截面弯矩内力值1 556.3 kN·m，抗力值1 671.8 kN·m，富裕度为7.4%。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018），第5.2.6—5.2.11条的规定，需进行使用阶段斜截面抗剪验算，挡墙下柱斜截面抗剪计算结果如图4（b）所示，可得所有截面内力均满足规范要求，其中最不利截面剪力内力值741.4 kN，抗力值755.6 kN，富裕度为1.9%。

进行RC构件使用阶段裂缝宽度验算，验算下柱的最大裂缝宽度，其结果如图4（c）所示，可得最大裂缝宽度为0.18 mm＜0.20 mm，满足规范要求。

图4 计算结果Fig.4 Calculation results

为确保结构安全、可靠，根据《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61—2005）第4.0.13条的规定，混凝土构件直接受剪时，对构件趾部进行验算应按下列公式计算：

对于立柱下柱，A=315 000 mm2，Vd=907.0 kN，Nk=561.6kN。验算结果表明下柱趾部截面抗剪承载力富裕度为3.5%，满足规范要求。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第5.7.1条的规定，混凝土构件局部受压区截面尺寸应满足下列要求：

当采用的锚栓垫片直径为10 cm时，Aln=5890.4mm2，对于立柱结构，Fld=302.4kN，验算结果表明立柱趾部局部承压富裕度为4.7%，满足规范要求。

为进一步探究立柱与立柱、立柱与底板的连接端受力情况，利用ABAQUS有限元软件对其螺栓进行分析，螺栓本构为假设各向同性的弹性本构，依据Mises第四强度准则进行判断其受力大小。螺栓受力情况如图10所示。

由图5可知，上部螺栓最大应力出现在上下柱交界面处，应力大小为1.888 MPa，远小于HRB400强度设计值，下部螺栓最大应力出现在下柱与底板交界面处，应力大小为4.313 MPa，亦远小于钢筋强度设计值。

图5 螺栓受力云图Fig.5 Stress cloud diagram of bolt

2 锚栓柱板型装配式可绿化挡墙结构及预制标准化研究

2.1 挡墙结构

锚栓柱板型装配式可绿化挡墙由底板、立柱、耳块和斜插板组成。立柱空心设计以节省混凝土用量。除底板外，所有构件均工厂化预制，耳块预制后在工厂通过自动化装配二次安装于立柱上以节省现场用工量，加快施工进度，耳块与立柱的组装结构见图6。

图6 预制空心立柱加装耳块构造图Fig.6 Structural drawing of prefabricated hollow column with ear block

挡墙装配时，底板现浇，并预留连接钢筋，通过锚栓与已加装耳块的柱子连接（连接处增加底板厚度）。

柱子有两种基本单元，一般立柱（可选高度为1 m、1.5 m、2 m、2.5 m以及3 m；挡墙高度不高于3 m时独立使用），底座立柱（2.5 m，挡墙高于3 m时，配合一般立柱予以接高处理）以实现不同高度挡墙的标准化设计，见表2。

表2 挡墙标准化装配高度表Table 2 Standard installation height table of retaining wall

柱子之间以预制斜插板联系，斜插板通过固定在柱子上的预制耳块与柱子发生联系，柱子与现浇底板、柱子与预制耳块、耳块与预制斜插板均使用锚栓方式相连接，如图7所示。

图7 装配式可绿化挡墙构造图Fig.7 Structural drawing of prefabricated green retaining wall

配合1 m、1.5 m、2 m、2.5 m以及3 m高的各级立柱，锚栓柱板型装配式可绿化挡墙以50 cm为级差的高度变化，顺应了纵向或地形变化，实现了产品制作与设计、施工的标准化。

图8 50 cm高差调坡示意图Fig.8 Schematic diagram of slope adjustment with 50 cm height difference

2.2 挡墙预制标准化研究

锚栓柱板型装配式可绿化挡墙在工程实践中工厂化生产、标准化设计、装配化施工、预制件工厂预制过程如图9所示，相比传统悬臂式（扶壁式）挡土墙，其有优点如下：标准化高，质量可靠，外观整齐，生态环保，透水性佳，施工简便，造价经济。

图9 挡墙预制过程Fig.9 Retaining wall prefabrication process

3 挡墙施工关键技术研究

3.1 工点设计研究

路基左右两侧填方边坡坡脚布置挡墙，替换原有挡墙，根据实际地形纵坡坡率以及挡墙埋深，该工点坡率为3%，锚栓柱板型装配式可绿化挡墙以50 cm级差适应纵坡坡率，在相同墙高段挡墙起始处填方坡度取1∶1.5，终点处适当放缓填方坡度。具体布置方案图及数量见表3以及图10。

表3 标准构件用量Table 3 Number of standard components 个

图10 挡墙工点图Fig.10 Construction site of retaining wall

3.2 挡墙施工关键技术研究

本次应用的工艺适应于公路装配式可绿化挡墙，挡墙底板采用现浇形式，立柱、耳块及斜插板采用工厂化预制，立柱与耳块于工厂装配后运输至现场，技术路线如图11所示。

图11 技术路线Fig.11 Technical route

3.2.1 测量放样

严格按照设计精确放线，确保挡墙底板预留钢筋及挡墙立柱安装的位置准确。

3.2.2 挡墙基底开挖、地基处理

清理平整场地，做好排水坡向，机械开挖至设计标高，将基底清理干净，满足承载力要求后，进行下道工序。

3.2.3 底板现浇

钢筋绑扎、模板安装、混凝土浇筑、养生等与传统现浇工艺一致，外露预埋钢筋等预埋件严格按照设计尺寸进行，顶部采用定位框定位，确保其焊接牢固并防止振捣时移位。

3.2.4 挡墙立柱、耳块、斜插板安装

运输吊装前，先对墙及立柱接触面凿毛位置进行清理，再对两者连接面涂刷环氧粘合剂，将耳块安装至挡墙立柱，再通过钢筋机械套筒及螺栓锚固；运输至现场后安装挡墙立柱，挡墙立柱通过与底板预留钢筋连接，螺栓锚固；最后进行斜插板安装，方式同上，随后对斜插板与耳块通过预留插销孔使用插销连接固定。

3.2.5 路堤填筑

在完成以上工序后，采用路基填料进行路堤填筑，分层回填、分层碾压，每层厚度不超过30 cm，大部分采用压路机碾压，压路机碾压不到的位置采用小型振动夯实机具夯实，保证压实度满足设计要求。

3.2.6 喷播草籽

路堤填筑完成后，在墙面斜插板间隔处培土，将草籽（按每平方米25 g左右喷播）和促使其生长的附着剂、木纤维、肥料、生长素、保湿剂及水按一定比例混合搅拌，形成均匀混合液，通过液压喷播机均匀喷洒于插板间。

4 挡墙经济效益对比研究

对比本工点原有传统现浇悬臂式挡墙和装配式挡墙，结合挡墙通用图以及工程实际，在同等基础埋深以及墙高的情况下可得各类型挡墙每100 m造价，综合单价依据见表4、表5，造价比较如图12所示。

表4 各类挡墙每100 m工程量对比Table 4 Comparison of quantities per 100 m of various retaining walls

表5 材料单价表Table 5 Unit price of materials

图12 挡墙经济效益对比Fig.12 Comparison of economic benefits of retaining wall

图得装配式悬臂挡墙造价较高，且其最大施工高度为4 m；当挡墙高度小于2.5 m时，传统现浇悬臂挡墙经济效益最高，为39.9万元/100 m，但当挡墙高度大于2.5 m时，装配式可绿化挡墙经济效益最高，结合实际可得装配式可绿化挡墙经济效益较高，值得推广。由此可推算本次变更对比原现浇悬臂挡墙方案节省11万元。可见，锚栓柱板型装配式可绿化挡墙在经济性上对比传统悬臂式挡墙有一定优势，对比传统装配式挡墙有较大优势。

5 结 论

利用Midas Civil以及相关规范，对锚栓柱板型装配式可绿化挡墙进行结构验算，并对其标准图总结、预制标准化、施工关键技术以及经济效益进行总结，得到以下结论：

（1）提出锚栓柱板型装配式可绿化挡墙，其结构包括预制的空心上下柱、斜插板、耳块以及现浇底板，柱与柱之间通过斜插板联系。

（2）利用有限元软件以及相关规范验算发现，锚栓柱板型装配式可绿化挡墙结构合理，结果富裕度较高，其安全性较高，符合规范要求。

（3）总结了其预制标准化关键技术，包括钢筋骨架制作、混凝土浇筑、拆模、养生、厂内试装耳块。

（4）设计并总结了其关键施工技术，锚栓柱板型装配式可绿化挡墙以50 cm级差适应纵坡坡率，在相同墙高段挡墙起始处填方坡度取1∶1.5，对其具体施工要点作出了概况。

（5）对比分析了装配式可绿化挡墙、传统现浇悬臂挡墙以及装配式悬臂挡墙的经济效益，发现在挡墙高度大于2.5 m时，装配式可绿化挡墙经济效益最佳，值得推广应用。