寧英杰，王新泉，王正軍，朱 聰，，涂杰文

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

0 引言

國內對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、底板構成，各結構由高強螺栓相連并封錨。而采用重力式[5]、砌塊[6]、柱板式[7]形式的擋墻偶有報道，但相對較少。

針對裝配式擋墻形式的研究，劉澤團隊[1-4]提出了一種預留錨栓聯(lián)接的裝配式擋土墻，其底板上預留錨栓，在立板底部預留錨栓孔，通過錨釘連接,并通過縮尺試驗，對一種懸臂式配式擋墻的連接形式展開探討，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]基于試驗對一種裝配式擋墻榫卯結構砌塊進行了榫卯數(shù)量研究，并提出針對該類擋墻的砌塊抗剪強度計算公式。周航等[7]將傳統(tǒng)樁板墻擋土板更改為拱結構，討論了矩形截面的長寬比、樁體嵌入深度、土體摩擦角等影響樁拱擋墻極限荷載因素。正交法對于擋土墻的應用，張向東等[8]針對預應力錨索路基擋土墻，以擋墻面板位移量和路基沉降量作為評價指標，采用正交試驗設計法優(yōu)化錨固參數(shù)的組合方案。

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

總而言之，目前有關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大、適用性不足、綠化效果不顯著等缺點。本研究利用ABAQUS軟件對裝配式可綠化擋墻進行三維模擬，基于柱板式擋墻，采用正交試驗法對該種結構柱高、倒角大小、立柱間距進行分析，并根據(jù)分析結果對影響立柱核心截面拉應力的3因素進行敏感性排序；針對優(yōu)化分析后得到組合進行承載力特性研究，最后針對其結構特殊性，對其關鍵技術進行研究。

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，公路等級為設計速度80 km/h雙向四車道的一級公路，全線長約16 km。因該線需要保持通車，為了提升交通通行能力，提高行車舒適性，對此次拓寬導致16處邊坡及兩處小邊坡需重新進行防護設計。

圖1(a)為填方段裝配式懸臂式可綠化擋墻預制空心立柱部分結構圖，相比于其他柱板式擋墻，空心立柱由在工廠預制的上下空心柱組合而成，在運輸至現(xiàn)場組裝時由錨釘連接；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。工程未開工，故采用3D Studio Max進行渲染得到效果圖，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對混凝土材料單、雙軸應力狀態(tài)下力學性能和構件抗彎、剪性能進行模擬，得到混凝土彌散開裂模型能較好模擬混凝土單、雙軸受力狀態(tài)下的力學性能的結論，故立柱采用混凝土彌散開裂模型，連接螺栓以及內部鋼筋籠因在模擬時完全達不到屈服強度，故不考慮三折線本構，采用彈性模型，力學參數(shù)見表1。

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

擋土墻為路堤墻，墻后放坡1.5 m。同時根據(jù)規(guī)范[14]，車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為車輛附加荷載標準值。

核心截面壁厚如圖3所示，柱體內部挖空，其背土端壁厚0.2 m，其余三側均為0.15 m，為緩解應力集中問題，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)庫倫土壓力理論[15]，將立柱與墻后填土接觸設為Pressure并定義主動土壓函數(shù)：

Pa=1/2γH2Ka·K，

(2)

(3)

式中，Pa為擋土墻立柱背主動土壓；γ為土重度；H為立柱高度；Ka為主動土壓系數(shù)；K為簡化的土壓放大系數(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計研究

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)對柱體受力的影響程度，將三要素作為考察因素，每個因素選取四水平，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，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 試驗因素Tab.2 Test factors

本試驗為三因素四水平試驗，取正交設計表L16(45)，試驗排列及試驗結果如表3所示。

表3 因素、水平及結果Tab.3 Factors，levels and result

對表3各因素結果所得應力進行處理，結果如表4所示。Ki，j為第j列因素第i水平試驗結果之和；Rj為各因素均值極差，反映上部柱高、倒角尺寸、立柱間距對裝配式可綠化擋墻最大拉應力的影響。

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

為探究三因素變化對應力變化的影響趨勢，對表4結果進行整理得到曲線，如圖4所示。圖4(a)直觀可知，上部柱高對倒角處最大應力近似呈線性關系，在一定范圍內，隨著柱高增加應力線性增長；圖4(b)可得倒角尺寸對倒角處最大應力呈二次方關系，隨著倒角的增加應力拋物線形減?。粓D4(c)可知，隨著立柱間距的增加，倒角處最大應力呈線性增加。

圖4 各因素對倒角處應力影響Fig.4 Influence of various factors on stress of chamfer

對ABAQUS足尺模擬應力結果評判標準根據(jù)規(guī)范[16]，除第13組最大拉應力為2.128大于C30抗拉標準值外，其余均小于規(guī)范指標。因素主次順序為：因素1，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

對所得結果進行方差分析，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 立柱受力機理分析

基于預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。為探究該類結構應力分布規(guī)律，對以上其組合進行受力分析。

3.1 立柱應力分析

圖5為立柱隨高度的增加變化曲線，直觀可得，下柱應力隨著高度增加應力先減小后增大，在截面變化處發(fā)生應力集中達到應力最大值1.8 MPa，隨后應力隨高度增加而線性減??；上柱應力隨高度的增加逐漸減?。灰蛏舷轮鶠殄^釘連接，故其交界處應力趨勢發(fā)生變化；上部柱體應力隨高度增加呈拋物線型減小至0。故在實際施工中，需對下部柱體倒角處作為重點監(jiān)測對象。

圖5 應力-柱高曲線Fig.5 Curve of stress vs. column height

3.2 立柱位移機理研究

3.2.1 立柱側移分析

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，隨著高度增加，離開倒角高度后，位移隨高度增加而線性增長；由于上下柱產(chǎn)生相對滑移，故在其交界處位移趨勢變化表現(xiàn)為無規(guī)律性；上柱位移隨著高度增加而線性增長。故在實際施工中，需將交界處相對滑移以及柱頂位移作為重點觀測對象。

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)生相對滑移，故分別對上下柱展開位移模式的判斷。對于剛性擋墻，墻體位移模式可分5類[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，RT模式；n→∞，RB模式；0

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

4 擋墻應用技術研究

針對該類擋墻施工工藝研究較少，故對其施工關鍵技術進行研究，通過有限元軟件得出的結果可發(fā)現(xiàn)，在放坡土為松散土時倒角處受力偏大，故需對邊坡上部進行加筋土處理；針對一次性放置斜板與一次性填土導致斜板和立柱受力瞬間增大而破壞，故采取吊機結合人工進行分層填土與斜板分層放置，最后對其進行綠化。

裝配式可綠化擋墻由現(xiàn)澆底板、預制的下部柱體、預制的上部柱體和錨釘組成。在施工時底板在現(xiàn)澆、養(yǎng)護完成后，利用吊車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。其關鍵技術實施較傳統(tǒng)柱板式擋墻不同，對其關鍵應用技術總結，得技術流程如圖7所示。

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

圖8 關鍵技術流程圖Fig.8 Flowchart of key technology

(1)對于開挖邊坡，邊坡開挖時按照從上至下的施工順序分級進行，對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，通過土體擠壓與摩擦來實現(xiàn)擋墻的自穩(wěn)以及抵抗墻體背后土壓；底板在現(xiàn)澆時埋入錨釘留出錨固端。

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

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

(5)分層安放預制板，分層填土，直至墻頂，填土完成后需在各層柵槽內移栽苗木并噴播草種，同時在該柱板式護坡結構上布置滴灌設備。

5 結論

(1)上部柱高對柱體受力影響最大，倒角大小對其受力影響最小，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)通過正交試驗可知，上部柱高與立柱間距對應力的影響均呈正相關，皆在2.5 m時應力達到最大值；隨著倒角尺寸的增加，應力呈拋物線形減小，在1.2 m達到最小值。

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

(4)上下柱由錨釘連接，會產(chǎn)生相對滑移，故其交界處應力分布規(guī)律、位移分布規(guī)律較為復雜，為避免模型不收斂，擬解決的辦法為采用動力學方式對其模擬。

(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，在此基礎上，可適當將上柱減小以放坡、以及減少造價。