重力式組合裝配擋土墻技術(shù)方案研究

姜 雷

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

重力式擋土墻[1-3]是鐵路路基支擋工程中最為常見的一種結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。它依靠墻身自重抵抗墻背土體的側(cè)壓力，其應(yīng)用歷史較為悠久，在人類交通發(fā)展歷史上起到了舉足輕重的作用。重力式擋土墻技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在墻身材料的變化上，經(jīng)歷了干砌、漿砌和混凝土澆筑等幾個階段[4]，目前重力式擋土墻主要采用混凝土、片石混凝土現(xiàn)場澆筑而成，這導(dǎo)致現(xiàn)行技術(shù)存在一些問題，主要涉及環(huán)境問題、施工因素以及經(jīng)濟性等。針對這些問題，筆者提出了一種新技術(shù)——重力式組合裝配擋土墻[5]，可作為重力式擋土墻的升級換代技術(shù)，為重力式擋土墻技術(shù)發(fā)展提供一種新的解決思路和方向。

圖1 重力式擋土墻常見型式

1 現(xiàn)行技術(shù)分析

根據(jù)TB 10025-2006《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]規(guī)定，重力式擋土墻墻身混凝土強度等級一般不低于C30，采用片石混凝土砌筑時，片石含量一般不高于20%，由此可見重力式擋土墻墻身材料主要由素混凝土組成。

近年來，國內(nèi)已修建的鐵路干線中采用了大量的重力式擋土墻，主要用于路塹地段、陡坡路堤地段、受用地界或構(gòu)筑物限制需收坡的地段。鐵路上使用的重力式擋土墻主要為仰斜式，均采用現(xiàn)澆施工。從已經(jīng)運營的鐵路干線來看，重力式擋土墻的使用狀況良好。

現(xiàn)行的重力式擋土墻技術(shù)可以滿足當前的工程需求，但也存在一些問題。

(1)重力式擋土墻均采用現(xiàn)澆施工，立模工序較為復(fù)雜，施工工期長，受外部環(huán)境因素干擾大(如雨季、冬季)，對周邊環(huán)境會產(chǎn)生一定的污染。

(2)重力式路塹擋土墻施工應(yīng)采用分段開挖、分段施工的方式，但由于工期限制，采用機械整體拉槽開挖，再施工重力式路塹擋土墻的情況時有發(fā)生，由于施工周期長，路塹邊坡長期放置，特別是膨脹土地段，極易出現(xiàn)工程坍塌事故。

(3)重力式擋土墻承受較大的土壓力，特別是土質(zhì)路塹地段，通常需采用較大的截面結(jié)構(gòu)尺寸來確保擋墻的抗滑移或抗傾覆穩(wěn)定性滿足設(shè)計要，但卻造成擋墻墻身截面強度利用率較低。以某工點為例，擋墻截面利用率統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，墻身截面強度利用率不足10%，存在明顯的浪費現(xiàn)象。

表1 擋墻截面強度利用率統(tǒng)計表

注：表中墻身混凝土強度為C25

(4)目前，土工建設(shè)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展越來越受到重視，在設(shè)置重力式擋土墻的路塹地段，通常采用墻頂平臺小花壇的形式進行景觀設(shè)計，如圖2所示。受小花壇空間位置及尺寸的限制，植物種類可選范圍有限，只能采用淺根系植物，景觀效果一般。

圖2 墻頂花壇景觀綠化示意圖

2 方案研究

2.1 研究思路

要解決現(xiàn)行重力式擋土墻技術(shù)所存在的問題，可從以下研究思路入手：

(1)在不明顯降低擋墻墻身自重的前提下，將重力式擋土墻墻身部分混凝土，置換為其它價格低廉填料，如棄土、廢棄礦渣等。

(2)為便于養(yǎng)護、檢測、控制質(zhì)量和快速施工，在具有一定經(jīng)濟性的前提下，采用預(yù)制裝配方案替代現(xiàn)澆混凝土方案。

(3)結(jié)合景觀綠化需求，在墻頂留置綠色植生空間。

2.2 研究方案

(1)技術(shù)方案

根據(jù)上述研究思路，本文提出重力式組合裝配擋土墻方案。重力式組合裝配擋土墻由基礎(chǔ)底座、空腹薄壁墻和填土3部分組成，結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。基礎(chǔ)底座為鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件，設(shè)計成L型，用于放置空腹薄壁墻?？崭贡”趬σ矠殇摻罨炷令A(yù)制構(gòu)件，設(shè)計成箱型，用于容納填土。填土可采用價格低廉填料，如棄土、廢棄礦渣等。考慮到美觀需求，胸墻面采用凹型設(shè)計。基礎(chǔ)底座及空腹薄壁墻沿線路方向每2～3 m設(shè)置1節(jié)，壁厚10～15 cm，箱體寬度根據(jù)穩(wěn)定性計算確定，考慮到綠化景觀需求，墻頂采用敞口設(shè)計或砌筑空窗設(shè)計，作為綠色植生空間。

圖3 重力式裝配擋土墻結(jié)構(gòu)示意圖

重力式組合裝配擋土墻可沿線路方向裝配組合成連續(xù)的墻體，如圖4所示，共同抵抗墻背土體土壓力。高墻與矮墻裝配連接時，連接處墻頂平臺設(shè)置臺階式端墻，確保墻頂平臺及路塹邊坡平緩過渡。

圖4 重力式組合裝配擋土墻工點示意圖

(2)技術(shù)原理

重力式組合裝配擋土墻與重力式擋土墻的技術(shù)原理基本一致，但由于重力式裝配擋土墻由3部分組成，不同的部分分別承擔不同的功能，這又與重力式擋土墻有所差別。重力式組合裝配擋土墻的工作原理是依靠空腹薄壁墻及腹內(nèi)填土共同抵抗墻背土體側(cè)向土壓力；依靠薄壁鋼筋混凝土的強度滿足墻身強度要求；依靠基礎(chǔ)底座降低基底壓應(yīng)力，提高擋墻自穩(wěn)性，滿足地基承載力及穩(wěn)定性要求。

(3)結(jié)構(gòu)計算與設(shè)計

重力式組合裝配擋土墻的設(shè)計荷載與重力式擋土墻基本一致，區(qū)別是空腹薄壁墻需考慮箱體內(nèi)填土的土壓力，這是空腹箱體尺寸設(shè)計和配筋設(shè)計的主控力?？崭箖?nèi)填土的土壓力是有界填土產(chǎn)生的，可參照采用貯倉土壓力理論進行計算；重力式組合裝配擋土墻的抗滑、抗傾覆穩(wěn)定性計算與重力式擋土墻一樣，區(qū)別在于計算箱體抗傾覆穩(wěn)定性及墻底壓應(yīng)力時，基礎(chǔ)底座按擴大基礎(chǔ)考慮；組成擋墻的鋼筋混凝土構(gòu)件采用極限狀態(tài)法進行設(shè)計，且應(yīng)滿足現(xiàn)行GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的要求。

(4)施工技術(shù)要求

①預(yù)制混凝土構(gòu)件應(yīng)進行外觀質(zhì)量缺陷、尺寸偏差、混凝土強度等質(zhì)量檢驗，檢驗標準應(yīng)滿足GB/T 51231-2016《裝配式混凝土建筑技術(shù)標準》的有關(guān)要求。

②預(yù)制構(gòu)件混凝土強度達到設(shè)計強度的80%，且質(zhì)量檢驗合格后方可運至現(xiàn)場施工。

③為確保底座對基底平整度的要求，可在基底設(shè)置不小于10 cm的混凝土墊層。

④箱體內(nèi)填土宜分層填筑，頂部應(yīng)填筑不小于60 cm厚的種植土，填土的壓實系數(shù)不宜低于0.9。

⑤墻背應(yīng)設(shè)置0.3 m厚袋裝砂卵石反濾層，并在箱體兩側(cè)預(yù)留泄水孔，采用透水管將墻后反濾層與墻體泄水孔聯(lián)通。

⑥重力式組合裝配擋土墻拼裝時，在地質(zhì)變化不均勻處應(yīng)設(shè)置伸縮縫，避免擋墻出現(xiàn)不均勻受力。

3 技術(shù)經(jīng)濟對比分析

選取某工點，在相同工況下，取2 m長的重力式擋土墻和重力式組合裝配擋土墻分別進行設(shè)計，設(shè)計及投資概算結(jié)果,如表2所示。

表2 某工點設(shè)計結(jié)果及投資概算結(jié)果統(tǒng)計表

從表2可以看出，在相同條件下，重力式組合裝配擋土墻方案較重力式擋土墻方案，具有較好的經(jīng)濟優(yōu)勢，就該工點而言，可節(jié)省投資10%～17%。

綜合兩方案的技術(shù)特點、經(jīng)濟性以及其他優(yōu)缺點，對重力式組合裝配擋土墻與重力式擋土墻進行技術(shù)經(jīng)濟對比分析，分析結(jié)果如表3所示。

表3 技術(shù)經(jīng)濟對比表

由表3可知，與重力式擋土墻相比較，重力式組合裝配擋土墻具有一系列的優(yōu)點，同時也具有一定的缺點，但總體而言其優(yōu)勢大于劣勢。特別是建筑上使用的裝配式結(jié)構(gòu)[7-8]一般經(jīng)濟性稍差，與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比需增加投資15%左右，而重力式組合裝配擋土墻與重力式擋土墻相比，仍具有一定的經(jīng)濟優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

重力式組合裝配擋土墻是針對重力式擋土墻存在問題而提出的一種新的技術(shù)方案，作為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的新成員，其工作基本原理及支擋效果均與重力式擋土墻相當，且較傳統(tǒng)的重力式擋土墻具有以下技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢：

(1)可采用標準化設(shè)計，工廠加工生產(chǎn)，以產(chǎn)品的形式進行推廣和應(yīng)用。

(2)采用預(yù)制裝配施工，工序簡單，施工工期短，受外部環(huán)境因素干擾小，可避免路塹邊坡因長期放置而導(dǎo)致邊坡大變形、溜塌等病害現(xiàn)象。

(3)混凝土材料用量大大降低，同時利用棄土等作為墻體材料，可有效降低棄方量，符合節(jié)能減排、低碳環(huán)保要求。

(4)墻頂作為綠色植生空間，可成為景觀設(shè)計平臺，植物種類可選范圍較廣，景觀效果良好。

(5)采用棄土、棄渣作為墻體材料，墻頂可不單獨設(shè)置邊坡平臺，減少土方開挖量，具有較好的經(jīng)濟優(yōu)勢。

(6)采用在工廠內(nèi)產(chǎn)品化、流程化生產(chǎn)，宜控制產(chǎn)品質(zhì)量，且便于檢測。

(7)具有較好的經(jīng)濟優(yōu)勢，可節(jié)省一定的投資。

重力式組合裝配擋土墻作為裝配混凝土結(jié)構(gòu)的一種新技術(shù)，作為升級或替代重力式擋土墻的一種新技術(shù)，具有較大的市場空間和良好的應(yīng)用前景，只是目前尚無應(yīng)用實例。

目前國家對城市建設(shè)提出了低碳環(huán)保、節(jié)能減排的新要求[9]，而重力式組合裝配擋土墻完全符合低碳環(huán)保、節(jié)能減排的需求，同時又具有快捷施工、質(zhì)量可靠、投資較省等優(yōu)點，建議推廣應(yīng)用重力式組合裝配擋土墻，可收到良好的經(jīng)濟效益和社會效益。