扶壁装配式挡土墙优化设计研究★

徐志强，孙昌开，周海兵

(湖南建工交通建设有限公司，湖南 长沙 410029)

单元分割[1-3]是扶壁式挡土墙实现装配化的首要步骤，也是装配式构件预制的基础。对扶壁式挡土墙进行装配式设计首先要保证装配式挡土墙的支护效果和传统整体式挡土墙的支护效果相当，其次要保证装配式挡土墙的结构变形量与传统整体式挡土墙的变形量相差不大。因此，分割单元的结构形式[4-7]对扶壁装配式挡土墙的支护效果有着重要的影响。

对传统扶壁式挡土墙进行面板受力分析时，考虑扶壁的作用，一般将面板看成三边固定、一边自由的双向板进行荷载计算。目前对扶壁式挡土墙[8-9]进行装配式设计时，常用的分割单元是在面板中间分割，扶壁放于分割单元中间，此时面板就变成两垂直边固定、两垂直边自由的支撑形式(如图1所示)，在墙后土压力的作用下，图1中阴影区域易产生较大的挠曲变形。因此，本文对扶壁装配式挡土墙进行了结构优化设计，并通过有限差分软件FLAC3D对常用分割单元和优化分割单元面板的受力特征和变形规律进行了对比分析[10-13]。

目前常用的装配单元分割方法[14-21]是将面板从中间分割，这种分割方法改变了传统扶壁式面板的受力模式，为了使装配式结构的结构特点和整体现浇时的结构特点相似，图2对分割单元的结构形式进行了优化，在优化结构中，适当减小扶壁厚度，在每个分割单元中设置两个扶壁，将扶壁放置在分割单元面板两端，以确保面板仍为三边固定、一边自由的双向板。分割单元尺寸示意图见图3。

本文以5 m墙高为例，对常用分割单元及优化分割单元面板的受力特征和变形规律进行分析。

3.1 模型建立与参数

图4为建立的优化分割单元分析模型，分割单元的各构件尺寸见表1。计算荷载按JYG D30—2015公路路基设计规范要求取10 kPa的均布荷载。模型的边界条件为：除装墙面及模型顶面为自由面外，其他模型边界均设置为加点固定面。地基、回填土及墙体的力学参数见表2，表3。

表1 分割单元各构件尺寸表 m

表2 地基及回填土的力学参数

表3 墙体的力学参数

3.2 优化分割单元面板水平位移对比分析

在模型计算时，由于面板本身具有很大的刚度，因此相同截面高度处墙背及墙面的水平位移值分布相同，因此此次只对面板墙面处的水平位移进行分析和监测。由模型计算结果可知，常用分割单元将扶壁放置于分割单元面板的中间，在扶壁轴线处有很大的水平位移产生，并且产生最大水平位移的区域以扶壁轴线为中心向面板两边延伸，最大水平位移区域的形状为“工”字形，最大值约为1.55 mm。在优化分割单元中，由于扶壁放置于分割单元面板两端，面板处产生最大水平位移的范围明显缩小(见图5)。

为对常用及优化分割单元面板水平位移进行直观的比较，模型计算时对两种结构形式下面板的节点位移进行了监测，监测点在线路方向(y轴)以及面板高度方向(z轴)上选取。整体而言，两种结构形式下，面板水平位移沿面板高度均呈现上大下小的分布模式，但二者又有不同之处，对优化分割单元而言，面板水平位移自面板底部向上逐渐增大，水平位移在7/9墙高处出现极值点。而对常用分割单元而言，在1/3～8/9面板高度之间，面板的水平位移值变化不大，没有出现明显的位移极值点。分割单元水平位移曲线见图6。

3.3 优化分割单元面板水平应力对比分析

图7为常用及优化分割单元面板面侧水平应力云图。由模型计算结果可知，无论是常用分割单元还是优化分割单元，面板面侧拉、压应力区所处的位置几乎一致，压应力区位于面板上方，最大拉应力区位于面板下方，此处为填土埋深处。就面板整体而言，结构优化后，优化分割单元面板面侧的最大水平拉应力比常用分割单元面板面侧的最大水平拉应力小。

为对常用及优化分割单元面板水平应力进行直观的比较，模型计算时同样对两种结构形式下面板的节点应力进行了监测，监测点选取与面板位移监测点一致。两种结构形式下，面板面侧水平应力沿面板高度的分布模式一致，最大拉应力值均产生于2/9墙高处。分割单元面板面侧水平应力曲线见图8。

同图9常用及优化分割单元面板背侧水平应力云图相比，两种结构形式下面板背侧水平应力的分布模式不同，对常用分割单元而言，面板上部压应力区形状不规则，由于扶壁位于面板中间，两侧压应力区范围比较大。对优化分割单元而言，由于扶壁放置于面板两侧，对面板两侧有横向约束作用，面板上部压应力区形状比较规则，另外在优化分割单元面板北侧下部有小范围的大拉应力区，大拉应力区位于扶壁轴线位置下方。

图10为常用及优化分割单元面板背侧的水平应力曲线。同图8面板面侧水平应力曲线相比，两种结构形式下，面板背侧水平应力沿墙高方向(z轴)有几个明显的峰值点，其中在z=4.5 m，z=3 m处为压应力峰值点，在z=4 m，z=1 m处为拉应力峰值点。

综合考虑两种结构形式墙面及墙背的水平应力，由于面板的最大拉应力平均约为最大压应力的10倍～30倍，可见面板的破坏荷载主要为水平拉应力，由上面分析可知，不论是面板面侧还是面板背侧，无论是面板中部位置还是面板两端位置，常用分割单元面板的水平拉应力均大于优化分割单元的水平拉应力，由此可见，分割单元的结构形式对面板的受力及变形影响很大。

3.4 优化结构挡土墙整体支护效果对比分析

3.4.1 模型建立

为探讨优化结构挡土墙的整体支护效果，建立了优化结构挡土墙的整体支护模型。该模型同样含有三个分割单元，每个分割单元的尺寸同图4(b)中的尺寸一致。在模型建立时，由于优化后装配式挡土墙沿线路方向拼接施工时，同样需要采用C30细石混凝土对各单元的面板进行连接，两个分割单元中扶壁采用螺栓进行连接，面板处相当于铰接作用，扶壁处相当于刚接作用。

因为档案的类型具有多样性，不同结构的档案具有不同类型的特征信息，同时信息特征提取方式也有较大差异。笔者认为按照档案特征提取方式对档案进行分类则可以将档案划分为文本类档案和图片类档案两大类，其中音频类档案通过语音识别技术预处理之后特征提取方式同文本类档案，视频类档案通过拆帧处理之后特征提取方式同图片类档案。

3.4.2 整体支护效果分析

图11为优化结构挡土墙水平位移云图。结构优化后，装配式挡土墙的水平位移分布模式有所变化，不仅在面板上部有大水平位移产生，面板中部、扶壁中上部同样产生有较大的水平位移。另外，由于在采用优化结构挡土墙进行施工时，增加了扶壁间的连接作用，线路方向上(y方向)各分割单元之间的整体作用更强。结构优化后，相同条件下，优化结构挡土墙的最大水平位移约为1.3 mm。可见对装配式挡土墙分割单元的结构形式进行优化后，相同条件下，挡土墙产生的最大水平位移明显减小，这也说明了优化后的结构形式更加合理。

图12为优化结构挡土墙水平应力云图。由图12可知，由于在优化设计中，扶壁位于面板两端，对每个分割单元而言减小了面板的挠曲变形，同时增加了各个分割单元扶壁间的连接作用，因此在线路方向上优化结构挡土墙水平应力的分布也有一定的连贯性。

综合考虑上面各种工况的分析结果可知，对装配式挡土墙分割单元的结构形式进行优化后，虽然优化结构挡土墙的最大水平应力及水平位移仍比整体现浇式的应力及位移值大，但和结构优化前装配式挡土墙相比，最大水平应力及位移值明显减小，在对扶壁式挡土墙进行装配式设计时，优化分割单元的结构形式更加合理。表4为优化前后装配式挡土墙整体支护效果对比分析表。

表4 分析模型整体支护效果对比分析汇总表

本文结合有限差分软件FLAC3D，对常用分割单元和优化分割单元面板的受力特征与变形规律进行了对比分析，主要结论如下：

1)在同样荷载及边界条件下，常用分割单元面板的最大水平位移约为1.55 mm，优化分割单元面板的最大水平位移约为1.27 mm，无论是面板中部还是面板两端，对分割单元的结构形式进行优化后，面板的水平位移均有明显减小。

2)对优化分割单元而言，面板水平位移自面板底部向上逐渐增大，水平位移在7/9墙高处出现极值点。而对常用分割单元而言，在1/3～8/9面板高度之间，面板的水平位移值变化不大，没有出现明显的位移极值点。

3)两种结构形式下，面板面侧水平应力沿面板高度的分布模式一致，最大拉应力值均产生于2/9墙高处；
同面板面侧水平应力曲线相比，面板背侧水平应力沿墙高方向(z轴)有几个明显的峰值点，其中在z=45 m,z=3 m处为压应力峰值点，在z=4 m,z=1 m处为拉应力峰值点。

4)在优化分割单元中，面板的最大水平位移及最大水平拉应力均小于常用分割单元面板的位移及应力值，可见，分割单元的结构形式对面板的受力及变形影响很大。

5)对装配式挡土墙分割单元的结构形式进行优化后，虽然优化结构挡土墙的最大水平应力及水平位移仍比整体现浇式的应力及位移值大，但和结构优化前装配式挡土墙相比，最大水平应力及位移值明显减小，可见，在对扶壁式挡土墙进行装配式设计时，优化分割单元的结构形式更加合理。