1 引言
挡土墙是公路、铁路、水利、市政等工程领域常见的构筑物, 主要用于抵抗墙后的土压力、维护墙后土体与工程结构的稳定性。随着工程建设与研究的不断发展, 目前已发展有重力挡土墙、悬臂式挡土墙、桩板式挡土墙、锚杆式挡墙、加筋土挡土墙等许多结构形式等, 这些挡土墙各有优缺点与适用条件。因取材方便、工艺简单等优点, 工程中重力挡土墙的应用最为广泛, 但重力挡土墙存在材料消耗量大、机械化程度低等不足, 使得施工时工人劳动强度高、效率低、后期病害多。随着环境保护意识的不断深入与劳动力成本的不断攀升, 重力式挡土墙的缺点越来越被突现。
预制化、装配化是现代工程建设的发展方向, 是提高工程结构施工质量和效率、降低现场施工人员劳动强度的重要途径。对于挡土墙而言, 许多工程技术人员与学者也尝试进行预制化、装配化。石中柱、张文清对预制钢筋混凝土折板挡土墙的设计与施工进行了相关研究[1]。赵御祺结合乌拉尔地区装配式挡土墙的工程经验, 提出双曲和锥面薄壳形装配式钢筋混凝土挡土墙[2]。曾向荣在北京城市铁路设计中采用预制装配式钢筋混凝土挡土墙作为路基支挡结构, 缩短了挡土墙施工中立模、现浇、养护等施工工序所需的时间[3]。丁录胜为了减小冻土地区基础及墙后填土冻融循环作用对挡土墙的破坏, 设计了一种装配式挡土墙[4]。张国栋对装配式挡土墙设计中的碰撞力和分段长度进行了初步分析[5]。中国市政工程西南设计研究院编制了《城市道路-装配式挡土墙》设计图集[6]。这些研究对挡土墙的预制装配化起到了很好的促进作用。本文在讨论挡土墙预制装配化的优点与必要性基础上, 对挡土墙预制装配化中设计与施工的关键问题进行了分析, 为今后类似工程提供了参考。
2挡土墙预制装配化的优点
挡土墙的预制装配化是指通过专用模具进行对挡墙构件工厂化预制生产、标准化养护, 达到强度后运输到施工现场后进行装配成型, 实现挡土墙构件设计标准化、生产工艺标准化、现场施工机械化。与现浇注结构相比, 当需求量比较大时装配式挡土墙不仅具有质量保证, 同时具有良好的经济性。在公路、铁路、市政、水利等行业, 挡土墙往往都是线性工程, 不仅需要量大, 而且结构形单一, 具备预制装配化的基础。现有的工程应用也表明, 装配式挡土墙具有良好的经济性。
与传统的现场砌筑或浇注的挡土墙相比, 预制装配式挡土墙具有以下优点:
1、质量有保障。挡土墙在工厂或预制场进行标准化预制生产、养护, 从钢笼加工、混凝土搅拌、浇注、振捣、到养护、拆模全过程都可以进行标准化管理, 有效保障挡土墙构件的质量, 解决现场工人劳动环境差、养护设施不足的缺点。
2、材料利用充分、消耗量少。一方面, 在质量可以得到保障的前提下, 挡土墙的截面设计可以更合理, 使挡土墙的体积减小;另一方面, 集中生产时混凝土等材料的跑冒滴漏现象可以得到管控, 减少不必要的浪费。同时还能节省大量的支架模板等材料的消耗量。
3、现场施工简单、工人劳动强度低。预制养护后的挡土墙构件通过吊装、运输到施工现场即可以进行装配, 实现机械化作业, 工人劳动强度低, 相应一线工人的数量也可以减少。
4、施工不受季节气候的影响, 工效高。挡土墙构件在预制厂集中生产, 不受外界气候的影响。在现场装配后即可以开展墙后土的回填、碾压作业, 可以有效缩短现浇挡土墙所需的立模、养护时间, 便于现场施工进度控制。在大批量生产时, 在工效得到大幅提高的同时, 工程造价得到降低。
3 装配式挡土墙的设计的关键问题分析
3.1 基本墙型选择
结构安全可靠、构件简单轻巧是装配式挡土墙设计应当满足的基本要求。结构安全可靠主要是要求挡土墙装配后安全可靠, 不仅要满足抗滑移、抗倾覆稳定性与墙身强度要求, 还要保证构件间连接部位的可靠性;构件简单轻巧是要求组成挡土墙的构件形状简单, 便于模板加工与混凝土的振捣密实, 还要使构件重量得到控制。如果重量过大, 不仅预制后吊装困难, 要求有大吨位的起重机与运输车辆, 而且对运输道路与现场吊装位置地基承载力都有较高的要求。为了满足这两个基本要求, 装配式挡墙基本上都是以悬臂式挡墙和扶壁式挡墙具有作用机理清晰、属轻型结构、对地基承载力要求低;结构简单, 易于折分构件化;以钢筋混凝土为主要材料, 材料强度可控等优点。因此, 现有的装配式化挡土墙研究与工程大都以这两种结构为基础,
若以悬臂式挡墙或扶臂挡墙为基本墙型, 其装配化的思路为:先沿挡墙长度方向 (路线方向) 将挡墙划分为一个个标准长度的挡墙单元, 再对挡墙单元进行全预制或部分预制;全预制是将挡墙单元拆分为立板、底板、肋板等构件分别预制 (图1) , 部分预制一般只预制立板、肋板, 底板则采用现浇;然后将预制养护好的构件运输到现场进行拼装。挡墙全预制时所有构件均标准化预制, 构件质量与施工工期均有保障, 但要求预制厂有足够的存放场所, 而且构件运输量较大, 尤其是挡墙底板一般厚度较大, 单个构件重量大, 对运输与现场吊装的要求较高。部分预制相对全预制而言, 底板为现浇, 可以降低全预制挡土墙预制厂场地占用以及运输、安装难度, 但由于底板现浇后需要养护, 工期较全预制长但较全现浇挡土墙短。
3.2 构件间的连接
如何将拆分后的构件可靠地连接起来是挡土墙装配化的核心。目前挡土墙构件联接方式主有以下几种方式:
(1) 预留钢筋 (板) 焊接法。构件时预制时将连接部位的钢筋预埋在挡墙立板或底中, 现场装配时通过焊接或灌浆套筒将预留钢筋连接起来, 然后对连接部位进行二次浇注。
在中国市政工程西南设计研究院编制的《城市道路-装配式挡土墙》设计图集中, 以扶壁式挡墙基本墙型进行预制设计, 挡土墙由现浇底板、顶制面板、现浇帽石等三部分组成, 预制面板的肋部预留连接钢板, 基础分两次现浇:第一次浇筑0.3m厚, 在顶部预埋钢板, 用于同面板上的预留钢板焊结;待第一次浇注部分强度达到要求后, 吊装并采用电焊将面板上与底板上的预留钢板连接在一起, 然后对底板进行二浇注完成挡土墙施工。
(2) 预留钢筋现浇法。文献[7]将悬臂式挡土墙拆分为预制立板、现浇前趾底板、后趾地板和墙顶4部组成, 并在立板预制时将其抗弯受拉钢筋预留出足够的长度, 待到后趾底板浇注时将这部分钢筋以圆弧过渡方式伸入到后趾底板中。在设计时, 立板抗弯受拉钢以圆弧方式过滤到底板中, 既要满足过滤区立板和后趾底板抗弯强度要求, 还要满足钢筋对混凝土冲切及沿钢筋弯曲部分混凝土抗拉强度要求。
(3) 叠合板法。文献[8]结合宿迁市马陵河整治工程建设, 以扶壁式挡土墙为基础, 将其分解为底板、面板和扶壁等构件, 底板现浇, 面板和扶壁板则采用预制双面叠合混凝土板组成。施工时, 在现浇底板采用输助支撑将预制叠合板拼装在一起, 然后往叠合板内浇注内芯混凝土最终形成完整的挡土墙。文献[9]还对这种挡土墙进行了有限元分析, 认为这种结构新老混凝土间的剪应力、拼接缝处面板拉应力等都可以满足工程需要。
3.3 单元间的连接
挡土墙的分段长度一般为10-20m, 可由若干个挡墙单元拼装而成。由考虑运输、吊装设备的能力, 目前挡墙单元的长度一般为1.5m-2m。如何解决单元之间连接, 使挡墙单元拼装后能形成一个整体是装配式挡墙设计需要考虑的关键问题之一, 尤其是在工程地基存在不均匀变形或变形量大的场合。
若挡土墙底板采用现浇结构, 挡墙分段长度内底板为一整体, 单元间的连接主要是相邻面板构件的连接, 连接可以比较简单, 可以平面相接, 也可以将相邻面板侧面设计凹凸结构, 使相邻面板相互嵌合。面板长度宜比标准单元长度小1~2cm, 以防止因面板加工误差造成安装困难。若挡土墙为全预制结构, 单元间的连接对挡土墙整体性的影响比较大, 不仅面板间应当考虑如何连接, 底板间也应考虑合理的连接方式。解决的方法主要有:一是将底板与面板错开安装, 使一块面板构件跨两板底板构件, 即直接利用底板、面板自身将分段内的各单元构件连接在一起。这样连接强度高, 但会造成分段长度内挡墙两端各需要预制一个半宽的面板, 使模板种类增加, 且挡墙单元加工精度要高, 否则会因积累误差造成挡墙构件无法安装。二是将底板断面形状设计为台阶状, 使相邻底板相互叠合, 再通过连接螺栓、钢筋类的构件连接成一个整体, 连接强度将比前者小, 但可以减小模量种类, 构件加工误差的累积效应也较前者小。三是在底板预留连接钢筋, 挡墙单元拼装后进行二次浇注, 连接效果比较好, 使存在后浇带, 挡墙拼装后不能马上进行墙后填土作业。
4 装配式挡土墙施工中的关键问题分析
4.1 预制中的关键问题
高质量的预制生产是挡土墙装配化的目的也是现场施工能否顺利进行的前提。装配式挡土墙的构件预制生产流程见图4。构件预制流程的中各个环节都可能对挡墙质量造成影响, 但装配式挡墙构件的生产工艺与其它预制混凝土构件的生产基本相同, 诸如原材料计算、钢筋加工、混凝土搅拌、浇注、养护、脱模等工序质量的控制要求也没有特殊性, 但在施工时以下几个问题还是要加以控制。
1、模板工程。混凝土需要在模具中成型, 因此模板是决定装配式挡墙构件质量的基础。装配式挡墙的构件一般比较大, 生产时量也比较大, 模板一般都要采用钢模, 有条件时应采用液压钢模。在钢模加工时要充分注意混凝土浇注时可能造成模板变形, 使预制出来的构件尺寸偏差比较大, 因而加工钢模的钢板不宜太薄, 对于长大的平面部位, 应采用肋板加固以提高模板的刚度。
2、预留件的定位控制。预留件往往用于构件间的连接, 其位置直接影响到构件在现场拼装是否能顺利进行。因此, 在构件预制时预留件的位置控制非常重要。一方面, 在钢筋加工时要控制预留件的尺寸与位置, 保证预留件焊接、绑扎的可靠性;另一方面, 在混凝土浇注时要对预留件的位置进行反复构对, 避免因混凝土流动与振捣使预留件跑偏。有条件时应设计专用模具对预留件进行定位控制。
4.2 吊装时的关键问题
装配式挡墙一般在工厂或预制场集中预制, 合格后再运输到施工现场装配成型。因此, 运输吊装是实现挡土墙装配化的最终环节。与常规道路运输与工程吊装相比, 装配式挡墙运输与吊装时的关键问题主要有运输路径确定、现场吊装位置选择等。
1、运输路径确定。工程建设时, 材料设备一般都是通过施工便道进入施工现场。施工便道条件差, 而装配式挡墙构件一般重量比较大, 对道路要求比较高。要充分分析预制厂与施工现场之间的道路交通条件 (如交通管制、桥涵限高限载、道路拐弯半径、便道承载力等) 设计合理的运输路径, 并选择合适的运输车辆以保证构件能顺利运输到现场。
2、现场吊装位置。施工现场条件比较差, 尤其是挡土墙施工工点往往地形高差大, 起重设备可能需要在没有完成支挡防护的陡坡坡顶进行作业, 或是在软弱地基吊装, 易造成起重设备的支脚下陷, 引起设备侧翻。因此, 构件现场吊装时要采取有效措施确保施工人员与设备的安全。
5 结语
标准化、预制化、装配化是工程结构发展重要方向。作为现线工程的挡土墙不仅具有装配化的条件, 也容易实现装配化, 特别是交通工程、水利工程中, 挡土墙的装配化不仅可以有效保证支挡结构的质量, 而且现场施工效率高、工人劳动强度低, 具有很好的发展前景。本文对装配式挡土墙在设计与施工中的一些关键问题进行初步探讨, 以期对今后相关工程的设计与施工有所帮助。
摘要：预制装配化是提高工程结构施工质量和效率的重要途径, 但目前挡土墙的预制装配化发展比较慢。在讨论挡土墙预制装配化的优点与可行性基础上, 对挡土墙预制装配化设计与施工中的墙型选择、构件连接、单元连接、模板工程、预留件定位控制、运输路径选择与吊装位置等关键问题进行了分析, 并给出了问题常用解决方法, 为今后挡土墙的装配化设计与施工提供了参考。
关键词：挡土墙,装配化,关键问题
参考文献
[1] 石中柱、张文清.预制钢筋混凝土折板挡土墙的设计与施工[J].市政技术, 1982.
[2] 赵御祺.悬臂式薄壳挡土墙[J].建筑结构, 1981, (6) :60-61.
[3] 曾向荣.部分预制装配式钢筋混凝土挡土墙在城市轨道交通工程中的应用技术[J].地铁与轻轨, 2001, (4) :24-27.
[4] 丁录胜.冻土地区拼装式挡土墙设计[J].路基工程2008, (2) :189-191.
[5] 张国栋, 蒋陆一, 张玉轻.装配式挡土墙设计中碰撞力和分段长度浅谈[J].市政技术, 2010, (2) :31-33.
[6] 城市道路装配式挡土墙.国家标准设计, 07MR402.
[7] 孙宝昌.装配式钢筋混凝土悬臂挡墙[J].东北水利水电, 1991, (10) :10-15.
[8] 章宏生, 沈振中, 徐力群, 等.新型装配扶壁式挡土墙的抗震性能研究[J].中国农村水利水电.2017, (3) :121-125.
[9] 叶兴成, 刘益志, 章宏生.新型装配扶壁式挡土墙结构设计与施工工艺[J].江苏水利, 2017, (5) :38-40.