重力式组合装配挡土墙技术方案研究

姜 雷

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

重力式挡土墙[1-3]是铁路路基支挡工程中最为常见的一种结构形式，如图1所示。它依靠墙身自重抵抗墙背土体的侧压力，其应用历史较为悠久，在人类交通发展历史上起到了举足轻重的作用。重力式挡土墙技术的发展主要体现在墙身材料的变化上，经历了干砌、浆砌和混凝土浇筑等几个阶段[4]，目前重力式挡土墙主要采用混凝土、片石混凝土现场浇筑而成，这导致现行技术存在一些问题，主要涉及环境问题、施工因素以及经济性等。针对这些问题，笔者提出了一种新技术——重力式组合装配挡土墙[5]，可作为重力式挡土墙的升级换代技术，为重力式挡土墙技术发展提供一种新的解决思路和方向。

图1 重力式挡土墙常见型式

1 现行技术分析

根据TB 10025-2006《铁路路基支挡结构设计规范》[6]规定，重力式挡土墙墙身混凝土强度等级一般不低于C30，采用片石混凝土砌筑时，片石含量一般不高于20%，由此可见重力式挡土墙墙身材料主要由素混凝土组成。

近年来，国内已修建的铁路干线中采用了大量的重力式挡土墙，主要用于路堑地段、陡坡路堤地段、受用地界或构筑物限制需收坡的地段。铁路上使用的重力式挡土墙主要为仰斜式，均采用现浇施工。从已经运营的铁路干线来看，重力式挡土墙的使用状况良好。

现行的重力式挡土墙技术可以满足当前的工程需求，但也存在一些问题。

(1)重力式挡土墙均采用现浇施工，立模工序较为复杂，施工工期长，受外部环境因素干扰大(如雨季、冬季)，对周边环境会产生一定的污染。

(2)重力式路堑挡土墙施工应采用分段开挖、分段施工的方式，但由于工期限制，采用机械整体拉槽开挖，再施工重力式路堑挡土墙的情况时有发生，由于施工周期长，路堑边坡长期放置，特别是膨胀土地段，极易出现工程坍塌事故。

(3)重力式挡土墙承受较大的土压力，特别是土质路堑地段，通常需采用较大的截面结构尺寸来确保挡墙的抗滑移或抗倾覆稳定性满足设计要，但却造成挡墙墙身截面强度利用率较低。以某工点为例，挡墙截面利用率统计结果如表1所示。从表1可以看出，墙身截面强度利用率不足10%，存在明显的浪费现象。

表1 挡墙截面强度利用率统计表

注：表中墙身混凝土强度为C25

(4)目前，土工建设与生态环境协调发展越来越受到重视，在设置重力式挡土墙的路堑地段，通常采用墙顶平台小花坛的形式进行景观设计，如图2所示。受小花坛空间位置及尺寸的限制，植物种类可选范围有限，只能采用浅根系植物，景观效果一般。

图2 墙顶花坛景观绿化示意图

2 方案研究

2.1 研究思路

要解决现行重力式挡土墙技术所存在的问题，可从以下研究思路入手：

(1)在不明显降低挡墙墙身自重的前提下，将重力式挡土墙墙身部分混凝土，置换为其它价格低廉填料，如弃土、废弃矿渣等。

(2)为便于养护、检测、控制质量和快速施工，在具有一定经济性的前提下，采用预制装配方案替代现浇混凝土方案。

(3)结合景观绿化需求，在墙顶留置绿色植生空间。

2.2 研究方案

(1)技术方案

根据上述研究思路，本文提出重力式组合装配挡土墙方案。重力式组合装配挡土墙由基础底座、空腹薄壁墙和填土3部分组成，结构示意如图3所示。基础底座为钢筋混凝土预制构件，设计成L型，用于放置空腹薄壁墙。空腹薄壁墙也为钢筋混凝土预制构件，设计成箱型，用于容纳填土。填土可采用价格低廉填料，如弃土、废弃矿渣等。考虑到美观需求，胸墙面采用凹型设计。基础底座及空腹薄壁墙沿线路方向每2～3 m设置1节，壁厚10～15 cm，箱体宽度根据稳定性计算确定，考虑到绿化景观需求，墙顶采用敞口设计或砌筑空窗设计，作为绿色植生空间。

图3 重力式装配挡土墙结构示意图

重力式组合装配挡土墙可沿线路方向装配组合成连续的墙体，如图4所示，共同抵抗墙背土体土压力。高墙与矮墙装配连接时，连接处墙顶平台设置台阶式端墙，确保墙顶平台及路堑边坡平缓过渡。

图4 重力式组合装配挡土墙工点示意图

(2)技术原理

重力式组合装配挡土墙与重力式挡土墙的技术原理基本一致，但由于重力式装配挡土墙由3部分组成，不同的部分分别承担不同的功能，这又与重力式挡土墙有所差别。重力式组合装配挡土墙的工作原理是依靠空腹薄壁墙及腹内填土共同抵抗墙背土体侧向土压力；依靠薄壁钢筋混凝土的强度满足墙身强度要求；依靠基础底座降低基底压应力，提高挡墙自稳性，满足地基承载力及稳定性要求。

(3)结构计算与设计

重力式组合装配挡土墙的设计荷载与重力式挡土墙基本一致，区别是空腹薄壁墙需考虑箱体内填土的土压力，这是空腹箱体尺寸设计和配筋设计的主控力。空腹内填土的土压力是有界填土产生的，可参照采用贮仓土压力理论进行计算；重力式组合装配挡土墙的抗滑、抗倾覆稳定性计算与重力式挡土墙一样，区别在于计算箱体抗倾覆稳定性及墙底压应力时，基础底座按扩大基础考虑；组成挡墙的钢筋混凝土构件采用极限状态法进行设计，且应满足现行GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》的要求。

(4)施工技术要求

①预制混凝土构件应进行外观质量缺陷、尺寸偏差、混凝土强度等质量检验，检验标准应满足GB/T 51231-2016《装配式混凝土建筑技术标准》的有关要求。

②预制构件混凝土强度达到设计强度的80%，且质量检验合格后方可运至现场施工。

③为确保底座对基底平整度的要求，可在基底设置不小于10 cm的混凝土垫层。

④箱体内填土宜分层填筑，顶部应填筑不小于60 cm厚的种植土，填土的压实系数不宜低于0.9。

⑤墙背应设置0.3 m厚袋装砂卵石反滤层，并在箱体两侧预留泄水孔，采用透水管将墙后反滤层与墙体泄水孔联通。

⑥重力式组合装配挡土墙拼装时，在地质变化不均匀处应设置伸缩缝，避免挡墙出现不均匀受力。

3 技术经济对比分析

选取某工点，在相同工况下，取2 m长的重力式挡土墙和重力式组合装配挡土墙分别进行设计，设计及投资概算结果,如表2所示。

表2 某工点设计结果及投资概算结果统计表

从表2可以看出，在相同条件下，重力式组合装配挡土墙方案较重力式挡土墙方案，具有较好的经济优势，就该工点而言，可节省投资10%～17%。

综合两方案的技术特点、经济性以及其他优缺点，对重力式组合装配挡土墙与重力式挡土墙进行技术经济对比分析，分析结果如表3所示。

表3 技术经济对比表

由表3可知，与重力式挡土墙相比较，重力式组合装配挡土墙具有一系列的优点，同时也具有一定的缺点，但总体而言其优势大于劣势。特别是建筑上使用的装配式结构[7-8]一般经济性稍差，与现浇结构相比需增加投资15%左右，而重力式组合装配挡土墙与重力式挡土墙相比，仍具有一定的经济优势。

4 结束语

重力式组合装配挡土墙是针对重力式挡土墙存在问题而提出的一种新的技术方案，作为装配式混凝土结构的新成员，其工作基本原理及支挡效果均与重力式挡土墙相当，且较传统的重力式挡土墙具有以下技术经济优势：

(1)可采用标准化设计，工厂加工生产，以产品的形式进行推广和应用。

(2)采用预制装配施工，工序简单，施工工期短，受外部环境因素干扰小，可避免路堑边坡因长期放置而导致边坡大变形、溜塌等病害现象。

(3)混凝土材料用量大大降低，同时利用弃土等作为墙体材料，可有效降低弃方量，符合节能减排、低碳环保要求。

(4)墙顶作为绿色植生空间，可成为景观设计平台，植物种类可选范围较广，景观效果良好。

(5)采用弃土、弃渣作为墙体材料，墙顶可不单独设置边坡平台，减少土方开挖量，具有较好的经济优势。

(6)采用在工厂内产品化、流程化生产，宜控制产品质量，且便于检测。

(7)具有较好的经济优势，可节省一定的投资。

重力式组合装配挡土墙作为装配混凝土结构的一种新技术，作为升级或替代重力式挡土墙的一种新技术，具有较大的市场空间和良好的应用前景，只是目前尚无应用实例。

目前国家对城市建设提出了低碳环保、节能减排的新要求[9]，而重力式组合装配挡土墙完全符合低碳环保、节能减排的需求，同时又具有快捷施工、质量可靠、投资较省等优点，建议推广应用重力式组合装配挡土墙，可收到良好的经济效益和社会效益。