装配式波纹钢板挡土墙工程应用技术

韩 馨

(正平路桥建设股份有限公司 西宁 810008)

引言

在青海省高海拔、高寒冻土地区的公路建设中，边坡防护工程采用传统的混凝土或砌体结构挡土墙，由于气温低、温差大、冻土及其他因素等影响，施工困难，易造成构筑物强度低、裂缝、冻胀、变形、破坏等诸多质量问题，另外，大量开采砂石材料、环境恢复、维护量大等不利于绿色交通建设问题。针对特殊气候环境和地质条件下传统挡土墙的诸多问题，采用波纹钢板作为挡土墙面板，利用加筋土结构受力的原理，经过近几年来在高海拔、高寒冻土地区多项公路波纹钢板挡土墙实际工程中应用实践，克服了传统挡土墙难以克服的质量通病及运营安全等问题，取得了良好效果。

1 基本结构及截面

1.1 结构组成

波纹钢板挡土墙由基础或地基、波纹钢面板、筋带、面板与筋带连接螺栓、加筋体、排水系统、压顶帽石等组成。

1.2 基础

1.2.1 基础形式

一般采用混凝土不等边槽钢连接形基础、混凝土“L”形基础。一般采用明挖基础，波纹钢面板(墙身)地基为基岩(岩石)或稳定密实地基、波纹钢面板高度小于3.0m且地基稳定密实、位于砌体结构或混凝土结构之上时，不设混凝土基础。

1.2.2 基底纵坡

地基及基础、波纹钢面板(墙脚)底设置成水平或结合地形设置成台阶形的水平分段。设置台阶式地基时，地基顶面分段长度错台部位应与底层波纹钢板面板的竖向接缝位置一致。

1.2.3 基础埋深及基底承载力

基础埋深核基底承载力应符合现行行业标准《公路路基设计规范》JTG D30的有关规定。

1.3 截面形式

波纹钢板挡土墙加筋体的横截面型式一般采用矩形，如图1(a)所示。当受地形、地质条件等限制，如图1(b)所示，当墙体较低等条件如图1(c)所示的截面型式。

(a) (b) (c)

1—波纹钢面板墙体；2—筋带；3—加筋体填料 1— 一级坡；2—二级坡；3—砼平台；4—地面

1.4 多级坡结构截面

两级或多级坡面墙的上、下级墙体之间设置宽度不小于2m、厚度不小于15cm的C20混凝土平台及压顶如图2所示。平台外缘压顶伸出波纹钢面板(波峰)不小于5.0cm，平台及压顶的顶面应设置不小于2% 的排水横坡。混凝土平台及混凝土压顶以10～20m设置一道与波纹钢板接缝连接一致位置的伸缩缝，缝宽一般为2～3cm，采用沥青麻絮或其他新型填缝材料等填塞伸缩缝。

1.5 波纹钢面板厚度与墙高

波纹钢面板厚度和分级坡高度，以单块波纹钢面板单独受力、土压力均匀分布并由加筋体内的筋带平均承担。根据波纹钢面板内侧土压力强度、断面内弯矩、波纹钢面板容许弯拉应力、筋带容许应力及提高系数等因素计算波纹钢面板最小厚度和分级坡高度，当处于腐蚀环境时，其耐久性因素应适当增加波纹钢面板厚度，确保满足承载能力、稳定性、耐久性等要求。波纹钢面板壁厚、墙高如表1所示，但计算的波纹钢面板厚度小于表1所示最小厚度时应采用表1所示厚度。

表1 波纹钢面板壁厚、墙高推荐值

2 主要材料(构件)及技术要求

2.1 波纹钢面板

2.1.1 波纹钢面板钢材的选用

采用符合规定厚度和性能的热轧钢板为板材，按照规定的尺寸和波形参数轧制及冷弯成型、增加结构刚度的波纹钢板作为挡土墙面板。

波纹钢面板采用碳素结构钢时，一般宜选用Q235 钢牌号的钢材。采用低合金高强度结构钢时，宜选用Q355牌号的钢材。对耐腐蚀有特殊要求或处于侵蚀性介质环境中的波纹钢板挡土墙，波纹钢面板应采用耐候结构钢，宜选用Q235NH、Q355NH牌号的钢材。

Q235B级沸腾钢轧制的钢板(钢号：Q235AF-U12350、Q235BF-U12353)不宜用于环境温度低于-20℃的波纹钢板挡土墙结构。

2.1.2 波纹钢面板波形与尺寸

常用波形[1]及尺寸如表2所示。

表2 波纹钢面板波形结构参数

2.1.3 波纹钢面板螺栓孔布置

波纹钢面板与筋带连接结点(螺栓孔)布置，应充分考虑面板厚度、墙体高度、波纹钢面板容许弯拉应力等因素，水平和垂直结点间距如表3所示。筋带结点的螺栓孔径不大于螺栓公称直径3.0mm。

表3 波纹钢面板筋带结点间距推荐值

波纹钢面板搭接接缝(板侧边和板端头)处连接螺栓孔除利用筋带结点螺栓连接外，搭接连接螺栓孔的孔距应满足连接强度要求，孔径不大于螺栓公称直径3.0m。

2.2 筋带

2.2.1 筋带一般要求

筋带拉力及加筋体填料与筋带间的摩擦力，是保证波纹钢板挡土墙复合结构内部稳定的重要前提条件。筋带采用具有较高的强度、受力后变形小、能与加筋体填料产生足够的摩擦力，且抗蚀性能强，并便于接长与连接的拉筋带。常用的筋带为表面经热挤压而成的粗糙花纹和肋条的钢塑复合筋带。

2.2.2 筋带技术指标

筋带宽度大于或等于30mm、厚度大于或等于2.0mm、标准拉力大于或等于9.3kN、容许应力大于或等于100MPa、伸长率小于1%。

2.2.3 筋带长度

筋带总长度包括筋带在加筋体活动区的长度和在加筋体稳定区的有效锚固长度，非垂直(斜向)布置的筋带长度以垂直于波纹钢面板的距离为标准长度。波纹钢面板(墙体)高大于或等于3.0m时，筋带长度大于或等于0.8倍墙体高，且不小于5.0m；当采用不等长拉筋带时，同长度拉筋带的墙段高度不应小于3.0m；波纹钢面板(墙体)高小于3.0m时，采用长度不小于3.0m的等长拉筋带；筋带长度根据加筋体高度、筋带结点至加筋体顶面的垂直距离、简化破裂面的上段高度、填料内摩擦角、筋带在加筋体活动区和稳定区的长度等计算确定。筋带的计算长度大于规定长度时，采用计算长度；小于规定长度时，采用规定长度。

2.2.4 筋带宽度与根数

一个结点的筋带总宽度和筋带根数应根据结构重要性系数、筋带所承受的水平拉力、筋带有效长度所提供的抗拔力、土压力分项系数、填料与筋带间的似摩擦系数、作用于筋带上的竖直压应力、有效锚固长度、波纹钢面板上的水平土压应力、筋带容许应力和不同作用组合工况下的提高系数、筋带结点水平间距和垂直间距等计算，采用满足内部稳定性要求总宽度和根数的筋带。

2.2.5 筋带平面布置

筋带按结点分层水平布设于加筋体填料中。当加筋体填料采用粗粒土时或一个结点(螺栓)为1根筋带时，筋带布设垂直于波纹钢面板；当加筋体填料采用细粒土需提高抗拔稳定性或一个结点(螺栓)为2根及以上根数筋带时，筋带与波纹钢面板呈75°角度布置；当一个结点(螺栓)为多根及以上筋带时，筋带按扇形分开布置；当相邻波纹钢面板的夹角小于90°时，将不能垂直布设的筋带逐渐斜向布置，必要时在角隅处增设加强筋带。

2.3 连接件

2.3.1 筋带与波纹钢面板结点连接件

筋带与波纹钢面板结点连接，一般采用性能等级为8.8S或10.9S的高强度螺栓，规格应根据波纹钢面板波形参数、厚度和面板墙高等综合确定，如表4所示。螺栓尾端为三角形构造，筋带可自由穿入三角构造内，三角形内底边长应大于或等于筋带宽度。螺栓用钢垫圈，其外形设计应根据螺栓所连接的波纹钢面板的波缝或波谷处圆弧半径(弧度)一致的凸凹形。钢垫圈的孔径不大于螺栓公称直径3.0mm。

表4 筋带与波纹钢面板结点连接螺栓规格

2.3.2 波纹钢面板搭接连接件

波纹钢面板接缝(板侧边和板端头)搭接连接除了兼作筋带结点(筋带连接螺栓)一体化连接外，在筋带结点连接点之间采用的高强度螺栓性能等级和连接件规格(表4)与筋带连接件相同。高强度螺栓连接副组合和机械性能应符合现行国家标准《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》GB/T 1231的有关规定。

2.3.3 波纹钢面板与混凝土基础的连接件

当混凝土基础为非“L”形，波纹钢面板底端与混凝土基础采用预埋不等边槽钢和高强度螺栓连接时，槽钢底面焊接钢筋预埋与混凝土基础上。不等边槽钢内净宽应满足波纹钢面板的厚度和波高或波深要求，截面尺寸如表5所示。不等边槽钢力学性能应符合现行国家标准《冷弯型钢通用技术要求》GB/T 6725的有关规定。不等边槽钢螺栓孔布置与波纹钢面板上的螺栓孔一致，高强度螺栓性能等级和规格(表4)与筋带连接件相同，连接副组合和机械性能与波纹钢面板搭接连相同，凸凹型钢垫圈与筋带连接波纹钢面板结点连接件相同。

表5 不等边槽钢截面尺寸

2.4 加劲肋

当波纹钢板挡土墙面板较高采用不等边角钢或槽钢横向布置于波纹钢面板外侧和墙顶控制墙体线形和大面平整度时，其截面尺寸如表6所示，力学性能应符合现行国家标准《冷弯型钢通用技术要求》GB/T 6725的有关规定。

表6 加劲肋截面尺寸

螺栓孔布置与波纹钢面板上的螺栓孔一致。

2.5 排水渗滤管

当加筋体背后有地下水渗入或加筋体填料为细粒土时，波纹钢板挡土墙的墙背排水采用渗滤排水管代替滤水层时，采用镀锌螺旋波纹钢管，其波形和尺寸如表7所示。渗滤排水管的接长连接采用一段式波纹钢管箍连接，管箍长度不少于6个波距(≥408mm)，管箍扣件采用3个M12高强度螺栓连接。管箍的波形应与渗滤排水管的波形一致。

表7 渗滤排水管波形和尺寸

2.6 防腐材料及镀锌防腐

2.6.1 金属材料及构件镀锌防腐材料

波纹钢面板、金属连接件(螺栓、螺母、钢垫圈)、角钢、槽钢、渗滤排水管及管箍等，均采用热浸镀锌防腐，镀锌防腐层采用的锌应符合现行国家标准《锌锭》GB/T 470规定的0 号锌或1号锌技术指标要求。镀锌防腐层厚度及质量按现行国家标准《冷弯波纹钢管》GB/T34567的有关规定执行。

2.6.2 隐蔽部位现场二次喷涂防腐材料

当土体腐蚀性等级(表8)为中腐蚀性或弱腐蚀性时，为确保耐久性或延长使用寿命，在镀锌层表面采用环氧沥青或改性沥青二次喷涂防腐处理。采用环氧沥青时，其技术指标应符合现行国家标准《环氧沥青防腐涂料》GB/T 27806的有关规定，采用改性沥青时，其技术指标应符合现行国家标准《防水用弹性体(SBS)改性沥青》GB/T 26528的有关规定。

表8 土体腐蚀性等级指标

2.6.3 波纹钢面板外露面防腐涂装材料

当波纹钢面板外露面和加劲肋等需在镀锌层表面采用防腐涂装时，腐蚀环境、涂装材料的品种、规格、性能等应符合现行行业标准《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》JT/T 722的有关规定。

2.7 加筋体(防冻胀)填料

2.7.1 一般性填料

应优先选用有一定级配的砾类土、砂类土，粒径不大于分层压实厚度的2/3，且不应大于100mm。当缺乏砾类土、砂类土时，碎石土、黄土、中低液限黏性土、稳定土(水泥、粉煤灰、石灰和其他无机结合料的稳定土)及满足质量要求的工业废渣(粉煤灰及粉煤灰土、炉渣及矿渣)可采用。

2.7.2 防冻胀及排水填料

对防冻胀和排水反滤层要求的加筋体填料，采用非冻胀性、透水性的粗粒料，其含泥量和小于0.075mm颗粒含量应小于5%。

2.7.3 禁止填料

高液限黏性土及其它特殊土(如红黏土、膨胀土 、腐殖土、冻结土或冻土块、盐渍土、白垩土、硅藻土、有机料等)和垃圾土等禁止使用。

2.8 基础及附属工程材料

混凝土基础、混凝土平台及混凝土压顶帽石等的材料性能、质量和强度指标，按现行行业标准《公路路基设计规范》JTG D30的有关规定执行。

3 结构稳定性验算控制

3.1 一般要求

波纹钢板挡土墙设计采用以极限状态设计的分项系数法为主的设计方法。车辆荷载计算采用附加荷载强度法。并进行其承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算，以及抗滑稳定、抗倾覆稳定和整体稳定性等验算。

3.2 地基沉降控制

波纹钢板挡土墙位于软土地基或下卧层有软弱夹层的地基、地基应力接近地基允许承载力、基底的地基沉降不符合设计规定的要求等，均应按现行行业标准《公路路基设计规范》JTG D30的有关规定进行地基沉降计算。

3.3 作用(荷载)及其组合

施加于波纹钢板挡土墙的作用(或荷载)，按性质分为永久作用、可变作用和偶然作用[2]，各类作用(或荷载)分类及常用作用(或荷载)组合按现行行业标准《公路路基设计规范》JTG D30的有关规定确定作用(荷载)及其组合。

3.4 波纹钢面板厚度

作用于单板上的土压力视为均匀分布，波纹钢面板沿竖直方向和水平方向应分别计算内力。

3.5 内部稳定控制

在压实土层(土体)中加入筋带(拉筋带)，利用筋带与压实土层之间的摩擦作用，改善土体的变形条件和提高土体的工程特性，从而达到稳定土体的目的。

内部稳定验算[2]控制主要包括：筋带抗拉承载力验算、抗拔验算，并确定筋带的截面积、筋带长度。筋带截面计算时，应考虑车辆(或人群)附加荷载引起的拉力。筋带锚固长度计算时，不计附加荷载引起的抗拔力。

3.6 外部稳定性控制

外部稳定验算[2]控制主要包括：基底地基承载力验算、加筋体沿基底抗滑动稳定性验算、抗倾覆稳定性验算、整体滑动稳定验算；地基下可能存在深层滑动时，应进行地基与波纹钢面板(墙)背后加筋体的整体滑动稳定验算。当受地震作用时，按现行行业标准《 公路工程抗震规范》JTG B02 的有关规定进行抗震验算。

3.7 抗冻胀力控制

基础或波纹钢面板(墙脚)底端埋深在冻结深度(线)以下规定深度时，可不考虑基础或波纹钢板底端切向冻胀力的影响。

抗冻及抗冻胀力计算按现行国家标准《水工建筑物抗冰冻设计规范》GB/T 50662的有关规定及挡土(结构)墙水平冻胀力计算和现行行业标准《公路路基设计规范》JGT D30有关冻土地区路基设计规定执行。

4 装配化施工工艺技术

4.1 波纹钢面板装配化安装施工技术要点

4.1.1 一般要求

波纹钢面板安装时，可采用小型汽车吊吊装、钢管支架临时支撑、人工辅助作业的方法进行。

安装前，复核测量放样、平面位置(坐标)、安装部位、标高等。

混凝土基础上安装波纹钢面板时，混凝土强度达到设计强度等级的80%以上进行安装。

波纹钢面板安装时，应预置向内倾斜1︰0.02～1︰0.05的仰斜坡，以确保波纹钢面板在墙背回填后垂直度或坡度符合设计要求。

4.1.2 混凝土基础上的安装与护脚

对混凝土基础上预埋不等边槽钢的波纹钢面板安装，波纹钢面板竖向波纹逐片排列立置安装于不等边槽钢内，波纹钢面板波峰处采用高强度等级螺栓连接于槽钢的高边，安装完成对螺栓扭矩(表9)检查合格。

对无槽钢连接的“L”形混凝土基础，波纹钢面板竖向波纹逐片排列立置于基础内侧的低侧顶面位置上，并紧靠于基础高边内侧面安装。

波纹钢面板立直安装与基础之上后，在混凝土基础顶面后浇C25混凝土护脚，后浇混凝土与基础同宽，高度应自混凝土基础顶面以上不小于15cm。

4.1.3 波纹钢面板接缝连接

波纹钢面板上、下层和同层搭接连接的横缝、竖缝呈“T”形缝连接形式，上、下层波纹钢面板的搭接连接缝处不得重叠四层波纹钢面板；波纹钢面板连接接缝处兼作筋带结点的连接螺栓一体化连接，非筋带结点的螺栓孔位置采用高强度螺栓连接。螺栓扭矩如表9所示。连接螺栓扭矩检查方法按现行国家标准《钢结构工程施工质量验收标准》GB 50205规定的方法执行。

表9 波纹钢面板搭接连接螺栓扭矩

4.1.4 加劲肋安装

加筋肋横向通长布置于波纹钢面板(墙体)外侧，位置安装于同一排(层)筋带连接结点螺栓连接一体，相邻加劲肋间距不宜大于3.0m。最底层加劲肋距波纹钢面板底端头不大于3.0m、最上层加筋肋距波纹钢面板顶端头不大于2.0m。波纹钢面板(墙身)顶端头采用不等边角钢或槽钢、高强度螺栓连接通长压顶。

4.2 筋带连接、铺设安装

筋带连接安装随加筋体分层填筑同步进行。

波纹钢面板一个结点(螺栓)的筋带采用双根或多根整长筋带时，整根筋带长度范围内不设筋带接头连接，将筋带穿入螺栓尾端三角框内“回头”呈双根整长连接形式。

采用单根整长筋带穿入螺栓尾端三角框内“回头”段的端头，采用筋带扣连接。

当路基两侧均有波纹钢板挡土墙且拉筋带贯通整个路基时，每一结点的拉筋带贯通拉住两侧波纹钢面板。当路基两侧波纹钢板挡土墙的筋带长度不足、不能贯通拉住两侧波纹钢面板时，拉筋带尾端相互重叠时，应错开，避免重叠。

在每一层筋带填料压实完成后，应对连接螺栓(波纹钢面板外侧)的螺母进行复拧紧，达到筋带螺栓受力均匀，拧紧力不超过筋带计算拉力，且不小于筋带计算拉力的5%。

4.3 现场防腐喷涂(涂装)技术要点

4.3.1 一般要求

波纹钢板挡土墙所处土体(环境)的腐蚀性等级为弱腐蚀性环境时，仅镀锌防腐可满足使用耐久性要求，可不考虑现场防腐涂装。

波纹钢面板背面和墙前地面以下(隐蔽)部位、螺旋波纹钢管及管箍(渗滤排水管)在加筋体填筑前，对与回填土接触面及连接螺栓进行现场防腐喷涂处理。

防腐喷涂(涂装)采用专用机械喷涂。遇下雨雪天、大风沙天气、扬尘或气温低于0℃时，严禁进行防腐喷涂(涂装)施工。

4.3.2 隐蔽部位防腐喷涂

当波纹钢板挡土墙处于中腐蚀等级时，采用改性沥青进行防腐涂装，总干膜平均厚度不宜小于1.0mm；处于强腐蚀等级时，采用环氧沥青进行防腐涂装，总干膜平均厚度不宜小于2.0mm。

4.3.3 外露面防腐涂装[3]

纹钢板墙外侧外露面及外侧干湿交替区域采用防腐涂装时，普通型和长效型涂装总干膜平均厚度分别不小于210μm 和240μm；干湿交替区域涂装总干膜平均厚度不应小于450μm。所有总干膜最小厚度不应小于平均厚度的90%。

4.4 排水与防冻胀施工技术要点

4.4.1 一般要求

当加筋体背后有地下水渗入或加筋体填料为细粒土时，应防止波纹钢面板(墙体)后积水形成静水压力，减少寒冷地区回填土的冻胀压力或消除加筋体填料侵水后的膨胀压力。对可能危害波纹钢板挡土墙加筋体的地下水和地表水，应采取有效的防水或排水技术措施。

排水与防冻胀施工，与加筋体填筑同步进行。

当地下水较丰富或渗水量较大时，设置反滤层作为排水构造的组成部分，在加筋体底层采用透水性的粗粒料铺压厚度不小于50cm的反滤层(渗水层)或加设纵向渗(盲)沟[4]，将地下水渗排出至挡土墙外。

4.4.2 渗滤排水管排水

当加筋体填料为非透水性细粒料时，采用渗滤排水管代替粗粒料反滤层时，在波纹钢面板背后纵向布置渗滤排水管，渗滤排水管主管应延伸到能将渗水排出到墙体外，纵向主管坡度宜为2%～4%。与主管连接的立直支管间距宜为400～500cm。当波纹钢面板设有排水孔时，立置支管间距与排水孔一致，并与排水孔的管连为一体。渗滤排水管外部包裹透水土工布防渗滤孔堵塞。

4.4.3 防冻胀

加筋体设计有防冻胀要求时，应在波纹钢面板背后(加筋体侧)采用非冻胀性粗粒土防冻胀(隔断)层填筑，距波纹钢面板的宽度应不小于当地的最大冻深值。防冻胀(隔断)层顶部和加筋体顶层封填厚度不小于30cm的黏土隔水层[5]。地基及基础的防冻胀，地基或基础底面的标高应控制在冻结深度(线)以下规定深度。

4.5 加筋体填筑施工技术要点

4.5.1 一般要求

加筋体填筑施工，与防冻胀、排水同步进行。同一层加筋体填筑应采用同一种填料，种类或性质不同的填料不得在最小连续厚度范围内混合填筑。每种填料的填筑层压实后最小连续厚度不小于500mm。

加筋体填筑应水平分层、分段填筑，分层压实。机械压实的分层松浦厚度最大不超过20cm，打夯机具或人工夯实的分层松浦厚度最大不超过15cm。

加筋体填筑过程中，应防止波纹钢面板外倾或变形、拉筋带松动或破坏等，并进行监测。施工过程中波纹钢面板不得外倾(位移)，沉降变形超过墙(面板)高度的 0.5% 时，应立即停止加筋体填筑，并查明原因、采取有效措施纠正处理合格后再继续施工；当筋带松动或破坏等，应及时处理合格。

4.5.2 加筋体填压方法[6]

加筋体每层填料摊铺、碾压从拉筋带中部开始平行于波纹钢面板进行，先向拉筋带尾部逐步摊铺、压实，然后再向波纹钢面板方向逐步摊铺、压实。不得平行于拉筋带方向碾压。不得使用羊足碾、冲击碾碾压。严禁车辆在未经压实的填料上行走或靠近波纹钢面板处行走。

距波纹钢面板背后1.0m宽的分层填料压实，应使用打夯机具夯实或人工夯实，不得使用重型压实机械振动压实。

4.5.3 加筋体填筑压实度控制

加筋体填筑(包括防冻胀层、反滤层和黏土隔水层)压实度控制如表10所示。

表10 加筋体填筑压实度标准[3，4]

4.6 地基处理及基础与其他施工

波纹钢板挡土墙端头与路基边坡衔接的锥坡、混凝土平台及帽石、防护栏等施工及质量，冬期雨期施工、安全环保施工，按现行行业标准《公路路基施工技术规范》JTG/T 3610和《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》 JTG F80/1的有关规定执行。

5 结语

装配式波纹钢板挡土墙成功应用于大湟平安公路改造项目、S312线玛色公路、李坎公路、海东市平安区星光路等边坡工程。与传统的混凝土或砌体结构挡土墙相比，能大量减少砂石材料开采及大幅降低环境恢复工程数量，工厂化制造质量稳定，装配化施工工期短速度快效率高，减少大量施工机械设备和人工操作，工程造价和工后病害及养护成本大幅降低。

装配式波纹钢板挡土墙工程应用，解决了高海拔高寒区气温低、大温差及冻土地质等因素造成施工难度大、强度低、冻胀、裂缝、变形、断裂、工后病害多等问题。从工程质量、结构安全、经久耐用、施工周期、工程造价、节能环保等方面与传统的混凝土或砌体结构挡土墙相比有其独特优(特)点和更具有广泛的应用发展前景。