二级垛式悬臂式L型挡墙及其实施方法.pdf

本发明公开了一种二级垛式悬臂式L型挡墙及其实施方法。该复合挡墙由单级悬臂式L型挡墙呈上下砌垛方式组成上层单级悬臂式L型挡墙和下层单级悬臂式L型挡墙，利用上层单级悬臂式L型挡墙的底板形成卸荷平台。本发明还公开了这种二级垛式悬臂式L型挡墙的实施方法。本发明充分发挥了单级悬臂式L型挡墙结构简单轻型、节约用地、对地基应力要求不高、能适用交替变形和生态保护等特点，在既利用悬臂式挡墙较高的抗倾覆能力和抗滑特性，又能在充分利用墙后填土自重的前提下提高其支挡的高度。

1.  一种二级垛式悬臂式L型挡墙，其特征在于：由单级悬臂式L型挡墙呈上下砌垛方式组成上层单级悬臂式L型挡墙和下层单级悬臂式L型挡墙，利用上层单级悬臂式L型挡墙的底板形成卸荷平台。

2.  根据权利要求1所述的二级垛式悬臂式L型挡墙，其特征在于：由多个所述的上层单级悬臂式L型挡墙平行并连为一体；每2~3片所述的上层单级悬臂式L型挡墙通过连接环和连接筋相连。

3.  根据权利要求1所述的二级垛式悬臂式L型挡墙，其特征在于：由多个所述的下层单级悬臂式L型挡墙平行并连为一体；每2~3片所述的下层单级悬臂式L型挡墙通过连接环和连接筋相连。

4.  权利要求1所述的二级垛式悬臂式L型挡墙的实施方法，其特征在于：可分别异地预制上层单级悬臂式L型挡墙和下层单级悬臂式L型挡墙，再进行现场拼装。

5.  根据权利要求4所述的二级垛式悬臂式L型挡墙的实施方法，其特征在于，包含以下步骤：
A.根据设计图纸，预先扎制钢筋骨架，模板制作、浇注混凝土，拆模养生；
B.进行基槽开挖、地基处理及防排水；
C.清方之后，抄平放线，用吊机吊装安放L型预制挡墙块；
D.采用透水性强，易排水、抗剪强度大且稳定的填料墙背填料；
E.整坡和景观恢复。

二级垛式悬臂式L型挡墙及其实施方法
技术领域
本发明涉及路基工程技术领域，具体地说，是二级垛式悬臂式L型挡墙及其实施方法。
背景技术
工程中采用的挡土墙类型很多，通常按结构型式、建筑材料、墙背形状、墙在断面上所处的位置、施工方法及环境条件等进行分类。按结构型式，挡土墙可分为重力式(包括衡重式)挡土墙和轻型挡土墙。
一直以来我国路基支挡工程中应用较多的是重力式挡土墙，近几十年来，发展了许多采用钢筋混凝土构件组成的轻型挡土墙，如钢筋混凝土悬臂式挡土墙、加筋土挡土墙、锚定板挡土墙、锚杆(索)挡土墙、土钉墙、对拉式挡土墙及带卸荷板式挡土墙等。
近年来，悬臂式L型挡墙(如图1所示，由墙趾板1、立臂2、墙踵板3和凸榫4组成)作为一种新型的支挡结构，它充分利用墙后填土的自重来平衡土压力，其轻型、柔性的力学特点使其具有地基适应性强和适应交替变形的优点，此外，还具有断面简单、预制拼装、施工方便等工程特点。在铁路、公路、市政和水利工程中都有应用中，甚至在兰新铁路被用于挡风支挡结构。
多年的实践表明，单级悬臂式L型挡墙无论是在理论还是在实际应用中都有了比较完善的经验可循。但从结构本身的受力特性而言，单级悬臂(扶壁)式挡墙的主要缺点在于：过高的悬臂将使结构承受较大的弯矩和剪力。根据《铁路路基支挡结构设计规范》(TB10025-2001)，其最大高度为6m，当超过6m的时候要增设扶壁，即使增设了扶壁，其高度也增加有限。相应于高陡边坡支护、施工场地狭小和工程绿化的角度，单级悬臂式挡墙的工程应用就受到了极大的限制。
发明内容
本发明克服了上述缺点，提出了一种二级垛式悬臂式L型挡墙。
为了进一步提高悬臂式L型挡墙的支挡高度，扩大其应用范围，充分发挥运用这种支挡结构简单轻型、节约用地、对地基应力要求不高、能适用交替变形和生态保护等特点，在既利用悬臂式挡墙较高的抗倾覆能力和抗滑特性，又能在充分利用墙后填土自重的前提下提高其支挡的高度，提出二级垛式悬臂式L型挡墙这一新型支挡结构是非常必要的。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种二级垛式悬臂式L型挡墙，其特征在于：由单级悬臂式L型挡墙呈上下砌垛方式组成上层单级悬臂式L型挡墙和下层单级悬臂式L型挡墙，利用上层单级悬臂式L型挡墙的底板形成卸荷平台。
由多个所述的上层单级悬臂式L型挡墙平行并连为一体；每2~3片所述的上层单级悬臂式L型挡墙通过连接环和连接筋相连。由多个所述的下层单级悬臂式L型挡墙平行并连为一体；每2~3片所述的下层单级悬臂式L型挡墙通过连接环和连接筋相连。这样，构成实用的挡墙结构。
上述二级垛式悬臂式L型挡墙的实施方法，先分别预制上层单级悬臂式L型挡墙和下层单级悬臂式L型挡墙，再进行就地整体浇筑。具体可以采用以下步骤：
A.根据设计图纸，预先扎制钢筋骨架，模板制作、浇注混凝土，拆模养生；
B.进行基槽开挖、地基处理及防排水；
C.清方之后，抄平放线，用吊机吊装安放L型预制挡墙块；
D.采用透水性强，易排水、抗剪强度大且稳定的填料墙背填料；
E.整坡和景观恢复。
本发明所得的二级垛式悬臂式L型挡墙的分析方法如下：
1)力学分析模型和理论解析
第一种分析方法：分级墙背条件下的理论解析
(a)二级垛式悬臂式L型挡墙上墙土压力计算
对于二级悬臂式挡墙上墙而言，其土压力的计算方法同一级悬臂式挡墙的计算方法一致，不再赘述。
(b)二级悬臂式挡墙下墙土压力计算
那么对于下墙而言，首先要判定下墙是否会产生第二破裂面，判断方法同单级悬臂式挡墙。从简化计算角度考虑，采用填土面表面水平的情况。
当产生第二破裂面时，即，为了简化计算以及从安全性考虑，可以将上墙荷载按等效的均布荷载计算作用于挡土墙的土压力，那么作用于挡墙上计算土压力应该比实际土压力要大，偏于安全，具体见计算简图4。
则破裂面与竖直面夹角：

土压力计算公式为：
Ea=12γH1(H1+2h0)Ka---(2)]]>
其中，不同方向土压力可采用下述公式：
E_x＝E_acos(α_i+)          E_y＝E_asin(α_i+)         (3)
土压力作用点位置为：
Zx=H13(1+h0H1+2h0)]]>Z_y＝B-Z_xtanα_i     (4)
当不产生第二破裂面时，悬臂式挡墙墙底与墙顶连线作为计算墙面进行计算，那么β＝a_i，其他同。
第二种分析方法：假想整体墙背条件下的理论解析
当二级悬臂挡墙整体作用时，由于有减压平台，挡土墙的计算墙面为一个折线形的墙面，土压力计算时采用的是非直线墙面上的土压力计算方法，计算简图见图4。因此对于这一新型悬臂式支挡结构形式，将采用类似于有减压平台的挡土墙的土压力计算方法，如下所述。
(a)滑动面倾角θ的计算
填土的滑动面EF通常通过挡土墙E点，因此滑动土体应为GCDEF，如上图所示，但是为了计算方便起见，在确定滑动面倾角θ时，可近似地将CD面向下延长，与滑动面EF相交于J点，而以土体GCDJF作为滑动土体。此时J点的位置可以这样近似地来确定，即从墙角E点作平面EF，与水平面成夹角然后将平面CD向下延伸与EF面相交，交点即为J点。
由上图可见，DJ线段的长度为
DJ‾=DK‾-KJ‾,]]>而DK‾=H3,]]>EK‾=H3tana3,]]>得到

式中，α₃-墙面DE与竖直平面之间的夹角(°)
所以

从上图中，从F点作水平面FM与DC面的延长平面DM(竖直平面正交于M点)，由图中的几何关系可知，滑动土体的体积为
V=12[(btanβ+H1)2gsinacosβcos(a+β)+(btanβ+H1+H2+H4)B]---(7)]]>
式中，H₁，H₂，H₄-分别为墙段AB，CD和DJ的高度(m)；β-填土表面与水平面的夹角；B----FM的长度；α----计算墙面GC与竖直面的夹角
令
A=(btanβ+H1)2gsinacosβcos(a-β)D=btanβ+H1+H2+H4]]>
则滑动土体的体积为：
V=12(A+DgB)---(8)]]>
故填土的主动土压力可表示为：(具体的计算方法参考非直线墙墙面上的土压力计算方法)
E=γλ0V=γλ012(A+DgB)---(9)]]>
式中，λ₀-土压力系数，其值为

式中，a_c-从G点到J点各段计算墙面与竖直面夹角的加权平均值，即
ac=arctan[H1tanα+H2tanα2+H4tanα3H1+H2+H4]]]>
θ-填土滑动面JF与竖直面的夹角
δ_c-填土与各段计算墙面的平均摩擦角，即

根据极值条件dEdB=0,]]>可得：

式中，γ----填土的容重(KN/m³)；λ₀-土压力系数，按上式λ₀的算法求得，但式中a_c＝α，δ_c＝；V₁-计算墙段GC时的滑动土体GCH，即
V1=ΔGCF=12(A+D1B)]]>
其中A=(btanβ+H1)2gsinacosβcos(a+β)D1=btanβ+H1]]>
式中，b-减压平台的宽度(m)，即AG水平距离。
土压力E₁沿GC面呈三角形分布。
(c)作用在CD墙面上的侧向土压力
由于CD墙面是竖直的，故a₂＝0，因此作用在CD墙面上的土压力强度为
e2=γλ0(A1H1+z)cosβsinθcos(θ+β)---(14)]]>
式中，A1=cos(α-β)cosαcosβ-1.]]>则作用在CD墙面上的总侧向土压力
E2=γλ0cosβsinθcos(θ+β)[A1H1H2+(H1+H2)2-H122]---(15)]]>
侧向土压力e₂和E₂与墙面CD的法线成δ角(d)作用在DE计算墙面上的侧向土压力作用在DE计算墙面上的侧向土压力强度
e2=γλ0(A2(H1+H2)+zcosα3)cos(α3-β)sin(θ+α3)cosα3cos(θ+β)---(16)]]>
式中，A2=cos(αc2-β)cosαc2cos(β-α3)-1cosα3;αc2=H1tanα1H1+H2]]>则作用在DE计算墙面上的侧向土压力为：
E3=γλ0[A2H3(H1+H2)+(H1+H2+H3)2-(H1+H2)22cosα3]cos(α3-β)sin(θ+α3)cosα3cos(θ+β)---(17)]]>
2)数值分析方法
可将纵横比很大的L型挡土墙简化为二维的平面应变问题。数值分析中采用弹塑性模型、Mohr-Coulomb屈服准则、相关联的流动法则，并考虑了几何非线性。由于土和钢筋混凝土的变形模量存在较大的差异，为了提高分析质量，使其切合实际情况，需要在挡土墙结构和土的界面上设置Goodman接触面单元。
与图2中现有的卸荷板重力式挡墙结构相对比，本发明的优点如下：(a)利用上层单级悬臂式L型挡墙的底板形成卸荷平台，减少土压力；(b)充分利用了填土自身的抗力作用并减小了下墙土压力，突破了单级悬臂式L型挡墙墙高不大于6m的界限；(c)避免了传统卸荷板重力式挡墙对较大地基承载力的要求，适用于石料缺乏和地基承载力较低的高填方地段；(d)由于进一步利用了填料的自重作用，二级L型挡墙底板可以不再设置凸榫。
附图说明
图1是现有的单级悬臂式L型挡墙的结构示意图。
图2是现有的卸荷板重力式挡墙结构示意图。
图3是本发明的二级垛式悬臂式L型挡墙的结构示意图。
图4是链接环细部构造图。
图5是图4的主视示意图。
图6是图4的侧视示意图。
图7是二级垛式悬臂式L型挡墙下墙土压力简化计算简图。
图8是二级垛式悬臂式L型挡墙假想整体墙背土压力计算简图。
图9是本发明的二级垛式悬臂式L型挡墙实施方法的流程图。
附图标记说明：1.墙趾板；2.立臂；3.墙踵板；4.凸榫；5.墙趾；6.填土；7.卸荷板式挡土墙；8.卸荷板；9.上层单级悬臂式L型挡墙；10.下层单级悬臂式L型挡墙；11.链接环；12.链接筋。
具体实施方式
实施例1
如图3所示，单级悬臂式挡墙可采用就地整体浇筑和预制拼装式结构，二级垛式悬臂式L型挡墙宜采用预制拼装式结构。采用拼装式施工时，首先根据墙体设计高度，分别预制上下L型挡墙。每一单元墙体宽度可根据车辆运输能力，分为1.0~2.0m不等，然后运至施工现场完成挡土墙结构的拼装，但拼装式挡土墙不宜在地质不良地段和地震烈度大于等于8度的地区使用。
如图9所示，施工工序主要包括墙体预制、基槽开挖、地基处理、防排水设施、预制件的运输与拼装、填料摊铺与压实、景观恢复等，其施工工艺流程如图9所示。而二级挡墙与单级挡墙的区别就在于完成了下墙的施工进度以后才能做上墙的施工，也就是说在施工完下墙以后，然后再进行上墙结构拼装、回填，最后进行景观恢复。
1)L型挡墙的预制
根据设计图纸，主要步骤包括：预先扎制钢筋骨架，模板制作、浇注混凝土，拆模养生。
(a)钢筋骨架制作
钢筋骨架制作包括钢筋加工、调直、切断、弯钩、绑扎成型等，均应用冷加工的方法进行，并应符合下述要求：
①钢筋浮皮、铁锈、油渍、污垢等应清除干净；钢筋应平直，无局部曲折。
②采用冷拉法调直钢筋时，I级钢筋的冷弯率不宜大于2％；II~III级钢筋不宜大于1％。
③钢筋应按所需下料长度加工。
④预制成的钢筋骨架，必须具有足够的刚度和稳定性，以便在运送、吊装和浇筑混凝土时不致松散、移位、变形。一般光面受力钢筋均应在末端设弯钩。必要时可在钢筋骨架的某些连接点处加以焊接或增设加强钢筋。
⑤为保证受力钢筋的混凝土保护层厚度及钢筋的间距，应在钢筋与模板间设置垫块，垫块应与钢筋扎紧，并互相锚开，间距不能过大，以达到支垫的效果。
(b)模板制作与安装
为使挡土墙墙体光滑整洁，尺寸准确，宜优先采用通用化组合钢模，刚模板具有质量高，拆装方便、快速，可多次周转使用，节省木材等优点。刚模板宜采用标准化的组合模板，主要由平面模板、连接件和支承件三部分组成。模板的槽板制作宜采用冷轧冲压整体成型的生产工艺，沿槽板纵向两侧的凸棱倾角，应严格按标准图尺寸控制；模板的组装焊接，宜采用组装胎具定位及合理的焊接顺序；U形卡应采用冷作工艺成型，卡口弹性夹紧力不应小于1.5KN，其圆弧半径应符合设计要求，且不得出现非圆弧形的折角皱纹；刚模板及配件的表面，必须除去油污、锈迹后再作防锈处理。
(c)水泥混凝土配合比设计
水泥混凝土由水泥、粗骨料、细骨料和水组成。为了改善混凝土拌合物的某些性能，必要时可以掺加适量的外加剂。由于混凝土的性能很大程度上取决于水泥的质量，同时，在混凝土组成材料中，水泥所消耗的费用最高。所以在选择混凝土组成材料时，对水泥品种和强度等的选择必须特别慎重。通常配置C30以下混凝土时，水泥强度为混凝土抗压强度的1.2~2.2倍；配置C30以上混凝土时，为混凝土抗压强度的1.1~1.5倍。当水泥强度等级与混凝土强度等级相接近或略小时，除水灰比要小且浇筑时应施以强力振动捣实外，还必须掺加早强剂。挡土墙混凝土使用的粗骨料，可以使碎石或卵石，应质地坚硬、耐久、洁净。为获得密实、高强的混凝土，并能节约水泥，要求粗细骨料组成的矿质混合料要有良好的级配。挡土墙混凝土选用的细骨料，应采用级配良好、质地坚硬、颗粒洁净、直径小于5mm的河砂。
混凝土配合比设计就是合理选择混凝土各组成材料，并根据挡土墙设计制定的混凝土性能和经济性原则，确定混凝土各组分的最佳配合比和用量。具体可依据规范和规程。
(d)混凝土浇筑
混凝土浇筑应均质密实、平整，无蜂窝麻面，不露筋骨，强度符合设计要求，做到搅拌均匀、振捣密实、养生及时。浇注过程应注意以下几点：
①由于实验室提出的混凝土配合比是骨料表面干燥时的理论计算配合比，因此在施工过程中，应经常检查粗、细骨料的湿度，并据此将原定设计配合比换算为施工配合比。
②若使用商品混凝土，则混凝土的运输能力应适用混凝土凝结速度和浇筑速度的需要，使浇筑工作不间断并使混凝土运到浇筑地点时仍保持均匀性和规定的塌落度，做到有序配合，互不影响。
③浇筑混凝土之前，要仔细检查模板及钢筋位置等是否变化，发现问题应及时纠正，同时模板内的杂物、积水和钢筋上的污垢应清理干净；模板内面应涂刷隔离剂；并应对混凝土的均匀性和塌落度进行检查。
(e)拆模养生
根据混凝土标号和养护龄期与设计强度的关系，按规定方法进行拆模养护。寒冷地区须进行蒸汽养护。
2)基槽开挖、地基处理及防排水
(a)基槽开挖
基础的各部尺寸、形状以及埋置深度，均应按照L型挡墙底板尺寸的设计要求进行施工。宜采用机械化快速施工方法，集中力量，迅速完成。其程序包括松土(连同弃土通道部分)和弃土两部分。
①松土作业
开挖方式：对浅堑可先基底后边坡；对深堑，宜先边坡后基底。但无论何种方式，均应在基面位置拉出一定宽度的排水槽。
开挖方法：可用镟挖钻机，进行开挖成形。
②弃土作业
地表部分可用的松方，横向推置于堑测开挖界限米外；上限以下含土冰层或饱冰冻土视路堑长度，采用纵向一次推出或设横向通道(锁口)分段推出的方法，推弃于堑外适当地点。弃土时应注意不影响回填时排淤作业和不留隐患。
锁口的设置应与路堑开挖的松土作业同时进行，间距一米左右为宜，一米以下的路堑，宜两端相向开挖，并在堑口下方设锁口；一米以上的长堑，可分段开挖，增设中部横向锁口。推土应由高往低拉槽推送。
(b)地基处理
在软弱地层条件下，应根据地基承载力的设计要求，按设计进行地基土换填、堆载预压、强夯、水泥土搅拌等多种方法进行地基处理。
(c)防排水处理
挡土墙施工时，应按设计设置排水设施，并应采取措施，疏干墙后填料中的水份，防止墙后积水，避免墙身承受额外的静水压力，减少季节性冰冻地区填料的冻胀压力。路堑墙墙后的地面，在施工时应先做好排水处理，设置排水沟，引排地面水，夯实地表松土，减少雨水和地面水下渗，墙趾前的边沟应与铺砌加固。
挡土墙墙面设置泄水孔，最下一排泄水孔应高出施工后的实际地面线30cm，若为出水口应高出边沟水位30cm，泄水孔尺寸视泄水量大小而定，孔底一般应有向外的排水坡，上下泄水孔错开布置。在施工中，墙身现浇的话应按设计要求进行泄水孔的预留或预埋，当为预制时，应按面板排列位置，在预制过程中预留孔位。
当墙后填料为渗水土时，为防止堵塞，可以在泄水孔进水端设置砂砾反滤层，并在最下一排泄水孔的下端设置隔水层，进行捣实，防止水分渗入基础。如果墙后水量较大，可在排水层底部加设纵向渗沟，配合排水层把水引出墙外；反滤层的粒径宜在0.5~50mm之间，符合一般级配要求，并筛选干净，可用薄隔板按各层厚度隔开，自上而下逐步抽出隔板，以达到要求。
3)拼装
清方之后，抄平放线，用吊机吊装安放L型预制挡墙块。
一般需利用吊车借墙体上预埋的吊钩吊起，吊钩的位置应按设计形式安置，以免起吊点与设计不符。
选择合理的运输形式，可以保证预制品在运输过程中不变形和不受损坏，在装载时应使制品的布置对称与车身，制品应按照它本身安装时的支撑形式搁置在垫木上，以免使混凝土因承受设计上未考虑到的应力而损坏，装载后必须用各种固定件固定，并用草垫或其他柔软物垫住，以免震动破坏。
每完成一个安装单位，严格检查位置、高程、平整度和垂直度，确信无误后才能进行下个段落的安装。
4)墙背回填
墙背填料的选择是至关重要的，一般应选择透水性强，易排水、抗剪强度大且稳定的填料，由于碎(砾)石土、砂类土力学性能稳定、受水的影响较小，因此，墙后应优先选择透水性良好的砂类土、碎(砾)石土进行填筑。
墙后必须回填均匀、摊铺平整，分层填夯，每20~30cm一层，压路机夯压，平铺压实之后，继续下一层的填夯。
对于二级挡墙来说，下墙墙背填料填到距墙顶0.5m的时候压实度需达到95％以上，然后才可以进行上墙的施工，必要的时候还需进行加固措施，以保证上墙的稳定。
5)整坡和景观恢复
填料顶面应按设计要求设置横坡，一般为2％~3％。
根据地质和环境条件，在坡面上栽种适宜植物或铺设草皮，以保持水土、恢复景观。
以上对本发明所提供的二级垛式悬臂式L型挡墙及其实施方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。