箱型挡土墙发展现状及优化研究

（中铁磁浮交通投资建设有限公司，湖北省武汉市 430060）

摘要  箱型挡土墙多应用在库岸或河岸的特殊工点，通常墙体体积较大，需进行个别设计，而对于小体积的箱型挡土墙，受结构尺寸及配筋构造限制，其经济性较差，导致其推广应用有一定局限性。本文对箱型挡土墙的技术发展现状进行了梳理，并针对其技术特点，就其土压力计算、构造组成、结构尺寸、钢筋布置、施工工艺等几个方面进行了优化研究，土压力计算采用贮仓土压力，箱体与底板采用分离式设计，钢筋布置采用错排构造，施工采用预制装配施工。优化后，箱型挡土墙技术优势得到显著提高，其壁厚更薄，钢筋用量更省，质量更易控制，施工更快捷，更环保，其应用领域也得到了拓宽，特别是小尺寸的箱型挡土墙可以设计为薄壁结构，具有较好的经济优势，可替代现有的重力式挡土墙技术。

关键词  箱型挡土墙；发展现状；优化研究；理论分析 

中图分类号 U 213.1+52.2      文献标识码：A       

箱型挡土墙属于重力式挡土墙的范畴，主要由箱体和箱体内填土组成，如图1所示，依靠箱体和箱体内填土自重共同抵抗墙背土压力。箱体一般由钢筋混凝土板组成，箱底可以设置底板，也可不设置底板。设置底板时靠底板与地基土之间的摩阻力保持稳定，不设置底板时靠所有隔板底面积及箱内填土底面积共同与地基土之间的摩阻力保持稳定。箱型挡土墙早在上个世纪70时年代开始就有相关的应用实例，但多应用在库岸或河岸的特殊工点，通常墙体体积较大，需进行个别设计，而对于小体积的箱型挡土墙，受结构尺寸及配筋构造限制，其经济性较差，这导致其推广应用有一定局限性。箱型挡土墙在铁路交通领域应用尚不多见。从现有的研究资料来看，多认为箱型挡土墙施工技术要求较高，施工周期长，在墙体体积较小的情况下，往往其工程投资比素混凝土挡土墙要高很多，只有在当地石料资源缺乏或石料运输不便，且重力式挡土墙尺寸较大时，才考虑采用箱型挡土墙，具有节省圬工、投资较省的优点。

 

（1）立面图           （2）平面图

图1 箱型挡土墙典型图式

本文对箱型挡土墙技术发展现状进行了梳理，并针对其技术特点就其土压力计算、构造组成、结构尺寸、钢筋布置、施工工艺等几个方面进行了优化研究，得到了一些有益的结论。研究的目的在于突破箱型挡土墙应用的局限性，拓宽其应用领域，对箱型挡土墙推广和应用提供一定的技术支撑。

1  技术发展现状

1.1  应用现状

箱型挡土墙早在上个世纪70时年代就开始有相关的应用实例，木兰县五一水库溢洪道岸^[1]边坡采用了钢筋混凝土箱型挡土墙，该工点地基为岩石结构，箱型挡土墙结构设计上采用浅基础不封底，空箱内填满砂砾，用砂浆封顶，该工程于 1978 年修建，至今运用良好。

日本铁路边坡工程中采用了一种钢板制成的箱型挡土墙^[2]，该挡墙用压波纹钢板制成的方形筒，装配成连续体，其内填充现场砂土形成挡土墙，这是利用填充至箱型挡土墙的砂土的剪切抗力来抵抗外力，从而保持墙体稳定的一种钢制挡土墙。

近年来，国内陆续出现了一些箱型挡土墙的应用实例，多见于公路和水利行业：湘江大桥北引桥改造工程^[3]采用了设置底板的箱型挡土墙；大连国际储备库北区工程填方采用了一种命名为网箱挡土墙的箱型挡土墙^[4]，箱体采用钢筋网制成，箱内填充石料；渝西某公路路堑边坡采用了箱型阶梯式的挡土墙^[5]，墙体由多个无底板的混凝土箱体自下而上拼装而成；铁一院设计的侯月铁路某填方路基工点采用了有底板的箱型挡土墙^[6]，最大挡墙高度8m；铁四院申请了一种名为分节式预制空腹挡墙砌块及挡墙结构的专利^[7]，该结构采用多个箱体组合拼装而成；建材建华有限公司申请了一种名为装配式混凝土空箱挡土结构的专利^[8]，该结构采用多个无底钢筋混凝土箱体自下而上装配而成。

箱型挡土墙的应用实例在近年来不断出现，主要应用于水利的库岸、码头等特殊工点，在公路和铁路领域应用较为少见。

1.2 研究现状

关于箱型挡土墙的研究资料十分有限，从已有的研究资料^[9][10]来看，其研究尚停留在概念阶段，且基本参照重力式挡土墙理论对箱型挡土墙进行设计，这主要是因为箱型挡土墙与重力式挡土墙存在诸多的相似性。

箱型挡土墙的计算分为土压力计算和结构计算两部分，墙背土体及墙内填土土压力计算普遍采用库伦土压力或朗肯土压力，结构计算一般将前后板、侧板及底板分别拆分，简化为梁单元或板单元进行计算，计算简化模型多趋于保守。

箱型挡土墙设计分为整体稳定性设计（抗倾覆和抗滑移）和结构设计两个部分：整体稳定性设计方法步骤类同于传统重力式挡土墙；结构设计与传统重力式挡土墙的结构设计有较大的区别，传统重力式挡土墙为素混凝土结构，一般采用容许应力法进行设计，且只需验算墙身截面剪应力和拉应力即可，箱型挡土墙为钢筋混凝土结构，设计采用极限状态法，需进行抗弯、抗剪、最大裂缝宽度、挠度等验算。箱内填料设计一般采用分层填筑分层碾压，压实系数一般不小于0.90。

箱型挡土墙构造要求主要包括结构尺寸及配筋要求，组成箱体的钢筋混凝土板的厚度一般为20cm～30cm 厚，板内一般布置双层钢筋，钢筋保护层厚度、钢筋间距等均应满足混凝土结构设计有关要求。

2  优化研究

2.1 土压力计算优化

箱体内填土产生的土压力是控制箱体结构设计的主要荷载，目前箱体内填土土压力主要采用库伦或朗肯土压力计算，其计算结果偏于保守，考虑到箱体是有限空间，箱内填土为有限边界条件，这一点与贮仓相似，因此宜采用贮仓理论按下列式计算土压力：

 

 

 

式中：——竖向土压力(kPa)；

       ——腹内填土容重（kN/m3）;

       ——系数（1/m）；

       ——计算点距离墙顶的距离（m）；

       ——水平土压力（kPa）；

       K——静止土压力系数；

——空腹薄壁墙内敞口周长（m）；

——空腹薄壁墙内敞口面积（m²）；

 ——腹内填土与墙壁摩擦角，可取1/2填土内摩擦角。

某工况下箱体内填土土压力分布图，如图2所示，在填土5m深度处，库伦土压力是贮仓土压力的1.6倍，库伦土压力计算结果较为保守，采用贮仓土压力对箱型挡土墙进行设计，设计结果较为合理。

 

图2 土压力分布图

2.2 构造组成优化

箱型挡土墙一般采用有底板设计，底板与箱体通常采用固结连接，此时组成箱体的钢筋混凝土板均为双向受力板，板体双向承受正负弯矩，需双向布置双层主筋，钢筋用量较大，导致其经济性较差。

箱型挡土墙的工作原理是通过箱体保持箱内填土稳定，并共同形成整体抵抗墙背土压力，设置底板的目的是为了增加结构的整体性，降低基底压应力，提高挡墙自稳性，来满足地基承载力及稳定性要求。从底板的功能及作用而言，其与箱体连接不必采用固结连接，可采用分离式设计，将底板设置为L型或U型，如图3所示，这样在箱体内填土土压力作用下，组成箱体的钢筋混凝土板均为单向板。

 

图3 箱型挡土墙底板与箱体分离设计示意图

 

底板与箱体采用分离式设计，箱体的计算模型可简化为超静定框架结构，同时考虑不同工况情况，计算时按单边受力、双边受力、三边受力和四边受力分别计算。计算模型如图4所示。此时只需沿水平方向布置主筋，竖向布置分布钢筋即可。

 

a.计算简图           b.单边受力         c.双边受力

 

                  d.三边受力       e.四边受力

图4计算模型及受力工况图式

 

2.3 结构尺寸及钢筋布置优化

现行混凝土结构规范对于钢筋的净距以及钢筋保护层均有严格要求，不能小于规定的限定值，目的是确保骨料对钢筋形成有效的握箍力。采用双层钢筋通常需要同时布置拉筋，以形成钢筋笼骨架，拉筋的弯钩长度既要满足长度要求又要满足最小保护层厚度要求。为满足上述构造要求，箱型挡土墙的钢筋混凝土板厚度一般不小于20cm，而对于体积较小的箱体，箱体内填土土压力较小，结构内力较少，从受力而言板厚无需20cm，这导致小型的箱型挡土墙经济性较差，而大尺寸的箱型挡土墙因工点有限，限制了其推广和应用。

 

本文提出一种新的钢筋布置构造——错排构造，该构造可将混凝土板厚度减小至13cm，从而使得小尺寸箱型挡土墙也具有较好的经济性。以单向板为例，如图5所示，错排构造由正主筋、负主筋、弯起主筋、正分布钢筋和负分布钢筋组成。正主筋、正分布钢筋布置在薄壁构件正弯矩一侧，负主筋、负分布钢筋布置在负弯矩一侧，钢筋均应满足最小保护层厚度。正主筋和负主筋沿受力方向以一定的间距布置，在结构受力截面上为上下左右交错布置，以满足正负主筋最小钢筋净距要求。正分布钢筋和负分布钢筋垂直于主筋以一定的间距布置，在垂直受力截面上为上下左右交错布置，以满足正负分布钢筋最小钢筋净距要求。正主筋和正分布钢筋在薄壁混凝土结构正弯矩一侧形成正钢筋网，负主筋和负分布钢筋在薄壁混凝土结构负弯矩一侧形成负钢筋网。弯起主筋型桩为弓形，中间弯起段放置在正弯矩一侧，两边直线段放置在负弯矩一侧。正负钢筋网通过弯起主筋连接在一起形成钢筋笼骨架。采用本文钢筋布置构造，对于小尺寸的箱型挡土墙，混凝土用量可降低25～35%，钢筋用量可降低30～40%。

 

1—正主筋；2—负主筋；3—弯起主筋；

4—正分布钢筋；5—负分布钢筋

图5 错排构造钢筋布置图

 

2.4 施工工艺优化

箱型挡土墙现有的工程实例多采用现浇施工，立模工序较为复杂，施工工期较长，受外部环境因素干扰较大（如雨季、冬季），施工质量不易控制，会对周边环境产生一定的污染。近几年装配式结构在建筑行业发展较为迅速，并取得了丰硕的技术成果。箱型挡土墙由钢筋混凝土板组合而成，具备装配施工的条件，混凝土板可设计为标准构件，以产品的形式厂内加工再运至现场装配成箱体。

箱型挡土墙采用预制装配施工，与现浇施工相比较，具有工序简单，施工工期短，受外部环境因素干扰小，施工质量容易控制等优点。特别是在长大路堑工点，可有效避免路堑边坡因长期放置导致边坡出现大变形、溜塌等病害现象。

2.5 优化前后对比分析

通过对现有的箱型挡土墙技术的优化研究，其构造组成、设计理论、施工工艺等技术均有所创新，优化后的技术与原有的技术有相同点也有所区别，优化前后对比分析详见表1。

表1 箱型挡土墙优化前后对比分析表

优化后的箱型挡土墙技术优势得到显著提高，其壁厚更薄，钢筋用量更省，质量更易于控制，施工更快捷，更环保。其应用领域也得到了拓宽，特别是小尺寸的箱型挡土墙可以设计为薄壁结构，具有较好的经济优势，可用于一般支挡工点，替代现有的重力式挡土墙技术。

4 结论

本文对箱型挡土墙技术发展现状进行了梳理，并针对其技术特点，对其土压力计算、构造组成、结构尺寸、钢筋布置、施工工艺等几个方面进行了优化研究，研究结论如下：

1）箱内填土土压力计算宜采用贮仓土压力，其计算模型更符合有限填土的特性，计算结果更为合理。

2）箱体与底板宜采用分离式设计，此时箱体可简化为超静定框架结构模型进行计算，均按单向板设计，底板按弹性地基板设计。

3）对小尺寸的箱型挡土墙钢筋布置宜优先采用本文提出的错排构造，可有效减小结构尺寸和钢筋用量。

4）有条件的情况下宜优先采用预制装配施工，小型箱型挡土墙可采用标准化设计，以产品的形式进行推广和应用。

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