卸荷式挡墙结构研究综述

涂文睿，魏松 （合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230008）

1 卸荷式挡墙结构国内外发展现状

卸荷式挡墙是一种在墙背设置卸荷板或卸荷平台来减少墙体所受总侧向推力，同时利用卸荷板上方填土自重来优化挡墙整体位移的挡土结构。早在1927年，西澳大利亚大学的学者就开始研究带卸荷板的挡墙结构[1]。在国外，卸荷板式挡土结构最早应用于水工岸壁工程，1951年前苏联学者M.E.克罗烈等人在其所著的《滑坡及其防治》一书中就提出了加设伸到滑裂面以外的长卸荷板的治理方式来处理铁路工程中个别特殊边坡条件。1961年沙湖年慈等所著的《苏联铁路滑坡的防治经验》一书介绍了苏联学者在战后针对加设长卸荷板的挡土墙的研究与发展。在上个世纪70年代，印度学者针对悬臂式挡土墙上加设卸荷板进行过相关研究，并做了一些实践探究[2]。

在国内，卸荷板式挡墙结构首先应用于港工方面，如重力式码头、坞墙等结构。上个世纪60年代，吴宗俭[3]首次提出了衡重式挡土墙。随后，周镜等人[4]对衡重式挡墙进行了模型试验，改良了在一般荷载下土压力的计算方法，加速了衡重式挡墙在铁路领域的应用。在之后的侯月铁路、枝柳铁路与南昆铁路等工程的建设中，采用卸荷式挡土墙代替重力式挡土墙可明显减少开挖土方，降低造价节省工期[5]。此外，卸荷板—托盘式路肩挡土墙首次应用于南昆铁路的建设中，此类结构综合了以上两种挡土墙的优点，适用于陡坡地段。经实践证明，与衡重式挡土墙相比，此类结构可节省30%～50%的圬工，具有显著的经济价值[6]。对于一些特殊的工程条件，刘国楠[7]首次提出了衡重式桩板挡墙来取代锚索板桩挡墙结构，该类型挡墙已在深圳地区多个工程项目中得到成功运用。2016年，在浍河南坪船闸工程设计中首次采用了卸荷板式闸墙，与不使用卸荷板的方案相比，该方案可节省大量建材，同时其抗浮稳定性系数也有一定的提升[8]。未来几年，根据安徽省水运规划，淮河航道、江淮航道、引江济巢航道等沿线将有十多座船闸新建或改建。考虑到节省投资的因素，若可进一步推广应用该技术，改进整体式船闸断面设计，大多数船闸设计都可以采用卸荷板式结构，其具有较高的经济价值。

2 卸荷式挡墙结构研究

国内外学者对卸荷式挡墙结构的研究大多从卸荷板卸荷效应、挡墙结构优化以及土压力分布规律三个方向入手，对近几年的研究成果进行集中归纳。

2.1 卸荷板卸荷效应研究

卸荷板的卸荷效应即加设卸荷板对挡墙墙体所受侧向推力的卸荷能力。自1973年Chadhuri[9]首次针对卸荷板对挡土墙上侧向土压力卸荷效果进行研究，许多学者开始对这一问题进行了研究。

彭磊[10]，吴海根[11]对加设卸荷板的扶壁式挡土墙进行受力分析，计算结果表明加设卸荷板可以降低墙上土压力且可适当减小墙体截面，同时提高了挡土墙整体稳定性。

李浩等[12]对四种位移模式下衡重式路肩挡墙模型进行离心试验分析，结果显示：衡重台对上墙土体的托举作用使得下墙离衡重台1/3墙高范围内的土压力明显减小。

席荣等[13]基于浍河南坪船闸工程，利用有限元方法卸荷板的埋设位置以及形状对闸墙的水平位移、土压力分布和单宽弯矩的影响进行了分析，结果显示：卸荷板具有显著卸荷效果且能增加闸室抗浮能力；卸荷板的埋深深度与其宽度和厚度对上墙闸墙土压力的影响不大，下墙土压力随以上参数先增大后减小。

张明等[14]针对衡重式桩板挡墙，开展了相似比为7:1的模型试验，结果显示：对于主动区，加设卸荷板对靠近卸荷板处墙面所受土压力的卸荷效果最为明显；对于被动区，加设卸荷板对桩前上半部分土压力有较好卸荷效果。

2.2 卸荷式挡墙结构优化设计研究

胡荣华[15]对衡重式桩板挡墙进行静力与离心试验，根据其试验结果建议卸荷板埋设在距墙顶0.4倍墙高处，其埋深与宽度之比为1～1.4之间。

胡云龙[16]对衡重式桩板挡墙在填土荷载以及外加荷载作用下的变形进行了研究，其结果显示：卸荷板加设位置与其宽度对结构变形有较大影响，对于卸荷板未伸出滑裂面的工况，宽度增加，结构变形减小。而对于卸荷板伸出滑裂面的工况，其对结构变形的限制作用较差。

Chauhan[17]建立一个墙高为6m，加设3块卸荷板的挡墙模型并对其进行有限元分析，结果显示：对于不同的卸荷板宽度组合，挡墙所受的侧向土压力减少11.7%～23.5%，其中板宽为0.6m的工况卸荷效果最好。对于加设多卸荷板的挡土墙，其卸荷板最大宽度随自上而下依次增大，且加设在任意深度的卸荷板最大允许宽度与其上方卸荷板的宽度具有函数关系。

谭波等[18]应用有限元分析方法，分析了在土体位移、变形以及土墙相互作用等因素下卸荷式挡土墙墙后土压力分布，并对卸荷板的位置和宽度等参数进行了优化设计，其结果显示：卸荷板最佳宽度为0.3倍的墙高，最佳卸荷板埋设位置为墙体的中部。

Djireb[19]使用FLAC3D对卸荷板挡墙上主动土压力进行了分析，结果显示：在光滑的刚性连接卸荷板条件下，其主动土压力分析值可能高于实际值从而造成挡土墙设计过于保守，推荐使用非刚性连接的短卸荷板来增加挡土墙的稳定性；对于卸荷板设置高度在0.4～0.7倍墙高的情况，其卸荷比在31%～34.9%，其卸荷板宽度建议为0.2～0.27倍墙高。

2.3 卸荷式挡墙结构土压力分布及计算方法研究

刘国楠等[20-21]以衡重式桩板挡墙为原型，制作了比例为7:1的模型进行模型试验，详细研究了卸荷板埋深位置和宽度对挡墙后土压力分布、大小和挡墙位移的影响。

付长静[22]将卸荷式板桩墙高桩梁板码头式结构分区进行土压力计算，考虑土拱效应与卸荷平台卸荷作用，利用非极限状态下土压力计算理论对各分区土压力进行简化运算，其结果与数值模拟与离心试验结果进行比对，比对结果基本一致，表明该计算方法具有一定可行性。

张宁[23]通过采集现场数据并进行数值模拟，分析了在回填荷载作用下，卸荷式船闸闸墙所受土压力、孔隙水压力以及闸墙变形情况随时间的变化。

陈磊[24]利用比例为15:1的卸荷式船闸模型进行模型试验，研究了在不同卸荷板宽度的情况下，在分级堆载下墙后土压力、基底压力、卸荷板上下土压力以及墙体位移情况，并提出了堆载作用下，上下墙土压力简化计算公式。

朱卫国[25]提出了超高卸荷式挡土墙码头水工结构方案，并根据前人研究以及现行规范，提出了超高卸荷式挡土墙土压力及其结构内力的计算公式。

张明[26]进行了比例为50:1的衡重式桩板挡墙的离心试验，结果表明：当填土为砂土时，其上墙所受主动土压力可在朗肯主动土压力的基础上乘以一定系数来计算，下墙桩前抗力可按C法和M法计算。当下层填土采用粉土时，其桩前抗力分布呈抛物线形，与M法、C法及朗肯被动土压力计算结果相差较大。

3 结语

目前对于卸荷式挡墙结构的研究已有一定的成果，但由于此类挡墙结构较为复杂，现有研究中仍存在一些盲点与不足。结合以上三个方面的研究成果，对现阶段研究现状以及存在的问题归纳如下：

①卸荷板对挡墙下墙土压力卸荷作用明显，在不同的卸荷板埋深及其宽度下，对比无卸荷板的挡墙，下墙土压力卸荷比为20%～35%。然而对于卸荷式挡墙上墙与下墙土压力的计算并没有统一的方法与规范；

②目前的研究一般都从板的卸荷效应和反向力矩对挡墙抗倾覆稳定的作用方向入手，在反向力矩对结构内力和变形的影响，尚不明确；

③目前多研究主动情况下挡墙上下墙所受土压力分布情况。对于卸荷式结构被动土压力及其分布，目前很少有研究。