既有挡土墙加固加高设计与稳定性分析

沈守鸿

(福建嘉博联合设计股份有限公司 福建福州 350001)

0 引言

随着社会经济的发展，土地资源的有限性与社会生产发展需求之间的矛盾加剧，在多山地区进行工程建设已经越来越普遍，建筑边坡随处可见。重力式挡土墙作为一种施工便捷，造价经济的支挡方式广泛应用于早期的边坡工程中。随着山坡土地的开发，原有坡地建筑的拆迁重建也日益增多。新建建筑的场地整平，推、填土将造成原有挡土墙高度增加，需要做加高处理。

以往的处理方式一般是将原有挡土墙拆除重建，但此方法工程量大，造价高，费工费时，而且施工过程将对周边环境产生较大影响。较为经济的方式是对原有挡墙加以利用，进行一定的加固处理后，再相应加高挡墙。但以往文献中利用原有挡墙的方式均是在能明确原有挡墙具体尺寸的前提下进行[1-5]，在原有设计资料缺失，无法确认挡墙具体尺寸的情况下，这种支护加高的方式将存在一系列问题。

本文以南平市某边坡设计项目为例，因年代久远，无法明确原有挡墙具体尺寸的情况下，根据已知挡墙高度及顶宽，假设挡墙形状后，将挡墙等效视为一性能较好土层，进行边坡加固加高设计，并利用有限元软件Plaxis8.6对设计结果进行验证分析。监测结果表明，支护结构变形稳定，该支护设计方案切实可行。

1 工程概况

拟建场地位于南平市延平区工业路西侧，属于丘陵山地，场地属山前坡积、洪积地貌单元。场地东侧紧邻工业路位置，现状存在7m～9m浆砌片石挡土墙，挡墙顶标高约111.2m～112.9m，挡墙结构坡面较为完整，如图1所示。拟建场地完成面标高约112.7m～115.3m，高于现状挡墙顶约1.5m～3.0m，场地完成面与道路标高高差约10.0m～12.0m。该工程边坡高度较高，坡脚紧邻城市道路，且坡顶拟建建筑物较多，边坡破坏后果很严重，边坡工程安全等级为一级。

1.1 工程地质条件

经勘探孔揭示，场地内影响边坡安全的岩土层，由上而下分述如下：

①杂填土：褐黄、灰黑等色，松散，干燥～稍湿，未完成固结，以粘性土、砂、建筑垃圾为主，填龄为不小于10年。揭示厚度为0.80m～9.60m。

②含碎卵石粉质粘土：灰黄、褐黄、褐红等色，湿，可塑，坡洪积成因。揭示厚度3.60m～14.80m。

③粉质粘土：灰黄、褐黄、褐红等色，湿，可塑～硬塑，坡积成因。揭示厚度12.60m。

④全风化粉砂岩：灰黄、褐红等色，饱和，母岩为粉砂岩。揭示厚度0.50m～7.20m。

⑤砂土状强风化粉砂岩：灰黄、褐红、褐黄等色，饱和，标准贯入试验均大于50击(未修正)，母岩为粉砂岩。揭示厚度5.66m～36.10m。

图1 原有挡土墙照片

1.2 水文地质条件

勘察期间，场地未见地表水径流，未见地下水渗出。拟建场地地下水按埋藏条件及性质，可分为上层滞水及风化岩孔隙-裂隙潜水。该次勘察在坡顶钻孔测得含水层初见水位埋深15.70m～19.40m，稳定水位埋深为15.20m～18.90m，稳定水位标高88.60m～99.33m。

2 边坡支护方案的比选确定

原有挡墙高度不足，场地完成面高于原有挡墙约1.5m～3.0m，处理方式大致有以下几种。

2.1 墙顶直接增高挡墙

对于高差较小的挡墙直接加高，高差较大的挡土墙采用在原墙顶设置减压钢筋混凝土平台基础，然后在平台上增高挡墙。该种方案工程造价最低，经济效益最好，但该方法需在明确原挡墙具体结构形状的基础上，对增高后的整体挡墙重新进行稳定性验算，验算通过后方可保证该方案的安全性。

因原挡墙设计施工于20世纪90年代，距勘察时间较远，多方寻找后仍无法获得原挡墙的设计图纸，地勘单位只能根据外观可见情况确定挡墙高度、坡面坡度及墙顶宽度等信息，墙后挡墙具体结构形状无法明确。因而，该方案技术上较难实现，排除此加高方案。

2.2 拆除旧挡墙后新建较高的重力式挡土墙

该方案造价较高，但避免了因旧有挡土墙资料缺失导致的设计难题，为最简单直接的支护方式，是技术上可行的方案，在排除2.1所述方案后原计划采用该方案进行施工。但该方案遭到了市政等相关单位的否定：原挡墙紧邻市政道路，墙底即为市政路的人行道，相关景观绿化及管线埋设均已完成，在拆除旧挡墙及新建挡墙的过程中，难免将对原人行道及相关管线造成破坏，影响较大。因此该方案也无法实行。

2.3 坡面采用框架锚索支护，在原挡墙后增设小挡墙

在上述两种分案均排除后，最终决定在旧挡墙外侧采用框架锚索进行支护，然后在坡面后侧增设小挡墙以达到场地完成面高度，满足建筑要求。该方案无需拆除旧挡墙，施工过程中不会对市政道路及管线产生影响。典型边坡设计剖面如图2所示。

图2 典型边坡设计剖面

3 既有挡土墙的加固加高设计

采用在旧有挡墙外侧进行框架锚索支护，如忽略原有挡土墙，只按地勘提供土层进行设计计算，显然过于保守，且支护造价较高，存在较大浪费。因此，决定将原有的挡土墙近似简化为土体抗剪强度较好的土层，考虑原有支护结构对边坡支护的有利影响，在此基础上对旧挡墙进行加固加高。

3.1 反算原有挡土墙等效土体抗剪参数

因墙后挡墙具体尺寸无法确定，假设墙体厚度基本同挡墙墙顶宽度，基底尺寸略大于墙顶宽度(根据工程经验，该假设符合工程实际，且偏于安全)，将墙体等效为一种岩土层。原有挡墙稳定，因此，可假设包含墙体等效土层在内的原有坡面的边坡稳定安全系数Fs不小于1.0。据此，假设挡墙等效岩土层的抗剪参数，带入结构计算软件“理正岩土计算6.5版”进行边坡稳定性计算，根据安全系数反算挡墙等效岩土层的抗剪参数。其中，根据砌体挡墙的一般材料性能，试算过程取等效土层重度r为22kN/m3，粘聚力C试算区间取[40，70]，内摩擦角Ф试算区间取[30，45]，试算过程如表1所示。

表1 挡墙等效土层抗剪参数反算表

根据表1所示，可取第7次试算结果作为原有挡土墙等效岩土层的抗剪参数，即重度r为22kN/m3，粘聚力C为48kPa，内摩擦角Ф为38°。

3.2 预应力锚索支护设计

采用3道预应力锚索，锚索材料为4束ФS15.2钢绞线，锚索锚固体直径为150mm，采用压力分散型锚索，第一道锚索长度17m，二三道锚索长度18m，锚索水平间距2.5m，具体如图2所示。根据3.1节所得挡墙的等效土层参数，并将坡顶新增挡墙等价为外加荷载，带入“理正岩土计算软件”，计算所得边坡稳定安全系数Fs=1.354，大于规范[6]规定值1.35，满足设计要求。

相同情况下，如忽略挡土墙，仅按原状土层进行计算，为满足规范规定的安全系数要求，锚索水平间距需由2.5m加密至2.2m，排数需由3排增加至4排，长度由原先的17m～18m增加至30m～32m，材料由4束增加至6束，计算所得安全系数为1.350。由此可见，考虑原有挡墙的有利影响，采用等效土层参数的方法可明显减少支护造价，取得较好的经济效益。

4 数值模拟分析

为了验证上文所述“挡墙等效土层”的合理性，保证边坡安全，采用有限元软件Plaxis 8.6对边坡进行数值模拟分析，对“理正岩土计算软件”，即传统极限平衡法的计算结果进行验证，并对该种支护设计方案下边坡的稳定性、位移变形等性能进行进一步研究。

4.1 原状坡面挡墙计算结果

根据地勘提供土层资料，并按3.1节中反算所得挡墙等效土层参数，土体本构模型采用摩尔—库伦模型，计算参数如表2所示。采用强度折减系数法计算原状坡面的安全系数，边坡破坏滑动面如图3所示。

表2 Plaxis计算软件土体计算参数

在将旧有挡土墙等效为土层的情况下，采用Plaxis计算所得原状边坡安全系数为Fs=0.997，边坡通过挡墙底滑动破坏。与3.1节中理正岩土软件计算结果对比，滑动破坏面及安全系数基本相同，安全系数偏小于1.0。原状坡面是保持稳定的，Plaxis计算所得边坡安全系数小于1.0，可见3.1节中所采用挡土墙等效土层的抗剪参数是对于支护设计分析是安全可行的。

4.2 增设预应力锚索后边坡计算结果

土层参数如4.1节中表2所示，其中原状挡墙顶新增挡墙同原状挡墙等效土层，墙后新增土层参数同杂填土层。锚杆自由段采用“锚杆”类型，轴向刚度为2×105kN，间距2.5m，锚杆锚固段采用“土工格栅”类型，轴向刚度为1×105kN/m，坡顶场地地面道路荷载为20kN/m2，宽度5m。

图3 原状边坡破坏滑动面

边坡潜在滑动破坏面结果如图4所示，滑动面与“理正岩土计算软件”结果基本相同，边坡安全系数为Fs=1.412，满足规范设计要求，同时也大于3.2节中“理正”的计算结果1.354，由此可见，该次项目中 “理正”算法较有限元算法偏于安全。

总位移变形结果如图5所示，位移变形值集中在新增挡墙墙顶及坡面位置，边坡最大位移为10.88mm，满足设计要求。

图4 边坡潜在破坏面

图5 位移变形图

5 边坡监测

该项目为一级边坡，边坡布置了坡体深层水平位移、坡顶地表水平位移及沉降、坡顶建筑竖向、水平位移及倾斜等监测项目。目前该段边坡竣工已超过1年，监测结果显示，该段边坡坡顶水平位移累计值为6.5mm，坡顶沉降累计值为8mm，深层水平位移累计值为9.72mm。监测结果与数值计算结果相近，满足规范和设计要求，同时其余位置监测结果也均能满足要求。由此可见，支护结构变形稳定，边坡工程安全可靠，本支护设计方案是行之有效的。图6为预应力框架锚索施工完成后的实景图，支护施工对原有的市政道路、景观绿化及相关市政配套设施基本没有破坏，最大限度减少了沿路施工过程中对居民及行人的影响。

图6 框架锚索施工完成实景图

6 结论

本文结合南平某边坡设计实例，提出将原有挡土墙等效为一性能较好土层的设计方案，并利用传统极限平衡法(理正岩土软件)和数值计算法(有限元软件Plaxis)对方案进行计算及分析，得出以下结论：

(1)“挡墙等效土层”的方案是切实可行，这种方案可以成功解决在无法明确挡墙尺寸时，对既有挡土墙如何进行加固加高的问题。需要指出的是，挡墙墙体的假设厚度及等效土层的抗剪参数在反算过程中并不是只有唯一解，在相对合理的区间内，只要保证反算的最终结果满足“边坡安全系数Fs=1.0”，均可起到相同的等效结果。

(2)保留既有挡土墙，对挡墙进行加固加高处理，充分考虑原有挡墙对新建边坡的有利影响，既可以减少拆除旧挡墙过程中对周边环境产生的影响，又可以有效降低支护造价，起到较好的社会经济效益。因此，对既有挡土墙进行加固加高的处理方式在今后类似的边坡支护项目中可尽量加以推广及应用。