预应力锚杆在河道高挡墙加固中的应用

◎南英尧 惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司

1.工程概况

本文以已建成的挡墙加固案例为背景，该挡墙加固工程位于深圳市某河道一别墅山庄段，该段河道挡墙现状为浆砌石重力式挡墙，墙高约9～13m，修建年代较为久远，整座墙体现状外观质量较差，墙面基本没有排水孔等墙体排水措施，特别是在大暴雨的情况下容易造成墙前墙后水位变化较大，存在坍塌风险，安全隐患较大。挡墙后为别墅山庄，所处地理位置重要且不具备大开挖条件，拆除重建可能性较小。经综合比较，对该段挡墙进行加固设计处理更为合理。

2.加固设计原理

由于别墅山庄段现状挡墙缺乏设计资料，但通过现场勘察分析该段挡墙在目前情况下并未发生倒塌，可以倒推挡墙建成之初，在墙前墙后无水下并没有倒塌倾向，说明此时挡墙的抗滑力不小于其滑移力，则可以假定它至少处于临界稳定状态，即此时的抗滑力等于滑移力，挡墙的抗滑稳定安全系数是1.0，由这种假定来结合现状墙高来推测拟定挡墙的结构尺寸。

本工程河道建筑物级别为3级，首先根据推测拟定的挡墙断面来复核其在不同工况下的稳定及受力状况，若在完建工况下原挡墙自身提供的抗滑力小于所受滑移力的1.25倍（规范要求的最小倍数），且在水位骤降工况下原挡墙自身提供的抗滑力小于所受滑移力的1.10倍（规范要求的最小倍数），需采取相应的加固措施来提供足够的抗滑力来满足规范要求，经过分析采用预应力锚杆加固方式，通过预应力锚杆的提供的拉力来加大挡墙的抗滑力。

3.现状挡墙复核计算

3.1 计算工况

根据挡墙实际情况，取如下工况进行验算。

工况一：完建工况下，墙前墙后无水，设计荷载为挡墙结构自重、墙后填土重、填土表面上的分布荷载；

工况二：水位骤降工况下，墙前墙后水位差为0.5m。挡墙墙后水位为50年一遇设计洪水位，墙前水位为50年一遇设计洪水位减去0.5m，荷载为墙体结构自重、土重、填土表面上的分布荷载、静水压力、扬压力、水重力。

3.2 复核计算

（1）挡土墙抗滑稳定计算：

式中：KC为挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；f为挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数，根据地勘报告本段挡墙的持力层为粉质黏土，摩擦系数取值0.3；ΣG为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；ΣH为作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载，kN。

（2）挡土墙抗倾覆稳定计算：

式中：KO为挡土墙抗倾覆稳定安全系数；MV为对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩，kN·N；MH为对挡土墙基底前趾的倾覆力矩，kN·N。

（3）本工程建筑物级别为3级，挡墙的抗滑稳定安全系数为：正常运用1.25；非正常运用1.10。挡墙抗倾稳定安全系数为：正常运用1.50；非常正运用1.40。选取该段挡墙某个位置的典型断面进行各工况计算。经计算，挡墙在工况一条件下，滑移力=568.44kN、抗滑力=574.12kN，抗倾安全系数K0=2.745＞[1.50]，满足规范要求，但抗滑安全系Kc=1.01＜[1.25]，不满足规范要求；挡墙在工况二条件下，滑移力=511.08kN、抗滑力=460.70kN，抗倾安全系数K0=1.800＞[1.40]，满足规范要求，但抗滑安全系数Kc=0.901＜[1.10]，不满足规范要求。故现状挡墙需经过锚杆来补充提供抗滑力来保证其稳定且满足现行规范要求。

4.锚杆的设计计算

4.1 锚杆计算原理

挡墙顶部人员及车辆活动频繁，挡墙一旦失稳会造成公共安全问题。根据《岩土锚杆（索）技术规程（附条文说明）》（CECS 22-2005）规定，对永久性锚杆抗拔安全系数应≥2.2。

锚杆锚固段长度计算，锚固段计算采用《岩土锚杆（索）技术规程》公式，并取下述公式中的最大值：

式中：La为最小锚固长度，m；K为锚杆的抗拔安全系数，依规范取2.2；Nt为锚杆轴向拉力设计值，kN；D为锚孔直径，mm；fmg为锚固段注浆体与地层间粘结强度的标准值，kPa，查地勘报告；由于本工程采用二次高压注浆，根据规范要求其极限粘结强度标准值将显著提高，提高后粉质粘土与锚固体粘结强度标准值应≥55kPa，粗砂与锚固体粘结强度标准值应≥100kPa，砾质粘性土与锚固体粘结强度标准值应≥65kPa；φ为锚固长度对粘结强度的影响系数，按规范表7.5.2取值；fms为锚固段注浆体与钢筋粘结强度的标准值，kPa，查规范表7.5.1-2；d为钢筋直径，mm；ζ为采用2根或2根以上的钢筋时，界面的粘结强度降低系数，取0.7。另外依规范规定：为了安全和稳定性的要求，锚杆的有效锚固长度除应满足公式计算的要求外，在土质地层中一般宜≥6m。

根据现场调查，现状挡墙后为原状山体，再通过地质钻探揭露情况，本次挡墙及锚杆计算所采用的土层参数按挡墙后推测1∶1开挖边线为分界线，靠近挡墙侧采用素填土参数，远离挡墙侧采用原状土参数。

4.2 锚杆计算结果

按照以上的计算原理及规范规定条款，采用理正岩土电算，工况一计算结果见表1。

表1 工况一：桩号3+324.95挡墙锚杆计算结果表

在工况一条件下：原挡墙经锚杆加固后，锚杆水平间距为1.6m，竖向间距为2.0m，锚杆能提供原挡墙单米宽的轴向拉力为设计值168.75kN，锚杆与水平方向夹角为15°，故锚杆提供的抗滑力为176.10kN，加上挡墙自身提供的抗滑力574.12kN，合计抗滑力为750.22kN，滑移力为568.44kN，则抗滑安全系数可提高到1.32＞[1.25]，满足规范要求。

在工况二条件下：原挡墙经锚杆加固后，锚杆水平间距为1.6m，竖向间距为2.0m，锚杆能提供原挡墙单米宽的轴向拉力为设计值146.88kN，锚杆与水平方向夹角为15°，故锚杆提供的抗滑力为153.28kN，加上挡墙自身提供的抗滑力460.70kN，合计抗滑力为614.98kN，滑移力为511.08kN，则抗滑安全系数可提高到1.20＞[1.1]亦满足规范要求。

5.结束语

根据以上理论进行计算设计施工后，该加固工程安全运行已有三年，期间经历了汛期大暴雨和台风的考验，也进行了多次墙体位移沉降监测，均满足规范设计要求，故经实践论证，该方法对城市高挡墙加固具有一定的实践指导和借鉴的价值。