公路路堤挡土墙失稳机理及加固方法研究

杨宇波

广东恒泰公路工程有限公司，广东 梅州 514000

公路工程中应用的挡土墙种类有很多，主要形式有重力式、锚杆式、锚定板式、扶壁式等[1]，其中属重力式挡土墙应用得最多，应用范围最广。加筋土式和锚定板式挡土墙相比于重力式挡土墙具有节省材料和场地的特点，是一种新型的挡土墙[2]。随着我国经济的飞速发展，挡土墙在公路工程和交通工程中的应用越来越多，在填方路堤中经常采用的挡土墙形式为加筋土挡土墙和重力式挡土墙等[3]。挡土墙具有占地少、施工简单、造价低的特点，但随着使用年限的增长，挡土墙会出现失稳的现象，因此文章针对该病害进行了相应分析研究[4]。

1 挡土墙失稳形式

挡土墙的主要作用是对可能发生滑动的土体进行支挡，使结构的抗滑力大于土体的下滑力，主要应用于水利、公路、矿山和铁路等工程中[5]。挡土墙失稳原理是随着土侧压力和交通荷载等的长时间作用，挡土墙的抵抗能力会慢慢减弱，同时稳定性也会慢慢减弱，最终土体的下滑力大于墙体的抗滑力而发生墙体失稳的现象。当挡土墙长时间被河水浸泡或受到地震的偶然作用时，失稳现象会表现得更加突出[6]。挡土墙发生破坏有不同的形式：在土侧压力或外荷载作用下，挡土墙发生整体平移的现象；挡土墙的下部稳定性大于上部稳定性，导致墙体上部发生转动；当挡土墙下部位于滑动面附近时，挡土墙会发生上部稳定墙踵转动现象。三种失稳形式如图1所示。

图1 挡土墙失稳形式图

2 工程概况

省道S221线大埔段改造工程（大埔县城埔城电站出口至坳背段）大型挡土墙位于桩号K51+250～K51+300左侧，该地段的场地土主要有粉土、细砂和黏土。该段挡土墙为临河建设，墙身平均高度为7m，是在原有的挡土墙的基础上加固建设的。

路基在运营过程中路面出现了沉降病害，挡土墙的墙身多处出现了裂缝病害。通过工程经验和以往工程案例可知，对路面进行修补，对挡土墙进行加固后，墙体仍有外倾的趋势，因此需对挡土墙进行相应的加固，保证其稳定性和道路行车的安全性。

3 加固方案设计

挡土墙失稳后的加固方法有预应力锚杆联合加固、预应力锚固、喷射混凝土以及加筋喷射混凝土等。预应力锚杆与喷射混凝土联合使用较二者单独使用的效果更好，但是这种加固形式中的混凝土为素混凝土，抗剪强度低，因而在危险地区和大型工程中不被采用。加筋喷射混凝土和预应力锚杆联合的方式可以改善上述加固方式的不足，使加固结构和墙体有效结合成整体，减少预应力损失，共同受力，共同抵御外部荷载。该工程中最适用的加固方式为路基填土注浆结合加筋喷射混凝土和预应力锚杆加固。

4 土体注浆

4.1 注浆机理

由于土体自身存在的特殊性质，在进行压力注浆时应考虑的因素有注浆压力和浆液稠度，在浆液作用下，土体产生改性的物理机理如下。

渗透机理：当土体较为松散时，浆液通过土体的缝隙进入内部（前提是不能破坏土体的结构），使土体和浆液形成整体结构，从而改变土体的力学性质。

压密机理：较为浓稠的浆液在高压作用下通过注浆孔强行压入孔内，使土体变得密实。在压力作用下，通过对周边土体进行挤压，使一定范围内的土体变得密实。该过程中土体比重、压缩模量和内摩擦角都有一定程度的增长，相反，孔隙比和压缩系数开始减小。

4.2 土体改性分析

文章通过对注浆前后的土体进行相应试验，得到物理力学性质的变化，变化值如表1所示。

表1 指标变化表

通过表1注浆前后的指标变化可以得出，挡土墙背后的土体通过注入浆液的方式改变了土体结构的整体稳定性和改性性能；墙后土体通过注浆的渗透和压密作用使空隙被充满，压缩模量有所提高，压缩比和孔隙比降低。当土体中注浆压力达到一定数值后，土体开始出现劈裂层面扩大、裂隙宽度增大、浆液呈脉状或层状进入土体现象，形成具有一定稳定性的骨架结构。

5 锚杆加固设计

5.1 墙后填土滑移力分析

通过现场调查可知，提供墙后填土滑移力的荷载主要是土体的自重和行车荷载，墙后填土主要是黏性土，其中含有5%的砂。填土按均质结构考虑。滑移力的计算公式如下：

式中：Fs为单位长度的滑移力，kN；Ws为滑移土体的重量，kN/m；Ka为土压力的侧压系数；Kas为行车荷载的侧压系数；q为汽车的均布荷载，kN/m2；L为滑移土体的最大宽度，m；λ为距离常数；H为滑移体的最大高度，m；Kal为行车荷载的侧压系数；Fc为土的内聚力，kN/m；Fw为墙面摩擦力，kN/m。

通过现场调查发现路面己开裂，因此在进行计算时内聚力可忽略，挡土墙结构已破坏，因此计算时摩擦力不考虑。挡土墙的参数取值如表2所示。

表2 挡土墙参数值表

经计算，Fs=400.7kN，安全系数取值为1.3，结构抗滑力FR=521kN。

5.2 锚杆设计

文章中锚杆自由段长度取值为6m，通过计算可知，锚杆的锚固段长度为6m，锚杆总长度为12m。锚杆间距统一设置为2.5m×2.5m。由直径的计算公式可知，锚杆的直径d为26.5mm。由钢筋规格可知，实际采用直径为28mm的热轧钢筋。

5.3 锚杆注浆设计

该工程中采用二次注浆法。浆液水灰比为0.5，第一次的注浆压力为0.5MPa，第二次注浆在第一次注浆完成后12h进行，注浆压力为2～3MPa；第一排锚杆的注浆压力为2MPa，第二排锚杆的注浆压力为2.5MPa，第三排锚杆的注浆压力为3MPa。通过二次注浆实现了土体的改性和稳定性能的提高。在锚头处0.6m的范围内加钢筋网来承受拉应力，将混凝土厚度加至150mm。

6 结论

文章通过对挡土墙失稳机理及加固方法进行分析得出以下结论：（1）挡土墙的失稳形式主要有三种，分别为整体平移、墙体上部发生转动、墙踵转动；（2）文章通过实际工程对加固方法进行分析，采用的加固方案为路基填土注浆结合加筋喷射混凝土和预应力锚杆加固，该方法增加了结构的整体稳定性。通过设计可知锚杆结构的抗滑力为521kN，锚杆设计的直径为28mm，间距为2.5m×2.5m，混凝土的喷射厚度为150mm。