锚索格构梁应用于既有重力式挡土墙加固的设计探讨

2021-09-16刘家国

中华建设 2021年9期

刘家国

介绍了重力式挡土墙常见工程质量事故的型式及原因，分析了对其进行加固的工程措施及优缺点；对重力式挡土墙加固的设计方法进行了探讨，尤其是侧向压力的计算进行了对比分析，对于基底摩擦系数采用反分析求解是适宜的。结合工程实例，对锚索格构梁支护应用于挡土墙加固的设计与施工技术进行了详细论述，并对应用效果进行了分析，通过其提供的水平拉拔力，可以很直接地提高挡土墙的抗滑移和抗倾覆稳定性，表明其经济性和技术可行性是十分明显的。

一、重力式挡土墙质量事故的常见型式及原因

挡土墙是支承填土并阻止填土或土体变形失稳的构筑物，而重力式挡土墙是以自身重力来维持挡土墙在土压力作用下的稳定，承受的主要载荷是土压力、水压力和墙顶地面超载、建（构）筑物基底附加压力传递给墙身的附加应力等外来作用。浆砌毛石工艺在以往重力式挡土墙工程中应用十分广泛，它具有就地取材、施工方便、结构简单等特点；但因墙身砌体材料的抗拉、抗剪强度较低，对地基的不均匀沉降较为敏感，易受外部环境条件的改变或砌筑砂浆不饱满等原因出现工程事故。

挡土墙质量事故主要表现为其稳定性降低，一般会出现不同程度的开裂、鼓肚、坍塌、倾斜、下沉、失稳、倾覆、滑移等。究其原因，从大量的挡土墙事故调查表明：有勘察、设计、施工和后期使用维护方面的原因，施工是最主要的因素，后期使用管理不当和自然灾害次之，设计和勘察的疏忽、瑕疵，也是造成挡土墙质量事故的一个不可忽视的因素面。

二、重力式挡土墙加固常用的工程措施及优缺点

当挡土墙的地基承载力、抗滑移稳定性和抗倾覆稳定性安全系数不足时，一般可采用以下几种加固措施：

（1）在挡土墙外侧增加一道新的挡土墙，加大其厚度和自重，提高抗倾覆力矩和抗滑力，使新旧挡墙共同受力，抵挡水、土压力；此种措施，可能受到墙趾下场地限制，而无法实现。

（2）挡土墙墙趾处增设抗滑桩，可以显著提高墙体的抗滑稳定性；但其造价相对较高。

（3）锚杆格构梁，是挡土墙加固中用得较多的工程措施，因为它可直接给墙身提供较大的水平抗力，提高墙体的稳定安全系数，同时通过格构的作用提高浆砌墙体的整体性，其加固效果明显、有效；但锚杆成孔施工对墙体有一定的损伤，需采取措施确保施工期墙体的安全与稳定。

（4）对挡土墙后填土进行注浆加固，以改善土体力学性质，减小作用于墙背上的土压力，此种措施受填土性状、施工工艺等因素影响，加固效果的离散性和不确定性较大。

三、重力式挡土墙侧向压力计算

挡土墙不可能完全符合郎肯和库伦土压力的假定条件和适用范围，实际工程中通常用库伦理论计算主动土压力，用郎肯理论计算被动土压力。

对于填土中的地下水，当为砂土或粉土时，采用水土分算；当为粘性土时，采用水土合算的原则进行计算。不同的计算方法，采用不同的抗剪强度指标。当地下水形成渗流时，还需计算作用在墙身上的动水压力。

四、重力式挡土墙加固设计方法探讨

加固设计前，应重点调查和分析出现事故的具体型式和原因，然后对挡土墙背的填土进行勘查，查明填土及地基土体的物理、力学性能参数，地下水位等，结合土工试验确定的土体抗剪强度指标验算挡土墙的稳定安全系数，与允许安全系数比较；同时可以根据不同的破坏模式，采取假定某一安全系数处于极限平衡状态，反分析求解土体的强度指标，与土工试验的强度指标进行比较，取其小值，进行加固设计。如果场地缺乏勘察资料，可以利用反分析的参数进行加固设计。对于基底摩擦系数采用反分析求解，在挡土墙未出现倾覆或滑坍情况下，是适宜的。此外，为简化计算，在选取土压力计算方法时，采用郎肯土压力公式，计算结果是偏于安全的。

五、工程实例

1.工程概况

某浆砌毛石挡土墙位于深圳市高新科技产业园，高约9.0m，长度272.6m，呈南北走向，挡土墙设三排泄水孔，坡脚设排水沟。

据现场踏勘，挡土墙部分区段向外倾斜，墙体中部外拱变形，毛石砌体局部出现水平贯通性裂缝，墙体在沉降缝处有明显的错开痕迹。挡土墙顶地面土体见裂缝，最宽处达13mm。墙顶水泥路面多处因不均匀沉降而开裂。墙身偶见自上至下的竖直通长裂缝，缝宽1～4mm；墙根部砌体有两处已完全塌落形成的墙洞，洞内地下水涌出。

2.工程地质和水文地质条件

场区地处残丘山坡坡脚地带，地貌单元为残丘坡地，已经填土整平。场地内地层自上而下为：人工填土层（Qml）及残积层（Qel）。素填土：土黄色，疏松，稍湿，主要由扰动的砂质粘性土组成，局部夹花岗岩块、碎石及生活垃圾，厚度8.30m～9.10m。残积砾质粘性土：褐黄、褐红色，湿，可塑～硬塑，为粗粒花岗岩风化残积而成，原岩结构尚可辨认，土质较均匀；该层全场地分布，厚度较大，未揭穿。

地下水为赋存于残积土层中的孔隙潜水和上部素填土中的上层滞水，稳定水位埋深为4.5m。挡土墙墙面泄水孔多处水渍明显，个别位置仍有水渗出，说明墙后下水管有渗漏，雨季会有大量降水进入土体，对挡土墙稳定性严重不利。

3.设计参数选取

根据勘察报告结合工程经验，初步验算设计参数取值如下：

4.加固方案

挡土墙顶重新砌筑一道排水沟，拦截坡顶地表水，以防雨水下渗对挡土墙造成不利影响。

需加固的浆砌重力式挡土墙，建成时间较长，质量较差，砌筑水泥砂浆不饱满、脱落，挡土墙顶部不均匀沉降，墙体向外位移，各种迹象表明，挡土墙的抗滑或抗倾覆稳定性不满足要求，采用锚索砼格构梁支护型式，通过锚索提供的抗拔力，来提高挡土墙抗倾覆和抗滑移稳定安全系数，同时钢筋砼格构梁使原有散体材料砌筑的挡土墙整体性得到加强。

格构梁的纵横间距为3.5m和3.0m，紧贴挡土墙接触部位按一定间距打孔植筋，与原挡土墙连成一体，格构梁水平方向按照不超过25m留设20mm宽的伸缩缝。格构的交叉点处设预应力锚索（锚筋为2×7φ5钢绞线，fptk=1860MPa）。

在原有挡土墙开孔过程中，采用专用成孔设备，严禁采用冲击型钻机，以减小对毛石砌体的振动和破坏。为保证施工安全，对挡土墙采取人工巡视和沉降、水平位移监测。

5.挡土墙加固设计

（1）基本参数

根据原设计和挡土墙竣工图，其基本参数为：基底埋深0.5m，墙高9.0m，墙面坡率为1∶0.25，墙背直立，挡土墙顶宽度b=0.75m，挡土墙基底宽度B=3.0m。挡土墙基底的摩擦系数u=0.3，挡土墙重度r取22kN/m3，墙顶地面按均布荷载qk=10kPa考虑，稳定地下水位埋深4.5m。

（2）挡土墙单位延长米自重计算

考虑连续暴雨天气，地下水位上升到与地表平齐，按水、土合算法计算作用在挡土墙上的总水平压力，填土饱和容重按18.5kN/m3计算。

地面处的主动土压力强度为：

单位延米挡土墙上作用的总土压力为：210.73kN/m。

土压力合力作用点位置：墙底以上2.19m。

（4）抗倾覆稳定性验算

抗倾覆稳定安全系数Ft=371.25×1.95/(210.73×2.19)=1.57<1.6

不满足规范的抗倾覆稳定性要求，但差距不大。

（5）挡土墙底抗滑稳定性验算

抗滑力为：F=G×u=371.25×0.3=111.38kN/m

滑动力为：210.73kN/m

抗滑稳定性安全系数：Fs=111.38/210.73=0.53<1.3

（6）基底摩擦系数μ反分析计算

以上计算表明，抗倾覆稳定勉强可满足要求，但抗滑稳定性远小于规范要求，在饱水状态下会出现失稳。

根据墙身出现水平移位、墙顶出现外倾现象，可以判断，滑动力大于抗滑力，但实际又没有完全向外出现大的破坏和大的滑动，说明挡土墙处于抗滑稳定极限平衡状态，根本原因在于挡土墙的地基经过了处理，有碎石垫层，其值较勘察报告提供的经验值大，据此假定抗滑稳定安全系数Fs为1.0，可以反分析计算求出基底摩擦系数μ=210.73/371.25=0.567。

（7）挡土墙加固设计

土体在饱水工况下，挡土墙上作用的总水平推力为210.73kN/m，按照1.30的安全系数，抗滑力需达到273.95kN/m。挡土墙底可提供的抗滑力为371.25kN/m×0.567=210.5kN/m，其差值63.45kN/m则需加固构件提供。

采用锚索进行挡土墙加固，布置两排锚索，上下排间垂直距离3.0m，水平方向锚索间距3.5m，最下一排锚索距坡底2.5m，锚杆倾角15°，每根锚索平均承担水平拉力111kN（轴向拉力115kN）。

锚固体直径150mm，锚固体与土体间粘结强度特征值取17kPa，锚固体与地层粘结工作条件系数取1.0。取锚固段长度为17m，自由段长度6m，锚索总长23m，锚索抗拔力标准值为150kN。

锚筋采用1860MPa型7φ5钢铰线，抗拉强度1320MPa，按照建筑边坡工程技术规范，荷载分项系数取1.30，永久性锚杆锚筋抗拉工作条件系数取0.69，采用两束钢铰线，总面积274.98mm2，杆材满足要求。

（8）加固后挡土墙抗倾覆稳定性验算

抗倾覆稳定安全系数Ft=[(371.25×1.95+(2.5+5.5)×150/3.5]/(210.73×2.19)=2.31>1.6

满足规范要求。

（9）加固后挡土墙底抗滑稳定性验算

抗滑稳定性安全系数Fs=(371.25×0.567+150×2/3.5)/210.73=1.41>1.3

满足规范要求。

6.监测情况

挡土墙加固施工期间及完工后两年内，通过对墙顶的沉降、位移监测，在施工期，出现最大水平位移4.3mm，最大沉降6.7mm，主要是由于加固施工对原有挡土墙结构产生局部破坏、且对墙后填土造成扰动、湿水软化等影响。两排锚索张拉锁定后10天左右，变形和沉降趋于稳定，而后的连续两年监测反馈，未有任何的增加，表明加固是有效的。