旧路提级改造工程中新旧结合挡土墙加固工程稳定性分析

2021-12-21崔彦平

福建交通科技 2021年8期

■崔彦平

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

省道S207 线寿宁下党至尤溪段公路工程是下党进乡公路X942 提级改造工程的一部分，项目的建设加大了国省道对寿宁县域经济发展的服务力度。既有X942 公路为20 世纪90 年代修建的四级通乡公路，该公路线形指标较差、边坡较陡、挡土墙较高、路面较窄，若对该项目进行提级改造，传统做法需开挖老路，拆除旧挡土墙，中断老路交通，这将对附近乡村居民出行，游客进下党学习、旅游产生较大的影响。为避免施工对现有交通的影响，以及提高老路提级改造后路基的稳定性，对旧挡土墙采用C20 混凝土锚注式挡土墙进行加固[1]。本文采用理正岩土计算软件对本项目新旧结合挡土墙加固工程进行稳定性分析计算[2-6]。

1 工程概况

1.1 工程概况

该项目K16+329～K16+344 路段原为半填半挖路段，右侧为山体，左侧紧邻一条与道路平行的河流，老路路基左侧设置衡重式路肩墙，高度8 m，老路典型横断面如图1 所示。

图1 老路典型横断面图

1.2 工程地质

典型断面的挡土墙基底落在碎块状强风化凝灰岩和中风化凝灰岩层，地基强度高，稳定性好，工程地质条件较好，挡土墙基底岩层主要指标如表1 所示。

表1 基底岩层力学指标

2 挡土墙加固设计方案

通过对现状挡土墙的分析，综合考虑工程特点、安全性和经济性，推荐采用C20 混凝土锚注式挡土墙对旧挡土墙进行加固。该方案可以有效节约资源，具有以下优点：（1）减少老路提级改造工程中对老路的开挖量，节约造价；（2）可充分利用现有路基挡土墙的稳定性，保证老路提级改造后路基的稳定性；（3）施工时不需要中断交通，保证附近居民的便利出行；（4）采用锚注式方案，施工简单方便，机械设备投入较少，从而节约造价。

施工前需对旧挡土墙的排水系统进行疏通，并通过对旧挡土墙凿毛处理和锚杆使新旧挡土墙紧密结合。新旧挡土墙之间采用φ32 非预应力锚杆呈梅花形布置，布置间距为2.3×2 m；挡土墙基础与地基之间采用φ20 系统锚杆连接。新加固挡土墙锚杆布置如图2 所示，典型横断面如图3～4 所示。

图2 锚杆布置图

图3 挡土墙加固方案横断面图（第一种截面）

图4 挡土墙加固方案横断面图（第二种截面）

3 挡土墙稳定计算分析

本文采用理正岩土计算软件，分正常工况和设计洪水位工况对挡土墙的稳定性进行验算分析。

3.1 正常工况

此种工况条件下挡土墙受到的外部作用力主要有：自重、背后土压力、地基反力。下面对正常工况下2 种不用截面形式的挡土墙的稳定性进行计算，2 种挡土墙截面形式计算模型简图如图5～6所示。

图5 正常工况挡土墙截面形式计算模型简图（第一种）

图6 正常工况挡土墙截面形式计算模型简图（第二种）

3.1.1 滑动稳定性验算

增强挡土墙抗滑性，一般是将挡土墙基底设置成倒坡的形式，本次计算第一种挡土墙基底倾斜角度为∠5.711°。通过计算，得到挡土墙的滑移力为126.449 kN，抗滑力为227.349 kN，抗滑动稳定系数Kc=抗滑力/滑移力=1.798；第二种挡土墙截面与第一种增强抗滑动稳定性的方法相同。通过计算，得到挡土墙的滑移力为86.371 kN，抗滑力为164.596 kN，Kc=抗滑力/滑移力=1.906。

同时，计算得出第一种挡土墙地基土层的水平向滑移力和抗滑力分别为 171.065 kN 和225.451 kN，地基土层水平向抗滑动稳定系数Kc2为1.318；第二种挡土墙地基土层的水平向滑移力和抗滑力分别为118.698 kN 和162.604 kN，地基土层水平向抗滑动稳定系数Kc2 为1.370。

根据《公路路基设计规范》[7]，本项目第一种和第二种挡土墙抗滑动稳定系数Kc 分别为1.798 和1.318，地基土层的水平向抗滑动稳定系数Kc2 分别为1.318 和1.370，均大于规范规定的最小值

1.3，2 种挡土墙截面形式采用锚注式加固后结构稳定，符合相关滑动稳定性的要求。

3.1.2 抗倾覆稳定性验算

对挡土墙进行抗倾覆验算一般计算挡土墙绕墙趾的稳定性，通过对2 种挡土墙截面进行计算，得到2 种挡土墙的倾覆力矩和抗倾覆力矩，由此得出的抗倾覆稳定安全系数K0=抗倾覆力矩/倾覆力矩，具体结果如表2 所示。

表2 正常工况抗倾覆稳定性计算结果

本项目第一种和第二种挡土墙截面抗倾覆稳定安全系数K0 分别为2.629 和2.918，均大于规范规定的最小值1.50。

3.1.3 地基应力及偏心距验算

通过对2 种挡土墙截面地基应力及偏心距验算，得到作用于2 种挡土墙截面的结果如表3 所示。

表3 正常工况地基应力及偏心距验算结果

根据路基规范的相关规定，重力式挡土墙轴向力的偏心距e 不大于0.25B，本项目第一种挡土墙基底宽度为3.184 m，规范要求的偏心距为0.25×3.184 m=0.796 m，本项目偏心距e 为0.093 m，小于规范值，满足规范的要求；本项目第二种挡土墙基底宽度为2.647 m，规范要求的偏心距为0.25×2.647 m=0.662 m，本项目第二种挡土墙偏心距e 为0.370 m，小于规范值，满足规范的要求。

第一种新建挡土墙墙趾处作用在基底的压应力为167.886 kPa，墙踵处作用在基底的压应力为117.718 kPa，本项目第一种挡土墙地基允许承载力550 kPa，因此墙趾和墙踵压应力均满足承载力的要求。第二种新建挡土墙墙趾处作用在基底的压应力为20.2 kPa，墙踵处作用在基底的压应力为228.501 kPa，本项目第二种挡土墙墙趾处地基允许承载力为660 kPa，墙踵处地基允许承载力为715 kPa，因此墙趾和墙踵处压应力均满足承载力的要求。

3.2 设计洪水位工况

本项目设计洪水位采用25 年一遇洪水位，在设计洪水位工况下，挡土墙受到的外力除了正常工况下结构自重、墙后土压力、地基反力之外，还增加了浮力以及墙前和墙后的水压力。对设计洪水位工况下挡土墙的稳定性进行计算，第一种挡土墙截面形式计算模型简图如图7 所示，第二种挡土墙截面形式计算模型简图如图8 所示。

图7 设计洪水位工况挡土墙截面形式计算模型简图（第一种）

图8 设计洪水位工况挡土墙截面形式计算模型简图（第二种）

3.2.1 滑动稳定性验算

增强挡土墙抗滑性，一般是将挡土墙基底设置成倒坡的形式，本次计算第一种挡土墙基底倾斜角度为∠5.711°。通过计算，得到挡土墙的滑移力为115.8.35 kN，抗滑力为216.066 kN，抗滑动稳定系数Kc=抗滑力/滑移力=1.865；第二种挡土墙截面与第一种增强抗滑动稳定性的方法相同。通过计算，得到挡土墙的滑移力为91.952 kN，抗滑力为155.915 kN，Kc=抗滑力/滑移力=1.696。

同时，计算得出第一种挡土墙地基土层的水平向滑移力和抗滑力分别为160.274 kN 和213.748 kN，地基土层水平向抗滑动稳定系数Kc2 为1.334；第二种挡土墙地基土层的水平向滑移力和抗滑力分别为114.864 kN 和153.689 kN，地基土层水平向抗滑动稳定系数Kc2 为1.338。

根据《公路路基设计规范》[7]，本项目第一种和第二种挡土墙抗滑动稳定系数Kc 分别为1.865 和1.696，地基土层的水平向抗滑动稳定系数Kc2 分别为1.334 和1.338，均大于规范规定的最小值1.3，2 种挡土墙截面形式采用锚注式加固后结构稳定，符合相关滑动稳定性的要求。

3.2.2 抗倾覆稳定性验算

对挡土墙进行抗倾覆验算一般计算挡土墙绕墙趾的稳定性，通过对2 种挡土墙截面进行计算，得到2 种挡土墙的倾覆力矩和抗倾覆力矩，由此得出的抗倾覆稳定安全系数K0=抗倾覆力矩/倾覆力矩，具体结果如表4 所示。

表4 设计洪水位工况抗倾覆稳定性计算结果

本项目第一种和第二种挡土墙截面抗倾覆稳定安全系数K0 分别为2.31 和2.635，均大于规范规定的最小值1.50。

3.2.3 地基应力及偏心距验算

通过对2 种挡土墙截面地基应力及偏心距验算，得到作用于2 种挡土墙截面的结果如表5 所示。

表5 设计洪水位工况地基应力及偏心距验算结果

根据路基规范的相关规定，重力式挡土墙轴向力的偏心距e 不大于0.25B，本项目第一种挡土墙基底宽度为3.184 m，规范要求的偏心距为0.25×3.184 m=0.796 m，本项目偏心距e 为0.018 m，小于规范值，满足规范的要求；本项目第二种挡土墙基底宽度为2.647 m，规范要求的偏心距为0.25×2.647 m=0.662 m，本项目第二种挡土墙偏心距e为－0.364 m，小于规范值，满足规范的要求。

第一种新建挡土墙墙趾处作用在基底的压应力为140.196 kPa，墙踵处作用在基底的压应力为131.233 kPa，设计洪水位条件下本项目第一种挡土墙墙趾处地基允许承载力为660 kPa，墙踵处地基允许承载力为715 kPa，因此墙趾和墙踵处压应力均满足承载力的要求。第二种新建挡土墙墙趾处作用在基底的压应力为20.729 kPa，小于本项目地基允许承载力660 kPa；墙踵处作用在基底的压应力为214.856 kPa，设计洪水位条件下本项目第二种挡土墙墙趾处地基允许承载力为660 kPa，墙踵处地基允许承载力为715 kPa，因此墙趾和墙踵处压应力均满足承载力的要求。

通过以上对锚注式挡土墙在正常工况和设计洪水位工况下稳定性验算分析，得出此种加固方式有效、可行，满足相关规范要求。