擋土墻開(kāi)裂成因分析及數(shù)值計(jì)算

苗 君，王 強(qiáng)

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

1 現(xiàn)場(chǎng)情況

某水電站右岸在前期施工時(shí)建有施工便道，道路修筑等級(jí)低，僅滿足10 t 車(chē)輛通行。2016 年由于某特大橋施工，該便道成為進(jìn)入特大橋施工現(xiàn)場(chǎng)的必經(jīng)之路，運(yùn)輸材料車(chē)輛均在60 t、70 t 以上，經(jīng)重車(chē)長(zhǎng)時(shí)間碾壓，施工便道沉降嚴(yán)重、路面損壞，外側(cè)擋墻出線鼓包、位移，已不能滿足材料運(yùn)輸車(chē)輛通行。

2016 年6 月，特大橋建設(shè)管理單位對(duì)該水電站右岸便道進(jìn)行加固，在道路原路肩擋墻外側(cè)增設(shè)高8 m～12 m、頂寬0.99 m～1.96 m、底寬1.7 m～3.16 m 的C30 混凝土擋墻，加固長(zhǎng)度約93 m，每8 m～10 m 設(shè)置一2 cm 寬沉降縫，并采用錨索將新增擋墻錨固在下部巖體上，頂部路面恢復(fù)。錨索采用無(wú)粘結(jié)錨索，間距3 m，單孔設(shè)計(jì)噸位1000 kN，平均長(zhǎng)度30 m，錨固段長(zhǎng)度15 m。路面硬化采用30 cm 厚C30 鋼筋混凝土，設(shè)置兩層鋼筋網(wǎng)。

右岸便道加固完成后恢復(fù)通行，2016 年11 月?lián)鯄Τ霈F(xiàn)多條上下貫穿性裂縫，裂縫位于新增擋墻中部，多呈豎向分布，少數(shù)傾斜。除貫穿性裂縫外，裂縫均位于擋墻中下部基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)?；炷翐鯄κ疽馊鐖D1，擋墻裂縫照片如圖2，擋墻裂縫統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 擋墻裂縫統(tǒng)計(jì)表

圖1 混凝土擋墻示意圖

圖2 擋墻裂縫照片

2 裂縫成因可能性分析

引起混凝土擋墻開(kāi)裂的因素很多，應(yīng)結(jié)合自身工程特點(diǎn)具體分析。韋華等[1]通過(guò)對(duì)埋入大型水閘擋土墻中的監(jiān)測(cè)儀器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析得出，該擋墻開(kāi)裂的主要原因是由于大氣溫度突然降低引起混凝土產(chǎn)生較大的收縮拉應(yīng)力；朱思軍等[2]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合理正巖土軟件計(jì)算得出，某水閘左岸擋土墻開(kāi)裂的最可能原因是擋土墻外側(cè)高邊坡遇強(qiáng)降水或連續(xù)降水時(shí)，墻后水位增高，水土壓力增大，擋土墻發(fā)生滑移或錯(cuò)動(dòng)。

本工程擋墻基礎(chǔ)承載力滿足計(jì)算要求，并做承載力試驗(yàn)，可排除基礎(chǔ)失穩(wěn)導(dǎo)致?lián)鯄﹂_(kāi)裂的可能。根據(jù)擋墻既往情況調(diào)研和現(xiàn)有裂縫開(kāi)展情況，得到擋墻裂縫成因可能性如下：

（1）溫度裂縫

本工程擋墻屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，采用C30 混凝土，底部配有防止擋墻不均勻沉降的鋼筋，其表面及頂部均未配置鋼筋。擋墻混凝土澆筑時(shí)間為2016 年6 月中旬至8 月上旬，裂縫出現(xiàn)時(shí)間為2016 年11 月。施工時(shí)段混凝土入倉(cāng)溫度較高，且C30 混凝土產(chǎn)生的水化熱較大，同時(shí)施工過(guò)程未采取降低入倉(cāng)溫度、通水冷卻等措施。以上因素導(dǎo)致?lián)鯄仓髢?nèi)部溫度較高，在外部空氣溫度降低后，混凝土內(nèi)外溫差較大，同時(shí)擋墻基礎(chǔ)位于巖石地基強(qiáng)約束上不能自由變形，會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度即出現(xiàn)裂縫。

（2）錨索荷載失效

加固方案采用1000 kN 級(jí)間距為3 m 的錨索增加擋墻抗剪切效果，施工過(guò)程中對(duì)擋墻有一定的偏心受壓作用，且存在預(yù)應(yīng)力錨索失效的可能性，致使擋墻計(jì)算邊界條件產(chǎn)生變化，因此錨索荷載的施工期應(yīng)力及運(yùn)行期失效可能導(dǎo)致?lián)鯄﹂_(kāi)裂。

（3）墻后填土的沉降及不均勻變形

分析認(rèn)為：重車(chē)長(zhǎng)時(shí)間碾壓，導(dǎo)致便道沉降嚴(yán)重，路面損壞，加之雨水較多且下滲是加固前擋墻出現(xiàn)鼓包、位移的主要原因?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，加固后擋墻出現(xiàn)裂縫路段主要位于填方路段，而非填方路段未發(fā)現(xiàn)擋墻裂縫。

墻后填土高度不甚統(tǒng)一，且在進(jìn)行路面鋼筋混凝土硬化前未見(jiàn)對(duì)已破壞表面土體進(jìn)行處理。重車(chē)通行路段與未通行路段的土體可能存在不均勻沉降，導(dǎo)致對(duì)擋墻水平方向的擠壓變形不協(xié)調(diào)。因此，墻后填土的沉降及不均勻變形可能導(dǎo)致?lián)鯄﹂_(kāi)裂。

（4）墻后填土排水暢通性

排水管是否暢通對(duì)墻后土體邊坡穩(wěn)定性至關(guān)重要。加固方案提出排水管根據(jù)原有擋墻布設(shè)，但在預(yù)應(yīng)力錨索注漿過(guò)程中可能存在漿液堵塞排水管的情況，將導(dǎo)致雨水積聚在擋墻以?xún)?nèi)無(wú)法有效排出。因此，墻后填土排水不暢可能導(dǎo)致?lián)鯄﹂_(kāi)裂。

3 有限元數(shù)值分析

采用常規(guī)方法，很難對(duì)裂縫成因進(jìn)行判斷，因此為了掌握加固后的擋墻在車(chē)輛荷載、錨索荷載以及排水不暢時(shí)的受力狀態(tài)，利用ADINA 軟件進(jìn)行三維有限元數(shù)值計(jì)算，以便更加充分合理地認(rèn)識(shí)裂縫成因。

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

有限元模型共41940 個(gè)節(jié)點(diǎn)，38676 個(gè)單元，可準(zhǔn)確模擬混凝土擋墻、墻后填土、巖體等結(jié)構(gòu)；擋墻沉降縫、墻背與填土接觸面、填土與巖體接觸面等均采用薄層單元模擬。擋墻有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 擋墻有限元模型

混凝土擋墻及巖體采用各向同性線彈性材料模型，墻后填土采用Mohr-Coulomb 材料模型，材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料參數(shù)表

3.2 計(jì)算荷載組合

本次計(jì)算主要分析車(chē)輛荷載、錨索荷載以及排水不暢時(shí)，擋墻受力狀態(tài)。故計(jì)算以下3 種情況：

（1）擋墻自重+填土自重+車(chē)輛荷載+錨索荷載；

（2）擋墻自重+填土自重+車(chē)輛荷載+考慮錨索失效；

（3）擋墻自重+填土自重+車(chē)輛荷載+錨索荷載+墻背水荷載。

其中，車(chē)輛荷載采用城-A 級(jí)（總重700 kN），標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)符合表3[3]，汽車(chē)荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)取1.4，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取0.9[4]。

表3 城-A 級(jí)車(chē)輛荷載

3.3 計(jì)算結(jié)果

表4 為擋墻應(yīng)力變形最值；圖4 為擋墻順行車(chē)向和垂直行車(chē)向位移云圖（工況1）；圖5 為擋墻順行車(chē)向應(yīng)力云圖（工況1）。

對(duì)于工況1，擋墻在順行車(chē)向主要表現(xiàn)為張拉變形，最值為0.46 mm；擋墻在垂直行車(chē)向主要表現(xiàn)為向填土外側(cè)位移，最值為2.15 mm；擋墻主拉應(yīng)力基本表現(xiàn)為順行車(chē)向，最值出現(xiàn)在擋墻中段頂部位置，為0.43 MPa，小于C30 混凝土抗拉強(qiáng)度1.43 MPa。

對(duì)于工況2，擋墻應(yīng)力變形規(guī)律與工況1 基本一致，但其應(yīng)力變形數(shù)值較工況1 大?？紤]錨索失效時(shí)，擋墻拉應(yīng)力較工況1 大0.14 MPa，說(shuō)明錨索對(duì)減小擋墻的應(yīng)力變形起有利作用，但受錨索布置角度（豎向布置）影響，其效果有限。

對(duì)于工況3，水荷載對(duì)擋墻應(yīng)力變形有不利影響。擋墻順行車(chē)向位移最大為1.15 mm，是工況1 的2.5 倍；垂直行車(chē)向最大位移為6.08 mm，是工況1 的2.8 倍。擋墻順行車(chē)向拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂部，最大為1.27 MPa，是工況1 的3 倍，故應(yīng)重視墻后填土排水。

表4 擋墻應(yīng)力變形最值

圖4 工況1 擋墻墻背側(cè)位移（單位：mm）

圖5 工況1 順行車(chē)向擋墻應(yīng)力云圖（單位：MPa）

重車(chē)荷載和含水率等對(duì)墻后填土彈性模量、粘聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)有較大影響，因此有必要對(duì)填土參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，擋墻順行車(chē)向拉應(yīng)力隨填土參數(shù)變化最值見(jiàn)表5。由表可知，擋墻應(yīng)力對(duì)粘聚力參數(shù)變化較為敏感，粘聚力減小33.3%，擋墻應(yīng)力將增大35.7%。泊松比和彈性模量影響次之，內(nèi)摩擦角對(duì)擋墻應(yīng)力基本無(wú)影響。

表5 擋墻順行車(chē)向拉應(yīng)力最值

4 結(jié)論及建議

有限元計(jì)算表明，擋墻拉應(yīng)力基本表現(xiàn)為順行車(chē)向，在荷載作用下，擋墻應(yīng)力未超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，可排除由于結(jié)構(gòu)荷載因素導(dǎo)致?lián)鯄﹂_(kāi)裂。擋墻施工時(shí)段混凝土入倉(cāng)溫度較高，同時(shí)施工過(guò)程未采取降低入倉(cāng)溫度、通水冷卻等措施，結(jié)合擋墻立面裂縫分布規(guī)律及形態(tài)，綜合分析認(rèn)為擋墻出現(xiàn)裂縫的主要影響因素為溫度應(yīng)力。

擋墻由于溫度應(yīng)力出現(xiàn)裂縫，外加重車(chē)及填土排水不暢的情況下，裂縫進(jìn)一步發(fā)展，直至形成貫穿性裂縫。建議對(duì)擋墻裂縫進(jìn)行鑿槽回填砂漿，并增設(shè)測(cè)縫計(jì)；對(duì)擋墻排水設(shè)施進(jìn)行檢查和清理，必要時(shí)重設(shè)排水孔；裂縫出現(xiàn)路段設(shè)置公路警示牌和限重牌。