新舊結(jié)合擋土墻加固工程穩(wěn)定性計(jì)算分析及應(yīng)用

王俊港

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

20世紀(jì)90年代，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，許多工程在設(shè)計(jì)及開(kāi)工建設(shè)過(guò)程中沒(méi)有正式的勘察、監(jiān)理、驗(yàn)收等過(guò)程資料，設(shè)計(jì)及建設(shè)過(guò)程不規(guī)范導(dǎo)致工程質(zhì)量無(wú)法把控，同時(shí)隨著工程建筑物使用年限的增長(zhǎng)和設(shè)備的老化，安全隱患開(kāi)始慢慢浮現(xiàn)出來(lái)。擋土墻是水利工程中常見(jiàn)的水工建筑物，幾乎在所有的防洪、灌溉、排澇等水利工程中必不可少，但近年來(lái)因各種因素引發(fā)的擋土墻坍塌事故時(shí)有發(fā)生[1- 3]。特別是位于城市地區(qū)的河道擋土墻，肩負(fù)著重要的防洪、排澇任務(wù)，一旦發(fā)生事故，會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[4]。一些擋土墻工程不宜拆除重建，只能對(duì)原擋土墻進(jìn)行加固，如加厚、加高及錨桿加固等[5]，因此，針對(duì)擋土墻的加固是當(dāng)前除險(xiǎn)加固工程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

本文以梅州市某工程為例，構(gòu)建擋土墻穩(wěn)定計(jì)算模型，綜合考慮擋土墻材質(zhì)、地質(zhì)情況，結(jié)合工程特點(diǎn)，提出針對(duì)性措施，有效排除擋土墻坍塌風(fēng)險(xiǎn)，保障擋土墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及安全。

1 工程概況

1.1 工程概況

梅州市某段堤防全長(zhǎng)4.5km，堤防所屬河流為梅江河，工程始建于1998年，是一座以防洪和交通相結(jié)合的堤防。堤防現(xiàn)有工程等級(jí)、設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)不詳，按GB50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，該堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為20年一遇，相應(yīng)堤防的級(jí)別為4級(jí)。該段堤防建設(shè)過(guò)程未遵循規(guī)范，沒(méi)有正式勘察、設(shè)計(jì)，完工后也未經(jīng)主管部門(mén)驗(yàn)收。該堤防經(jīng)過(guò)10多年的運(yùn)行，存在安全隱患，主要表現(xiàn)在防洪墻質(zhì)量差，強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)老化，年久失修，堤頂?shù)缆钒枷荨⑵茡p嚴(yán)重，發(fā)生沉降裂縫，如圖1所示，亟需除險(xiǎn)加固。堤防現(xiàn)狀為仰斜式混凝土擋土墻，墻體等寬，墻頂寬度1.8～2.2m，墻高12～14m，坡比為1:0.2，現(xiàn)狀堤防代表斷面如圖2所示。

圖1 現(xiàn)狀堤頂?shù)缆妨芽p

圖2 現(xiàn)狀堤防代表斷面圖

1.2 工程區(qū)巖土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

代表性斷面的擋土墻基礎(chǔ)為中密卵石層，墻后填土為素填土和中密卵石層，工程地質(zhì)條件較好，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為250kPa，主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 工程區(qū)巖土層主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值

2 現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

首先驗(yàn)算舊擋土墻穩(wěn)定，采用理正巖土計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算[6- 10]。

2.1 整體穩(wěn)定計(jì)算

對(duì)舊擋土墻進(jìn)行整體穩(wěn)定分析，選擇簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算，不同工況下計(jì)算的擋土墻的整體穩(wěn)定安全系數(shù)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 舊擋土墻整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

舊擋土墻各工況下的整體穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，不會(huì)整體失穩(wěn)。

2.2 抗滑、抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算

對(duì)舊擋土墻進(jìn)行抗滑、抗傾覆穩(wěn)定分析，擋土墻墻背土壓力采用庫(kù)倫土壓力理論進(jìn)行計(jì)算，基底摩擦系數(shù)取0.45，不同工況下計(jì)算的擋土墻抗滑、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 舊擋土墻抗滑、抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

舊擋土墻各工況下的抗滑、抗傾覆穩(wěn)定均不滿足規(guī)范要求，擋土墻處于失穩(wěn)狀態(tài)。

2.3 擋土墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析可知，擋土墻自身結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定是擋土墻結(jié)構(gòu)變形、堤頂?shù)缆烽_(kāi)裂的重要原因。除此之外，以下原因也導(dǎo)致了擋土墻失穩(wěn)。

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查看，擋土墻外墻面排水孔大部分無(wú)排水痕跡，排水系統(tǒng)失效，墻后水壓力增大，造成墻體失穩(wěn)滑動(dòng)。

(2)根據(jù)墻體抽芯揭露：墻體臨水面0.8m范圍內(nèi)混凝土膠結(jié)較好，0.8～2.0m膠結(jié)較差，巖芯呈碎塊狀，結(jié)構(gòu)整體性及強(qiáng)度差，墻體質(zhì)量不合格。

綜上所述，擋土墻自身結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、墻體排水系統(tǒng)失效、墻體質(zhì)量不合格等因素是造成擋土墻失穩(wěn)、變形的主要原因[11]。

3 擋土墻加固方案

3.1 加固工程難點(diǎn)分析

(1)需要綜合考慮擋土墻加固的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

(2)擋土墻后為市政道路，工程建設(shè)受用地條件制約。

(3)需要考慮新、舊擋土墻之間如何能更好地結(jié)合，要對(duì)舊擋土墻在穩(wěn)定計(jì)算時(shí)所起的作用進(jìn)行分析。

3.2 加固設(shè)計(jì)方案

通過(guò)以上對(duì)現(xiàn)狀擋土墻的分析，綜合考慮工程用地、安全性和經(jīng)濟(jì)性，推薦采用C20鋼筋砼護(hù)面墻對(duì)擋土墻進(jìn)行加固。施工前需打通排水管，重建擋土墻排水系統(tǒng)，通過(guò)鑿毛和錨筋使新舊墻緊密結(jié)合；新墻頂寬0.8m，面坡坡度為1:0.35；新墻基礎(chǔ)采用雙排φ1000灌注樁梅花型布置，單樁長(zhǎng)8m，樁距3m，排距2.5m；墻前回填土形成反壓平臺(tái)，護(hù)面采用500mm厚M7.5漿砌塊石防沖刷；墻頂采用C20鋼筋砼防浪墻加高至設(shè)計(jì)堤頂高程，并在墻頂布置一條3m寬的人行道。典型斷面如圖3所示。

圖3 堤防加固方案典型斷面圖

3.3 穩(wěn)定計(jì)算分析

3.3.1完建期工況

完建期工況擋土墻受到外力有擋土墻自重、墻后土壓力和地基反力，根據(jù)《支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[12]和SL744—2016《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]計(jì)算出上述各力后對(duì)擋土墻進(jìn)行受力分析，受力分析簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 完建期工況受力分析簡(jiǎn)圖

(1)抗滑穩(wěn)定計(jì)算

通過(guò)受力分析，計(jì)算出舊擋土墻的滑移力為412.546kN，抗滑力為346.752kN。考慮到新舊擋土墻結(jié)合效果的問(wèn)題，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，舊擋墻抗滑力按50%取用，即舊擋土墻提供的抗滑力為173.376kN。

擋土墻加固后，新?lián)跬翂Φ目够θ坑捎晒嘧短峁?。根?jù)DBJ15- 31—2003《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]，樁身配筋率不小于0.65%的鉆孔灌注樁單樁水平向承載力特征值按式(1)計(jì)算。

(1)

通過(guò)計(jì)算，采用雙排φ1000灌注樁梅花型布置，單樁長(zhǎng)8m，樁距3m，排距2.5m，灌注樁單樁水平承載力為560kN，因此灌注樁對(duì)每米擋土墻提供的抗滑力為373kN。

加固后擋土墻完建期的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc為1.324，大于1.200，根據(jù)SL379—2007《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]，抗滑驗(yàn)算滿足。

(2)抗傾穩(wěn)定計(jì)算

本工程應(yīng)驗(yàn)算加固后擋土墻繞前排樁樁頂中心點(diǎn)的傾覆穩(wěn)定性。

通過(guò)受力分析，并對(duì)樁頂中心點(diǎn)取矩，各力矩計(jì)算見(jiàn)表4。

表4 完建期力矩計(jì)算表

由表4可知，完建工況下加固后擋土墻的傾覆力矩為2037.028kN·m、抗傾覆力矩為6855.803kN·m。

完建工況下加固后擋墻的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)K為3.366，大于1.400，根據(jù)規(guī)范，抗傾覆驗(yàn)算滿足。

(3)基底應(yīng)力計(jì)算

完建工況新建擋土墻作用在基底的總豎向力為679.038kN，全部由灌注樁承擔(dān)。樁插入中密卵石層，單樁承載力按摩擦型端承樁計(jì)算，樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值取2000kPa，樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值取45kPa，通過(guò)計(jì)算，φ1000灌注樁單樁豎向承載力特征值為1300kN。因此，灌注樁對(duì)每米擋土墻提供的豎向承載力為679.038 kN，大于總豎向力，滿足承載力要求。

3.3.2設(shè)計(jì)洪水工況

設(shè)計(jì)洪水工況墻前、墻后水位均為20年一遇洪水位，擋土墻受到的外力有擋土墻自重、墻后土壓力、地基反力、浮托力和墻前、墻后水壓力，計(jì)算出上述各力后對(duì)擋土墻進(jìn)行受力分析，受力分析簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)洪水工況受力分析簡(jiǎn)圖

(1)抗滑穩(wěn)定計(jì)算

通過(guò)受力分析，計(jì)算出舊擋土墻的滑移力為228.803kN，抗滑力為203.831kN，抗滑力按50%取用，即舊擋土墻抗滑力為101.9kN。

計(jì)算得加固后擋土墻設(shè)計(jì)洪水工況的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc為2.07，大于1.200，抗滑驗(yàn)算滿足。

(2)抗傾穩(wěn)定計(jì)算

通過(guò)受力分析，并對(duì)樁頂中心點(diǎn)取矩，各力矩計(jì)算見(jiàn)表5。

表5 設(shè)計(jì)洪水工況力矩計(jì)算表

由表5可知，設(shè)計(jì)洪水工況下加固后擋土墻的傾覆力矩為7388.344kN·m、抗傾覆力矩為10847.003kN·m，計(jì)算得設(shè)計(jì)洪水工況下加固后擋墻的抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)Ko為1.468，大于1.400，抗傾覆驗(yàn)算滿足。

(3)基底應(yīng)力計(jì)算：

設(shè)計(jì)洪水工況新建擋土墻作用在基底的總豎向力為450.047kN，小于灌注樁提供的豎向承載力，滿足承載力要求。

3.3.3水位驟降工況

水位驟降工況為墻前水位由20年一遇洪水位驟降0.5m，墻后水位保持20年一遇洪水位不變。擋土墻受到的外力有擋土墻自重、墻后土壓力、地基反力、浮托力和墻前、墻后水壓力，計(jì)算出上述各力后對(duì)擋土墻進(jìn)行受力分析，受力分析簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 水位驟降工況受力分析簡(jiǎn)圖

(1)抗滑穩(wěn)定計(jì)算

通過(guò)受力分析，計(jì)算出舊擋土墻的滑移力為295.169kN，抗滑力為205.089kN，抗滑力按50%取用，即舊擋土墻抗滑力為102.5kN。

計(jì)算得加固后擋土墻水位驟降工況的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc為1.611，大于1.05，抗滑驗(yàn)算滿足。

(2)抗傾穩(wěn)定計(jì)算

通過(guò)受力分析，并對(duì)樁頂中心點(diǎn)取矩，各力矩計(jì)算見(jiàn)表6。

表6 水位驟降工況力矩計(jì)算表

由表6可知，水位驟降工況下加固后擋土墻的傾覆力矩為7347.829 kN·m、抗傾覆力矩為 10411.643kN·m。計(jì)算得水位驟降工況下加固后擋墻的抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)：Ko為1.417，大于1.300，抗傾覆驗(yàn)算滿足。

(3)基底應(yīng)力計(jì)算：

設(shè)計(jì)洪水工況新建擋土墻作用在基底的總豎向力為429.622kN，小于灌注樁提供的豎向承載力，滿足承載力要求。

4 結(jié)論

本文以梅州市某段堤防的擋土墻為例，系統(tǒng)分析了該擋土墻現(xiàn)狀存在的問(wèn)題，并提出加固方案，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)對(duì)于失穩(wěn)的仰斜式擋土墻，可采用加厚舊擋土墻的方案對(duì)其進(jìn)行加固。

(2)由于新增擋土墻不會(huì)改變墻后土壓力，可以將舊墻的滑動(dòng)力和抗滑力疊加到新墻上，以此模型進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

(3)在進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，若完全不考慮舊擋土墻的作用，則投資需要增加較大；考慮到新舊擋土墻結(jié)合、施工質(zhì)量等問(wèn)題，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)可以考慮50%舊擋土墻的抗滑力。

(4)在進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，可以將新舊擋土墻看作一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)算。