公路路堤擋土墻失穩(wěn)機理及加固方法研究

楊宇波

廣東恒泰公路工程有限公司，廣東 梅州 514000

公路工程中應(yīng)用的擋土墻種類有很多，主要形式有重力式、錨桿式、錨定板式、扶壁式等[1]，其中屬重力式擋土墻應(yīng)用得最多，應(yīng)用范圍最廣。加筋土式和錨定板式擋土墻相比于重力式擋土墻具有節(jié)省材料和場地的特點，是一種新型的擋土墻[2]。隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，擋土墻在公路工程和交通工程中的應(yīng)用越來越多，在填方路堤中經(jīng)常采用的擋土墻形式為加筋土擋土墻和重力式擋土墻等[3]。擋土墻具有占地少、施工簡單、造價低的特點，但隨著使用年限的增長，擋土墻會出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象，因此文章針對該病害進行了相應(yīng)分析研究[4]。

1 擋土墻失穩(wěn)形式

擋土墻的主要作用是對可能發(fā)生滑動的土體進行支擋，使結(jié)構(gòu)的抗滑力大于土體的下滑力，主要應(yīng)用于水利、公路、礦山和鐵路等工程中[5]。擋土墻失穩(wěn)原理是隨著土側(cè)壓力和交通荷載等的長時間作用，擋土墻的抵抗能力會慢慢減弱，同時穩(wěn)定性也會慢慢減弱，最終土體的下滑力大于墻體的抗滑力而發(fā)生墻體失穩(wěn)的現(xiàn)象。當(dāng)擋土墻長時間被河水浸泡或受到地震的偶然作用時，失穩(wěn)現(xiàn)象會表現(xiàn)得更加突出[6]。擋土墻發(fā)生破壞有不同的形式：在土側(cè)壓力或外荷載作用下，擋土墻發(fā)生整體平移的現(xiàn)象；擋土墻的下部穩(wěn)定性大于上部穩(wěn)定性，導(dǎo)致墻體上部發(fā)生轉(zhuǎn)動；當(dāng)擋土墻下部位于滑動面附近時，擋土墻會發(fā)生上部穩(wěn)定墻踵轉(zhuǎn)動現(xiàn)象。三種失穩(wěn)形式如圖1所示。

圖1 擋土墻失穩(wěn)形式圖

2 工程概況

省道S221線大埔段改造工程（大埔縣城埔城電站出口至坳背段）大型擋土墻位于樁號K51+250～K51+300左側(cè)，該地段的場地土主要有粉土、細砂和黏土。該段擋土墻為臨河建設(shè)，墻身平均高度為7m，是在原有的擋土墻的基礎(chǔ)上加固建設(shè)的。

路基在運營過程中路面出現(xiàn)了沉降病害，擋土墻的墻身多處出現(xiàn)了裂縫病害。通過工程經(jīng)驗和以往工程案例可知，對路面進行修補，對擋土墻進行加固后，墻體仍有外傾的趨勢，因此需對擋土墻進行相應(yīng)的加固，保證其穩(wěn)定性和道路行車的安全性。

3 加固方案設(shè)計

擋土墻失穩(wěn)后的加固方法有預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合加固、預(yù)應(yīng)力錨固、噴射混凝土以及加筋噴射混凝土等。預(yù)應(yīng)力錨桿與噴射混凝土聯(lián)合使用較二者單獨使用的效果更好，但是這種加固形式中的混凝土為素混凝土，抗剪強度低，因而在危險地區(qū)和大型工程中不被采用。加筋噴射混凝土和預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合的方式可以改善上述加固方式的不足，使加固結(jié)構(gòu)和墻體有效結(jié)合成整體，減少預(yù)應(yīng)力損失，共同受力，共同抵御外部荷載。該工程中最適用的加固方式為路基填土注漿結(jié)合加筋噴射混凝土和預(yù)應(yīng)力錨桿加固。

4 土體注漿

4.1 注漿機理

由于土體自身存在的特殊性質(zhì)，在進行壓力注漿時應(yīng)考慮的因素有注漿壓力和漿液稠度，在漿液作用下，土體產(chǎn)生改性的物理機理如下。

滲透機理：當(dāng)土體較為松散時，漿液通過土體的縫隙進入內(nèi)部（前提是不能破壞土體的結(jié)構(gòu)），使土體和漿液形成整體結(jié)構(gòu)，從而改變土體的力學(xué)性質(zhì)。

壓密機理：較為濃稠的漿液在高壓作用下通過注漿孔強行壓入孔內(nèi)，使土體變得密實。在壓力作用下，通過對周邊土體進行擠壓，使一定范圍內(nèi)的土體變得密實。該過程中土體比重、壓縮模量和內(nèi)摩擦角都有一定程度的增長，相反，孔隙比和壓縮系數(shù)開始減小。

4.2 土體改性分析

文章通過對注漿前后的土體進行相應(yīng)試驗，得到物理力學(xué)性質(zhì)的變化，變化值如表1所示。

表1 指標(biāo)變化表

通過表1注漿前后的指標(biāo)變化可以得出，擋土墻背后的土體通過注入漿液的方式改變了土體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和改性性能；墻后土體通過注漿的滲透和壓密作用使空隙被充滿，壓縮模量有所提高，壓縮比和孔隙比降低。當(dāng)土體中注漿壓力達到一定數(shù)值后，土體開始出現(xiàn)劈裂層面擴大、裂隙寬度增大、漿液呈脈狀或?qū)訝钸M入土體現(xiàn)象，形成具有一定穩(wěn)定性的骨架結(jié)構(gòu)。

5 錨桿加固設(shè)計

5.1 墻后填土滑移力分析

通過現(xiàn)場調(diào)查可知，提供墻后填土滑移力的荷載主要是土體的自重和行車荷載，墻后填土主要是黏性土，其中含有5%的砂。填土按均質(zhì)結(jié)構(gòu)考慮。滑移力的計算公式如下：

式中：Fs為單位長度的滑移力，kN；Ws為滑移土體的重量，kN/m；Ka為土壓力的側(cè)壓系數(shù)；Kas為行車荷載的側(cè)壓系數(shù)；q為汽車的均布荷載，kN/m2；L為滑移土體的最大寬度，m；λ為距離常數(shù)；H為滑移體的最大高度，m；Kal為行車荷載的側(cè)壓系數(shù)；Fc為土的內(nèi)聚力，kN/m；Fw為墻面摩擦力，kN/m。

通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)路面己開裂，因此在進行計算時內(nèi)聚力可忽略，擋土墻結(jié)構(gòu)已破壞，因此計算時摩擦力不考慮。擋土墻的參數(shù)取值如表2所示。

表2 擋土墻參數(shù)值表

經(jīng)計算，F(xiàn)s=400.7kN，安全系數(shù)取值為1.3，結(jié)構(gòu)抗滑力FR=521kN。

5.2 錨桿設(shè)計

文章中錨桿自由段長度取值為6m，通過計算可知，錨桿的錨固段長度為6m，錨桿總長度為12m。錨桿間距統(tǒng)一設(shè)置為2.5m×2.5m。由直徑的計算公式可知，錨桿的直徑d為26.5mm。由鋼筋規(guī)格可知，實際采用直徑為28mm的熱軋鋼筋。

5.3 錨桿注漿設(shè)計

該工程中采用二次注漿法。漿液水灰比為0.5，第一次的注漿壓力為0.5MPa，第二次注漿在第一次注漿完成后12h進行，注漿壓力為2～3MPa；第一排錨桿的注漿壓力為2MPa，第二排錨桿的注漿壓力為2.5MPa，第三排錨桿的注漿壓力為3MPa。通過二次注漿實現(xiàn)了土體的改性和穩(wěn)定性能的提高。在錨頭處0.6m的范圍內(nèi)加鋼筋網(wǎng)來承受拉應(yīng)力，將混凝土厚度加至150mm。

6 結(jié)論

文章通過對擋土墻失穩(wěn)機理及加固方法進行分析得出以下結(jié)論：（1）擋土墻的失穩(wěn)形式主要有三種，分別為整體平移、墻體上部發(fā)生轉(zhuǎn)動、墻踵轉(zhuǎn)動；（2）文章通過實際工程對加固方法進行分析，采用的加固方案為路基填土注漿結(jié)合加筋噴射混凝土和預(yù)應(yīng)力錨桿加固，該方法增加了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。通過設(shè)計可知錨桿結(jié)構(gòu)的抗滑力為521kN，錨桿設(shè)計的直徑為28mm，間距為2.5m×2.5m，混凝土的噴射厚度為150mm。