錨索格構(gòu)梁應(yīng)用于既有重力式擋土墻加固的設(shè)計(jì)探討

劉家國(guó)

介紹了重力式擋土墻常見工程質(zhì)量事故的型式及原因，分析了對(duì)其進(jìn)行加固的工程措施及優(yōu)缺點(diǎn)；對(duì)重力式擋土墻加固的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討，尤其是側(cè)向壓力的計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)于基底摩擦系數(shù)采用反分析求解是適宜的。結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)錨索格構(gòu)梁支護(hù)應(yīng)用于擋土墻加固的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，通過其提供的水平拉拔力，可以很直接地提高擋土墻的抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性，表明其經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可行性是十分明顯的。

一、重力式擋土墻質(zhì)量事故的常見型式及原因

擋土墻是支承填土并阻止填土或土體變形失穩(wěn)的構(gòu)筑物，而重力式擋土墻是以自身重力來維持擋土墻在土壓力作用下的穩(wěn)定，承受的主要載荷是土壓力、水壓力和墻頂?shù)孛娉d、建（構(gòu)）筑物基底附加壓力傳遞給墻身的附加應(yīng)力等外來作用。漿砌毛石工藝在以往重力式擋土墻工程中應(yīng)用十分廣泛，它具有就地取材、施工方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；但因墻身砌體材料的抗拉、抗剪強(qiáng)度較低，對(duì)地基的不均勻沉降較為敏感，易受外部環(huán)境條件的改變或砌筑砂漿不飽滿等原因出現(xiàn)工程事故。

擋土墻質(zhì)量事故主要表現(xiàn)為其穩(wěn)定性降低，一般會(huì)出現(xiàn)不同程度的開裂、鼓肚、坍塌、傾斜、下沉、失穩(wěn)、傾覆、滑移等。究其原因，從大量的擋土墻事故調(diào)查表明：有勘察、設(shè)計(jì)、施工和后期使用維護(hù)方面的原因，施工是最主要的因素，后期使用管理不當(dāng)和自然災(zāi)害次之，設(shè)計(jì)和勘察的疏忽、瑕疵，也是造成擋土墻質(zhì)量事故的一個(gè)不可忽視的因素面。

二、重力式擋土墻加固常用的工程措施及優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)擋土墻的地基承載力、抗滑移穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)不足時(shí)，一般可采用以下幾種加固措施：

（1）在擋土墻外側(cè)增加一道新的擋土墻，加大其厚度和自重，提高抗傾覆力矩和抗滑力，使新舊擋墻共同受力，抵擋水、土壓力；此種措施，可能受到墻趾下場(chǎng)地限制，而無法實(shí)現(xiàn)。

（2）擋土墻墻趾處增設(shè)抗滑樁，可以顯著提高墻體的抗滑穩(wěn)定性；但其造價(jià)相對(duì)較高。

（3）錨桿格構(gòu)梁，是擋土墻加固中用得較多的工程措施，因?yàn)樗芍苯咏o墻身提供較大的水平抗力，提高墻體的穩(wěn)定安全系數(shù)，同時(shí)通過格構(gòu)的作用提高漿砌墻體的整體性，其加固效果明顯、有效；但錨桿成孔施工對(duì)墻體有一定的損傷，需采取措施確保施工期墻體的安全與穩(wěn)定。

（4）對(duì)擋土墻后填土進(jìn)行注漿加固，以改善土體力學(xué)性質(zhì)，減小作用于墻背上的土壓力，此種措施受填土性狀、施工工藝等因素影響，加固效果的離散性和不確定性較大。

三、重力式擋土墻側(cè)向壓力計(jì)算

擋土墻不可能完全符合郎肯和庫(kù)倫土壓力的假定條件和適用范圍，實(shí)際工程中通常用庫(kù)倫理論計(jì)算主動(dòng)土壓力，用郎肯理論計(jì)算被動(dòng)土壓力。

對(duì)于填土中的地下水，當(dāng)為砂土或粉土?xí)r，采用水土分算；當(dāng)為粘性土?xí)r，采用水土合算的原則進(jìn)行計(jì)算。不同的計(jì)算方法，采用不同的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。當(dāng)?shù)叵滤纬蓾B流時(shí)，還需計(jì)算作用在墻身上的動(dòng)水壓力。

四、重力式擋土墻加固設(shè)計(jì)方法探討

加固設(shè)計(jì)前，應(yīng)重點(diǎn)調(diào)查和分析出現(xiàn)事故的具體型式和原因，然后對(duì)擋土墻背的填土進(jìn)行勘查，查明填土及地基土體的物理、力學(xué)性能參數(shù)，地下水位等，結(jié)合土工試驗(yàn)確定的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)驗(yàn)算擋土墻的穩(wěn)定安全系數(shù)，與允許安全系數(shù)比較；同時(shí)可以根據(jù)不同的破壞模式，采取假定某一安全系數(shù)處于極限平衡狀態(tài)，反分析求解土體的強(qiáng)度指標(biāo)，與土工試驗(yàn)的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行比較，取其小值，進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。如果場(chǎng)地缺乏勘察資料，可以利用反分析的參數(shù)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。對(duì)于基底摩擦系數(shù)采用反分析求解，在擋土墻未出現(xiàn)傾覆或滑坍情況下，是適宜的。此外，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在選取土壓力計(jì)算方法時(shí)，采用郎肯土壓力公式，計(jì)算結(jié)果是偏于安全的。

五、工程實(shí)例

1.工程概況

某漿砌毛石擋土墻位于深圳市高新科技產(chǎn)業(yè)園，高約9.0m，長(zhǎng)度272.6m，呈南北走向，擋土墻設(shè)三排泄水孔，坡腳設(shè)排水溝。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，擋土墻部分區(qū)段向外傾斜，墻體中部外拱變形，毛石砌體局部出現(xiàn)水平貫通性裂縫，墻體在沉降縫處有明顯的錯(cuò)開痕跡。擋土墻頂?shù)孛嫱馏w見裂縫，最寬處達(dá)13mm。墻頂水泥路面多處因不均勻沉降而開裂。墻身偶見自上至下的豎直通長(zhǎng)裂縫，縫寬1～4mm；墻根部砌體有兩處已完全塌落形成的墻洞，洞內(nèi)地下水涌出。

2.工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地處殘丘山坡坡腳地帶，地貌單元為殘丘坡地，已經(jīng)填土整平。場(chǎng)地內(nèi)地層自上而下為：人工填土層（Qml）及殘積層（Qel）。 素填土：土黃色，疏松，稍濕，主要由擾動(dòng)的砂質(zhì)粘性土組成，局部夾花崗巖塊、碎石及生活垃圾，厚度8.30m～9.10m。殘積礫質(zhì)粘性土：褐黃、褐紅色，濕，可塑～硬塑，為粗粒花崗巖風(fēng)化殘積而成，原巖結(jié)構(gòu)尚可辨認(rèn)，土質(zhì)較均勻；該層全場(chǎng)地分布，厚度較大，未揭穿。

地下水為賦存于殘積土層中的孔隙潛水和上部素填土中的上層滯水，穩(wěn)定水位埋深為4.5m。擋土墻墻面泄水孔多處水漬明顯，個(gè)別位置仍有水滲出，說明墻后下水管有滲漏，雨季會(huì)有大量降水進(jìn)入土體，對(duì)擋土墻穩(wěn)定性嚴(yán)重不利。

3.設(shè)計(jì)參數(shù)選取

根據(jù)勘察報(bào)告結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，初步驗(yàn)算設(shè)計(jì)參數(shù)取值如下：

4.加固方案

擋土墻頂重新砌筑一道排水溝，攔截坡頂?shù)乇硭?，以防雨水下滲對(duì)擋土墻造成不利影響。

需加固的漿砌重力式擋土墻，建成時(shí)間較長(zhǎng)，質(zhì)量較差，砌筑水泥砂漿不飽滿、脫落，擋土墻頂部不均勻沉降，墻體向外位移，各種跡象表明，擋土墻的抗滑或抗傾覆穩(wěn)定性不滿足要求，采用錨索砼格構(gòu)梁支護(hù)型式，通過錨索提供的抗拔力，來提高擋土墻抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定安全系數(shù)，同時(shí)鋼筋砼格構(gòu)梁使原有散體材料砌筑的擋土墻整體性得到加強(qiáng)。

格構(gòu)梁的縱橫間距為3.5m和3.0m，緊貼擋土墻接觸部位按一定間距打孔植筋，與原擋土墻連成一體，格構(gòu)梁水平方向按照不超過25m留設(shè)20mm寬的伸縮縫。格構(gòu)的交叉點(diǎn)處設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索（錨筋為2×7φ5鋼絞線，fptk=1860MPa）。

在原有擋土墻開孔過程中，采用專用成孔設(shè)備，嚴(yán)禁采用沖擊型鉆機(jī)，以減小對(duì)毛石砌體的振動(dòng)和破壞。為保證施工安全，對(duì)擋土墻采取人工巡視和沉降、水平位移監(jiān)測(cè)。

5.擋土墻加固設(shè)計(jì)

（1）基本參數(shù)

根據(jù)原設(shè)計(jì)和擋土墻竣工圖，其基本參數(shù)為：基底埋深0.5m，墻高9.0m，墻面坡率為1∶0.25，墻背直立，擋土墻頂寬度b=0.75m，擋土墻基底寬度B=3.0m。擋土墻基底的摩擦系數(shù)u=0.3，擋土墻重度r取22kN/m3，墻頂?shù)孛姘淳己奢dqk=10kPa考慮，穩(wěn)定地下水位埋深4.5m。

（2）擋土墻單位延長(zhǎng)米自重計(jì)算

考慮連續(xù)暴雨天氣，地下水位上升到與地表平齊，按水、土合算法計(jì)算作用在擋土墻上的總水平壓力，填土飽和容重按18.5kN/m3計(jì)算。

地面處的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度為：

單位延米擋土墻上作用的總土壓力為：210.73kN/m。

土壓力合力作用點(diǎn)位置：墻底以上2.19m。

（4）抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)Ft=371.25×1.95/(210.73×2.19)=1.57<1.6

不滿足規(guī)范的抗傾覆穩(wěn)定性要求，但差距不大。

（5）擋土墻底抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗滑力為：F=G×u=371.25×0.3=111.38kN/m

滑動(dòng)力為：210.73kN/m

抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)：Fs=111.38/210.73=0.53<1.3

（6）基底摩擦系數(shù)μ反分析計(jì)算

以上計(jì)算表明，抗傾覆穩(wěn)定勉強(qiáng)可滿足要求，但抗滑穩(wěn)定性遠(yuǎn)小于規(guī)范要求，在飽水狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)。

根據(jù)墻身出現(xiàn)水平移位、墻頂出現(xiàn)外傾現(xiàn)象，可以判斷，滑動(dòng)力大于抗滑力，但實(shí)際又沒有完全向外出現(xiàn)大的破壞和大的滑動(dòng)，說明擋土墻處于抗滑穩(wěn)定極限平衡狀態(tài)，根本原因在于擋土墻的地基經(jīng)過了處理，有碎石墊層，其值較勘察報(bào)告提供的經(jīng)驗(yàn)值大，據(jù)此假定抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Fs為1.0，可以反分析計(jì)算求出基底摩擦系數(shù)μ=210.73/371.25=0.567。

（7）擋土墻加固設(shè)計(jì)

土體在飽水工況下，擋土墻上作用的總水平推力為210.73kN/m，按照1.30的安全系數(shù)，抗滑力需達(dá)到273.95kN/m。擋土墻底可提供的抗滑力為371.25kN/m×0.567=210.5kN/m，其差值63.45kN/m則需加固構(gòu)件提供。

采用錨索進(jìn)行擋土墻加固，布置兩排錨索，上下排間垂直距離3.0m，水平方向錨索間距3.5m，最下一排錨索距坡底2.5m，錨桿傾角15°，每根錨索平均承擔(dān)水平拉力111kN（軸向拉力115kN）。

錨固體直徑150mm，錨固體與土體間粘結(jié)強(qiáng)度特征值取17kPa，錨固體與地層粘結(jié)工作條件系數(shù)取1.0。取錨固段長(zhǎng)度為17m，自由段長(zhǎng)度6m，錨索總長(zhǎng)23m，錨索抗拔力標(biāo)準(zhǔn)值為150kN。

錨筋采用1860MPa型7φ5鋼鉸線，抗拉強(qiáng)度1320MPa，按照建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.30，永久性錨桿錨筋抗拉工作條件系數(shù)取0.69，采用兩束鋼鉸線，總面積274.98mm2，桿材滿足要求。

（8）加固后擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)Ft=[(371.25×1.95+(2.5+5.5)×150/3.5]/(210.73×2.19)=2.31>1.6

滿足規(guī)范要求。

（9）加固后擋土墻底抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs=(371.25×0.567+150×2/3.5)/210.73=1.41>1.3

滿足規(guī)范要求。

6.監(jiān)測(cè)情況

擋土墻加固施工期間及完工后兩年內(nèi)，通過對(duì)墻頂?shù)某两?、位移監(jiān)測(cè)，在施工期，出現(xiàn)最大水平位移4.3mm，最大沉降6.7mm，主要是由于加固施工對(duì)原有擋土墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部破壞、且對(duì)墻后填土造成擾動(dòng)、濕水軟化等影響。兩排錨索張拉鎖定后10天左右，變形和沉降趨于穩(wěn)定，而后的連續(xù)兩年監(jiān)測(cè)反饋，未有任何的增加，表明加固是有效的。

六、結(jié)語

（1）重力式擋土墻出現(xiàn)安全隱患的原因是多方面的，做好前期的勘察和設(shè)計(jì)工作，加強(qiáng)施工過程的監(jiān)管和質(zhì)量控制，并在后期的使用過程中，密切注意墻體的排水并做好巡查工作，可大大減小質(zhì)量事故。

（2）擋土墻加固設(shè)計(jì)，應(yīng)分析出現(xiàn)隱患的原因，結(jié)合勘察報(bào)告中的相關(guān)參數(shù)，考慮使用的外部條件和各種工況，分析由于使用條件、地下水等因素變化可能引起場(chǎng)地的工程與水文地質(zhì)條件改變，使原有參數(shù)發(fā)生變化，對(duì)擋土墻進(jìn)行補(bǔ)充勘察，合理確定設(shè)計(jì)所需的相關(guān)參數(shù)。

（3）錨索格構(gòu)梁應(yīng)用于重力式擋土墻加固，其提供的水平抗拔力，可以直接提高擋土墻的抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性，其效果十分明顯。

（4）在錨索格構(gòu)梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能加大錨索的間距，以減小對(duì)原有擋土墻結(jié)構(gòu)的破壞。

（5）錨索施工中，須采用專用設(shè)備成孔，減小對(duì)擋土墻的損傷。

（6）錨索格構(gòu)梁加固施工期間是擋土墻安全性最低的工況，施工期的安全至關(guān)重要，必要時(shí)需采取臨時(shí)加固措施。

（7）格構(gòu)梁與原有擋土墻的連接及梁底可靠的支承，是確保加固后擋土墻耐久性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。