建筑工程中擋土墻加固中灌漿的應(yīng)用研究

白宗瑞

(甘肅第三建設(shè)集團有限公司,甘肅 蘭州 730000)

擋土墻是一種被廣泛用于水利、交通、港口等行業(yè)的支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù)墻體材質(zhì),擋土墻分為砌體擋墻、鋼筋混凝土擋墻,因其材料易取、施工簡便、成本低廉、支護效果好,目前其已被廣泛應(yīng)用于民用建筑領(lǐng)域。然而,結(jié)合工程經(jīng)驗來看,擋土墻在工程中的應(yīng)用越來越廣泛,其自身也出現(xiàn)了裂縫、整體滑動、外傾,甚至是不穩(wěn)定等主要問題[1,2]。當擋土墻出現(xiàn)明顯的破壞跡象時,需要對其進行改造和加固,以達到安全要求。

1 化學(xué)灌漿法加固擋墻的力學(xué)性能研究

傳統(tǒng)的土壓理論主要有庫倫土壓和蘭肯土壓兩種基本原理。在圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計中,通常是先開挖穩(wěn)定邊坡,然后再進行圍護。因此,通常以庫倫土壓力為計算理論。目前,國內(nèi)已有的擋土墻圖冊均基于庫倫土壓力理論而編寫。

庫倫土壓力理論的基本假設(shè)如下:①圍護后土層為均勻等向無黏土;②當擋土墻后出現(xiàn)有源或無源土壓力時,墻后土體將形成滑動楔形,滑動面為穿過墻踵的平面;③將滑動土楔看作是剛性體,利用滑動土楔在極限平衡狀態(tài)下,利用靜態(tài)平衡條件,計算出庫倫土壓力和動土壓力。對于擋土墻,通常是在填土完畢后,由其承擔(dān)主土壓力。庫倫主動土壓力Ea的計算公式:

令

ka=cos2(j-ε)/cos2ε·cos(ε+d)

(2)

上式中:ka表示庫倫主動土壓力系數(shù);h為擋土墻高度;g為土體重度;j為土體內(nèi)摩擦角;ε為墻背傾斜角;b為墻后填土面傾斜角;d為墻背與土體之間摩擦角。

由于朗肯土壓力理論的假設(shè)條件較為簡單,當墻背垂直、光滑,土體表面水平時,庫倫土壓力即轉(zhuǎn)換為無黏性土的朗肯土壓力,如式(3)所示。

在考慮黏聚力的情況下,庫倫的主動土壓力比朗肯的要大;采用庫倫主動土壓力是一種較保守的方法,可以增加安全系數(shù)。因此,從圍護形式、施工工況、墻后填土的形成等方面進行了論述;考慮到擋土墻的需要,本文提出了利用庫倫土壓力理論進行圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。

從理論上講,如果擋土墻在不改變原有結(jié)構(gòu)形式的情況下,可以使墻體后土壓力值減小,從而達到圍護結(jié)構(gòu)的目的。在庫倫土壓力的計算中,h、ε、b、d、g幾乎不能被改變。而采用注漿方法,使墻體后面的土體形成強度,能有效地增加j,降低土壓力。主動土壓力系數(shù)變化曲線見圖1。

圖1 主動土壓力系數(shù)變化曲線

從圖1可以看出,庫倫主動土壓力系數(shù)隨土內(nèi)摩擦角的增加而呈遞減趨勢;主動土體的壓降速度較快。以普通沙土為例,其內(nèi)部摩擦角為20°～25°,假定墻體豎直,砂土內(nèi)部摩擦角由20°增加到35°時,主動土壓力系數(shù)由0.447下降到0.246,減小幅度達45%,與之對應(yīng),主動土壓力下降45%,能有效地改善圍巖的安全與穩(wěn)定。

以圖2所示的擋墻為例,采用非黏性砂土,在沙土中的內(nèi)摩擦角由20°增大到35°時,其抗滑動安全系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨時間的變化見表1。

圖2 擋土墻截面尺寸

表1 工程擋土墻安全系數(shù)

由表1可知,在沙土中的內(nèi)摩擦角度由20°增加到35°時,其抗滑移穩(wěn)定系數(shù)分別增加1.6倍和62%。

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根據(jù)上述分析,只要灌漿均勻,采用注漿方法進行填土加固;而且注漿后,土體會形成更好的固結(jié)體,可有效增加土壤中的沙土內(nèi)摩擦角,達到注漿加固效果。

2 工程概述

2.1 項目簡介

某科技開發(fā)區(qū)綜合辦公大樓的后側(cè),因邊坡填土比較高,采取了砌體擋墻作為擋土墻,最小的一級擋土墻與辦公樓只有1.5 m的距離。擋土墻完成1年左右,1/3墻體向外凸起變形,砌體間的灰漿因受拉而脫落,墻體后填土因雨水沖刷等原因,墻體后方有孔洞,對墻體的正常使用造成了很大的影響,如果不加強防護,就會對鄰近的加油站造成威脅。

在建筑工程中,擋墻間距只有1.5 m,受工程環(huán)境的制約,使擋土墻可供選擇的方案受到很大的制約。通過綜合分析,確定了在墻后進行充填注漿,以增強地基自身強度和穩(wěn)定性,達到降低土壓力的目的[4]。擋土墻加固剖面示意見圖3。

圖3 擋土墻加固剖面示意

2.2 加強計劃

以圖3為例,在擬加固擋墻的填土區(qū)內(nèi),設(shè)置有3列水平的注漿孔,間隔1 m左右,縱向1.5 m,孔深與墻體高度一致。注漿深度與墻體高度一致,以庫倫土壓破壞角度為水平方向的楔狀區(qū)域,其厚度為b+tan(45°—j/2)。在此項目中,因受上部擋墻空間的制約,注漿區(qū)域只能限于上、下兩層擋墻之間的馬道(見圖4)。

圖4 擋土墻加固范圍示意

為確保注漿效果,使?jié){液充分滲入土壤中,能有效地固結(jié)土壤,增加內(nèi)部摩擦角,并對施工期間的注漿質(zhì)量進行量化控制,采用縱向分段控制。具體的分段注漿方式見圖5。在縱向上,每隔9 m就分成一個灌漿區(qū),每個灌漿區(qū)的兩端都有一個灌漿孔,每個灌漿孔的水平距離大約200 mm,中間用化學(xué)灌漿法進行隔離。

圖5 灌漿孔布孔平面示意

采用XT408系列超細水泥劑灌漿材料進行化學(xué)灌漿,它是一種以超細水泥、膨脹劑、礦渣等為主要添加劑的無機超細注漿材料。采用化學(xué)灌漿技術(shù),將各區(qū)域沿縱向分隔成不同的灌漿區(qū)域,對各區(qū)段進行逐層注漿,并對各區(qū)段進行了注漿量控制,以確保各區(qū)段的充填效果及灌漿質(zhì)量,有效改善了土體內(nèi)部的摩擦角[5]。

在各分段間形成隔墻后,各區(qū)間內(nèi)注漿孔均采用水泥漿進行注漿。各分段的灌漿數(shù)量由公式(4)來計算。

Q=a·A·L·n

(4)

根據(jù)以往的灌漿試驗及注漿加固效果可知,在不同地區(qū),當灌漿量為1.1～1.3Q時,土壤中的孔隙充填是比較理想的。在灌漿過程中,首先用化學(xué)灌漿將各部分分開,然后按1.1～1.3Q的灌漿比例進行控制。

2.3 強化作用

在注漿完畢后,為檢測擋土墻后土層的加固效果,在墻后填土區(qū)內(nèi)設(shè)置3個取心孔,其完整性、膠結(jié)程度和均勻性都較好,且固結(jié)后的水泥土強度也較高。

該項目于2019年10月竣工后,采用噴射混凝土修補擋墻。直到現(xiàn)在,擋土墻還在使用,原本已經(jīng)膨脹起來的情況也沒有發(fā)生,墻壁完好無損,這表明灌漿加固的效果很好,也達到了加固的目標。

3 結(jié)語

根據(jù)土力學(xué)原理,對擋土墻充填區(qū)注漿進行了分析,并結(jié)合工程實例進行了驗證。

(1)根據(jù)擋土墻施工工況、墻后填土的形成過程,運用庫倫土壓力理論進行設(shè)計和計算,其實際應(yīng)用更為廣泛。

(2)在擋土墻充填區(qū)進行注漿加固,增加土體內(nèi)部的摩擦角,可以有效地減少土壓力,進而對擋土墻進行加固。

(3)采用化學(xué)灌漿技術(shù),在圍護結(jié)構(gòu)加固區(qū)內(nèi)形成縱向隔離,并對灌漿進行控制,以確保各區(qū)段的注漿質(zhì)量。

(4)根據(jù)土體應(yīng)力原理,可以確定擋土墻的水平方向,從而達到注漿加固的目的。

(5)在擋土墻后進行充填,可以在土壓力源上減小土壓力,這是一種積極的加固方式,能在技術(shù)、經(jīng)濟、施工上取得良好的效果。