微型鋼管樁加固重力式擋土墻的應(yīng)用

朱成華，魏小勇

（1 重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司，重慶 400016；2 重慶佰晟捷建筑工程有限公司，重慶 401120）

重慶市作為山地城市，地勢(shì)高低起伏，建筑特色明顯，特別是老舊小區(qū)通常依山就勢(shì)而建，建筑場(chǎng)地以多個(gè)臺(tái)地進(jìn)行布置，地勢(shì)高差以擋土墻作為支擋。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，老舊小區(qū)周?chē)捌鋬?nèi)部現(xiàn)存擋土墻的安全性大部分不符合國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范的要求，針對(duì)這類(lèi)擋土墻的加固處理非常重要，加固處理方法應(yīng)能夠提升現(xiàn)有擋土墻的安全性，確保老舊擋土墻有更高的穩(wěn)定性、更小的基底壓力。同時(shí)，既要考慮節(jié)約成本、減少工期，又要滿足施工方便、環(huán)境影響小等要求。

1 常規(guī)加固方法簡(jiǎn)述

目前，擋土墻的加固設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用研究取得了系列成果，李純玉[1]系統(tǒng)分析了重力式擋土墻穩(wěn)定性的影響因素，Castillo 等[2]將安全系數(shù)法用于擋土墻的加固和修復(fù)，張春標(biāo)[3]應(yīng)用錨桿及注漿技術(shù)加固擋土墻，張振奮等[4]在擋土墻加固工程中應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)，周興龍等[5]在深厚垃圾場(chǎng)地漿砌片石重力式擋土墻加固中應(yīng)用樹(shù)根樁，李強(qiáng)等[6]對(duì)樁板式擋土墻加固方案及技術(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，余波江[7]在擋土墻加固工程中應(yīng)用水平受荷樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，張文超[8]等在擋土墻加固中應(yīng)用灌漿法，于志清等[9]總結(jié)了重力式擋土墻修復(fù)加固實(shí)例。常用的老舊擋土墻加固方法有增大截面、增設(shè)抗滑樁、增設(shè)樹(shù)根樁、增加錨固、灌漿等方法，但針對(duì)老舊小區(qū)改造項(xiàng)目上述方法均有著一定的局限。增大截面法是在擋土墻的外側(cè)增大一定的截面，需要占用一定的額外墻前使用空間，但老舊小區(qū)空間基本條件較差，很難找到預(yù)留空間，基礎(chǔ)坑槽開(kāi)挖也會(huì)對(duì)原有擋土墻的地基產(chǎn)生擾動(dòng)影響；增設(shè)抗滑樁、樹(shù)根樁同樣也有上述的空間問(wèn)題，并且其成本較高，又由于通常不具備大型機(jī)械成孔的條件，采用人工挖孔施工風(fēng)險(xiǎn)較大；增加錨固需外設(shè)錨頭依然存在占用空間的問(wèn)題，并且該方法將受制于擋土墻后的巖層情況，適用范圍較小；灌漿法對(duì)土體的加固效果難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，檢測(cè)難度大，并且灌漿法易跑漿成本較高。因此，傳統(tǒng)加固方法在老舊小區(qū)的改造中都有比較明顯的限制條件，適用性較差。

老舊擋土墻新型加固方法的研究因而非常必要且緊迫，針對(duì)老舊小區(qū)改造的特點(diǎn)，進(jìn)行新型加固方法的研究并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品，將可以極大地滿足目前市場(chǎng)的需求，對(duì)加快工程建設(shè)、節(jié)約成本和環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮重要作用。

2 理論研究

老舊擋土墻通常建造年代較早，大部分未經(jīng)過(guò)正規(guī)的設(shè)計(jì)，擋土墻的型式基本 為重力式擋土墻，重力式擋土墻主要是靠自重來(lái)維持土壓力作用下的自身穩(wěn)定[10]，其主要驗(yàn)算項(xiàng)目為抗滑移、抗傾覆、地基承載力以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，依據(jù)國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB 50330—2013[11]規(guī)定，重力式擋土墻一般工況下抗滑移穩(wěn)定系數(shù)不小于1.3，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不小于1.6，地基承載力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度根據(jù)地質(zhì)情況和修建材料的不同還應(yīng)滿足相應(yīng)的要求，由于老舊擋土墻已運(yùn)行使用相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，其本身地基和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在問(wèn)題的可能性不大，而其抗滑移穩(wěn)定系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的可能性較大，提高現(xiàn)有擋土墻的抗滑移穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性是加固最主要的兩個(gè)目標(biāo)。因此，老舊擋土墻的加固方法應(yīng)能夠提高其抗滑移穩(wěn)定系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，還要考慮老舊擋土墻大多數(shù)空間受限制，加固結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量不占用額外空間，且施工簡(jiǎn)便、風(fēng)險(xiǎn)低，不需要大型設(shè)備，加固施工也不應(yīng)對(duì)現(xiàn)有擋土墻產(chǎn)生不利影響。

原擋土墻受墻后主動(dòng)土壓力作用，以墻身自重抵抗傾覆及滑移，擋土墻作為剛體保持極限平衡；針對(duì)擋土墻的受力特點(diǎn)及實(shí)際限制條件，采用微型鋼管樁加固結(jié)構(gòu)對(duì)老舊擋土墻進(jìn)行加固，以小型設(shè)備在墻后機(jī)械成孔微型鋼管樁并在樁頂設(shè)置連梁與擋土墻連接，構(gòu)成“П”形超靜定組合結(jié)構(gòu)，組合結(jié)構(gòu)的受力體系變化及模型示意見(jiàn)圖1、圖2，微型鋼管樁與原擋土墻的連接連梁作為力臂，較小的抗拔力就可以提供較大的抗傾覆力矩，又由于微型鋼管樁自身剛度大，可以提供較大的側(cè)向抗滑力。同時(shí)，該組合結(jié)構(gòu)形式更穩(wěn)定，并增加了水平抗力和抗傾覆彎矩，即提高了抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，同時(shí)，原有擋土墻自身承受的傾覆力矩變小，進(jìn)而又可以減小擋土墻墻底的地基應(yīng)力，加固結(jié)構(gòu)的平面布置和剖面受力情況見(jiàn)圖3、圖4，依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB 50330—2013[11]給出的重力式擋土墻抗滑移穩(wěn)定系數(shù)Fx和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Ft的計(jì)算公式，加固結(jié)構(gòu)微型鋼管樁通過(guò)水平抗力增加擋土墻整體的抗滑移穩(wěn)定系數(shù)，通過(guò)微型鋼管樁的抗拔力產(chǎn)生的抗傾覆力矩增加抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，其中微型鋼管樁的水平抗力和抗拔力按《建筑樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》JGJ 94—2008[12]的計(jì)算公式采用，微型鋼管樁加固后擋土墻的抗滑移穩(wěn)定系數(shù)、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)和地基應(yīng)力計(jì)算見(jiàn)下式（1）～（4）。

圖1 擋土墻受力體系示意圖

圖2 加固結(jié)構(gòu)模型示意圖

圖3 加固處理平面布置示意圖

圖4 加固剖面及荷載作用示意圖

式中：

Fx——擋土墻抗滑移穩(wěn)定系數(shù)；

Ft——擋土墻抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；

pmax——擋土墻基底地基應(yīng)力最大值；

μ——擋土墻底與地基的摩擦系數(shù)；

G——擋土墻自重；

Gt——擋土墻自重沿?fù)跬翂酌娣较虻姆至Γ?/p>

Gn——擋土墻自重垂直擋土墻基底面方向的分力；

Ea——土壓力合力；

Eat——土壓力合力沿?fù)跬翂酌娣较虻姆至Γ?/p>

Ean——土壓力合力垂直擋土墻基底面方向的分力；

Eax——土壓力合力水平方向的分力；

Eaz——土壓力合力豎直方向的分力；

pmax——擋土墻地基應(yīng)力最大值；

p——擋土墻地基應(yīng)力平均值；

A——擋土墻基底截面寬度；

B——擋土墻墻頂截面寬度；

M——作用于擋土墻基礎(chǔ)底面的力矩；

W——擋土墻基礎(chǔ)底面的抵抗矩；

Rha——小鋼管樁的單樁水平承載力特征值[7]；

Tuk——小鋼管樁的抗拔承載力[7]；

x0——擋土墻中心到墻趾的距離；

xf——土壓力合力作用點(diǎn)到墻趾的水平距離；

zf——土壓力合力作用點(diǎn)到墻趾的豎向距離；

bz——小鋼管樁到擋土墻邊緣的水平距離；

Lz——小鋼管樁縱向間距；

a——擋土墻墻頂?shù)綁χ旱乃骄嚯x。

3 工程應(yīng)用

重慶市某三層砌體房屋，正面一層、背面三層分別與室外地坪相接，背面一、二層外墻緊靠擋土墻，房屋與擋土墻的位置關(guān)系見(jiàn)圖5、圖6，該擋土墻經(jīng)鑒定單位鑒定，擋土墻的抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，應(yīng)進(jìn)行加固處理，擋土墻型式為重力式，墻身材料為漿砌條石重力式擋土墻，直立矩形截面，墻高5 m，墻寬1 m，墻后填土容重20 kN/m3，內(nèi)摩擦角30°，粘聚力5 kPa，現(xiàn)有擋土墻驗(yàn)算結(jié)果如下：

圖5 剖面示意圖

圖6 外墻與擋土墻關(guān)系圖

由于房屋外墻與擋土墻間空間狹小，常規(guī)的加固方法加固空間受限，而本文的加固方法可很好地解決這個(gè)問(wèn)題。具體做法為：在墻后1m 處鉆一排孔，孔孔間距1m，孔徑210mm，孔深7m，孔內(nèi)插入Q355 結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管Φ200×12，管周注漿孔直徑為10～20 mm，10～20 cm 交錯(cuò)布置，一圈不少于4 個(gè)孔，小鋼管樁內(nèi)設(shè)不少于4 根C18 鋼筋，樁頂連梁縱橫向雙向設(shè)置，縱向一道于樁頂部沿鋼管樁縱向設(shè)置，橫向每樁一道于樁頂設(shè)置，連接擋土墻與小鋼管樁，連梁截面尺寸寬度不小于250 mm，高度不小于200 mm，配置雙層雙向鋼筋，連梁均采用現(xiàn)澆C30 鋼筋混凝土[13]。加固后驗(yàn)算結(jié)果如下：

根據(jù)上述驗(yàn)算結(jié)果可知，本文加固方法可大幅增加擋土墻的抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，大幅降低了擋土墻地基應(yīng)力最大值，提高了老舊擋土墻的安全性，并且加固方法簡(jiǎn)單、操作方便，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和適用性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文概述了老舊擋土墻常規(guī)加固方法的局限，通過(guò)對(duì)微型鋼管樁在擋土墻加固中的應(yīng)用研究，在墻后設(shè)置微型鋼管樁并在樁頂通過(guò)連梁與擋土墻連接，構(gòu)成“П”形超靜定組合結(jié)構(gòu)，該組合結(jié)構(gòu)形式更穩(wěn)定，并增加了水平抗力和抗傾覆彎矩，減小了擋土墻墻底的地基應(yīng)力，給出了加固后的計(jì)算公式以及安全性能指標(biāo)，并通過(guò)工程應(yīng)用進(jìn)一步驗(yàn)證該加固方法可靠且實(shí)用性強(qiáng)。本研究可為同類(lèi)型擋土墻的加固提供理論參考和施工指導(dǎo)。