土釘在河道老舊岸墻補強加固中的應用

李朝方，龍鳳華

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司，深圳 518000)

1 概述

隨著生態文明建設的深入推進，深圳市針對全市小微水體開展了整治全覆蓋，從管網溯源、黑臭水體消除、岸坡除險加固、駁岸生態化改造等方面對各條小微河道進行了治理。過程中較為常見的難點集中在建筑物密布區老舊河道岸墻的改造上，此類岸墻多為90年代初期修建的漿砌石擋墻，使用年限接近30年，在部分河段存在勾縫脫落、塊石松散、墻體微傾、基礎沖刷掏空等不同程度病害[1]，由于在迅速城鎮化的過程中住宅、廠房均緊貼河道擋墻而建，部分區段已存在安全隱患，直接將岸墻拆除重建，將面臨鄰河房屋清遷難以實施的困難，而于河道內新建護坡結構，又面臨侵占河道過流斷面影響防洪的問題如圖1所示。

針對以上難點，深圳市光明區全面消除黑臭水體治理工程在茅洲河支流玉田河、木墩河、樓村水等典型河段，對傳統的土釘工藝適當改良，對現有老舊擋墻進行補強加固[2]。

玉田河、木墩河及樓村水同屬茅洲河流域，均為茅洲河一級支流，河道河岸高3～5m，河床寬4～11m，建成區段岸坡形式均為漿砌石擋土墻。

場地以沖積平原為主，局部為殘丘臺地，地形較平緩，地層巖性自上往下主要有：素填土、淤泥質土、粉(砂)質粘土、中粗砂、殘積土、(全、強風化)花崗巖。

圖1 河道擋墻現狀

漿砌石擋墻因長時間使用，墻體開裂，塊石剝落，直接影響擋墻自身強度。對漿砌石擋土墻進行鉆探取芯，過程中存在漏水、漏漿現象，取芯率較低，孔隙占20%～30%，表明砌筑砂漿含量較少，砌石架空。類似工程檢測結果表明墻體材料老化，砂漿強度降低由5.0MPa至0.9～1.2MPa[3]，砂漿結構強度已不滿足規范要求。

2 土釘加固擋墻的穩定性分析與計算

漿砌石擋墻屬重力式擋土墻，通過自重來平衡墻后的土壓力以保持墻體穩定。重力式擋墻破壞形式分為墻身結構破壞及穩定性破壞兩大類，其中墻身破壞主要是擋土墻長時間使用，墻體材料老化，結構強度降低，不滿足墻身抗壓和抗剪要求而導致擋墻破壞。穩定性失穩破壞則有4種形式：①墻體平面滑移；②繞墻趾傾覆；③地基沉降及不均勻沉降；④擋墻連同土體整體失穩。

采用土釘對擋墻加固[3- 6]后，視土釘長短，擋墻破壞將呈現兩種不同的趨勢：第一，當土釘長度小于擋墻高度的0.5倍時，土釘體系主要作用是對現狀擋墻強度的補強，整體破壞形式接近于重力式擋土墻；第二，當土釘長度大于擋墻高度的0.8～1.0倍時，墻后土體土拱效應較為明顯的顯現出來，趨向于典型的土釘墻傳力機制，破壞型式主要有土釘整條拔出，筋體拉剪斷裂，以及土釘墻內部失穩。

兩種破壞模式中前者土釘對擋墻起到一定拉錨作用的同時，主要結合新增鋼筋砼護面實現對既有砌石擋墻的防護和補強[7- 8]，后者則為典型土釘墻計算模式，兩者均需進行土釘抗拔力、配筋及面層計算。對加固效果驗算前者需采用擋墻結構及穩定性計算方法復核，后者需滿足土釘墻邊坡整體安全穩定性要求。

2.1 土釘構件計算

土釘構件計算分為抗拔力、配筋及面層計算。

根據《深圳市基坑支護技術規范》(SJG05—2011)有關規定，土釘極限抗拔承載力宜按下式確定：

Tuk=πdj∑qsiklj

(1)

圖2 土釘抗拔承載計算簡圖

土釘桿體配筋宜采用直徑20mm以上螺紋鋼筋并滿足下式：

(2)

式中，Tjd—土釘軸向拉力設計值；A—土釘桿體截面面積；fy—鋼筋抗拉強度設計值。

《土釘支護技術規程》(GJB5005—2006)規定，在土體自重及地表均布荷載q0，噴混面層所受側壓力p0可按下式確定：

p0=p1+pq

(3)

(4)

式中，p1—土釘長度中點所處深度上由支護土體引起的側壓力；pq—地表均布荷載引起的側壓力；Smax—土釘水平間距和垂直間距中的較大值。

土釘面層抗彎及抗剪強度應滿足下式：

KpwMp≤[Mp]

(5)

Kptτp≤[τp]

(6)

式中，Kpw、Kpt—土釘面層抗彎、抗剪安全系數；Mp、τp—面層所受側壓力p0引起的面層彎矩(kN·m)及面層剪應力，kPa；[Mp]、[τp]—面層抗彎強度(kN·m)及抗剪強度，kPa。

2.2 加固后擋墻截面強度及穩定性復核計算

土釘加固后，根據土釘長度不同擋墻采用不同穩定性驗算方法。土釘長度小于擋墻高度0.5倍，河岸邊坡受力以擋土墻受力為主，加固體系按擋土墻截面強度及穩定性公式復核土釘體系的加固作用；土釘長度超過擋墻高度0.8～1.0倍，主要受力以土釘抗拔為主，河岸穩定按土釘支護方法復核土釘體系加固作用，如圖3所示。

圖3 擋墻典型加固斷面

以擋墻受力為主的加固體系采用擋土墻截面驗算方法，擋墻軸力及剪力應滿足下式：

N≤γaφAfz

(7)

Q≤γa(fv+0.18σu)A

(8)

式中，N—由設計荷載產生的縱向力；γa—結構構件設計抗力調整系數，取1.0；φ—縱向力影響系數，根據砂漿強度等級β、e/h查規范求得；β—高厚比β=H0/h；計算φ時先乘以砌體系數，對毛石砌體取1.5；H0—計算墻高取2hr(hr為墻高)；h—墻體平均厚度；e—縱向力計算偏心距；A—擋墻計算截面面積，m2；fz—砌體抗壓強度設計值；Q—由設計荷載產生的水平荷載；fv—砌體設計抗剪強度；σu—恒載標準值產生的平均壓應力。

擋墻整體抗滑移穩定性應滿足下式：

(9)

(10)

式中，Kc—擋土墻沿基底的抗滑穩定安全系數；f—擋土墻基底與地基土之間摩擦系數；∑G—作用于擋墻上全部垂直與水平面的荷載，kN；∑H—作用于擋墻上全部平行于基底面的荷載，kN；φ0—擋墻與土質地基之間摩擦角，(°)；c0—擋墻與土質地基之間粘聚力，(°)；A—擋墻基底面積，m2；

擋墻抗傾覆穩定性應滿足下式：

(11)

以土釘抗拔為主的加固體系，河岸邊坡穩定性驗算應滿足下式：

Kpmin=[KP]

(12)

式中，[KP]—圓弧計算的整體穩定安全系數。

3 實際應用與相關分析

3.1 設計方案

玉田河及樓村水河道擋墻加固區段現狀房屋緊鄰擋墻邊，土釘長度進入房屋平面投影區域容易對房屋基礎產生不利影響，因此，土釘長度控制在現狀擋墻高度的0.5倍以內，土釘加固按擋墻結構補強考慮；木墩河流域擋墻周邊為巡河路，場地較為開闊，存在土釘施工空間，土釘長度控制在大于擋墻高度0.8倍以上，土釘加固方式按土釘墻模式考慮。

玉田河及樓村水流域河岸擋墻在未加固前擋墻截面強度及穩定性驗算見表1—2。

表1 加固前擋土墻截面驗算成果表

表2 加固前擋土墻穩定驗算成果表

分析以上結果可知，不做加固時老舊擋墻截面強度驗算值已遠小于原設計值，不滿足規范要求，擋墻需進行加固。

按照規范建議，加固土釘初步采用如下設計指標：

(1)采用成孔注漿土釘型式，筋體為HRB400級直徑25mm鋼筋，抗拔力設計值為10kN/m；

(2)土釘成孔直徑110mm

(3)土釘加固長度暫定為2.0m；

根據以上設計指標結合土釘構件計算公式，計算結果見表3。

表3 土釘構件計算成果表

根據設計加固方案，復核擋土墻結構截面強度見表4。

表4 加固后擋土墻截面驗算成果表

分析以上結果可知擋墻加固后，截面強度得到巨大提升，強度驗算值遠大于原設計值，可滿足規范結構安全要求。

木墩河流域擋墻周邊無房屋管線，存在土釘施工空間，土釘采用HRB400φ25鋼筋土釘，土釘間距1.2m，長度為6m，土釘長度大于0.8～1.0倍擋墻高度。土釘極限抗拔承載力設計值為60kN，其余設計指標與玉田河及樓村水土釘指標相同，同時在擋墻及后側土體2.5m范圍進行注漿加固，注漿深度與擋墻高度一致，以改善土層性質及增加土釘與土體間錨固力。根據土釘墻計算結果，復核加固河岸邊坡穩定性見表5。

表5 加固后木墩河河岸穩定性驗算成果表

加固后岸坡穩定性已滿足規范永久邊坡安全穩定要求。

3.2 施工技術改良

傳統土釘注漿工藝[9- 10]，由于無法確認現有擋墻與墻體背后結構之間密實程度，注漿易造成漿體溢流至擋墻與墻體背后結構之間空隙；同時現有擋墻結構為漿砌片石結構且年久失修，石塊之間空隙較大，現場孔道注漿易出現不能注滿，部分漿體溢流至漿砌片石空隙的情況。

為確保達到設計意圖，經現場試驗，改進傳統注漿工藝，采用C30噴射砼作為注漿材料，通過空壓機、濕噴機將混凝土輸送至土釘孔道內。原理是利用空壓機輸送能力和風力，既能將孔道內的雜物清理干凈，又能將砼輸送至孔道內部，同時添加適量的速凝劑加快砼凝固速度，該方法的優點是既能減少材料過度浪費，又能簡化施工工藝，同時充分利用現場既有設備，大大提高了施工速度[11]。

經過試驗確定的正式施工步驟為：既有擋墻清表→噴射C30砼護面(5cm) →灑水養護→搭設鉆機施工平臺→鉆孔→清孔→安裝錨桿→二次清孔→孔道噴射C30砼→灑水養護。

經過現場試驗，C30噴射混凝土采用水泥、石粉、水及速凝劑集中拌和，混凝土水泥與石粉配合比為0.4∶0.6，每一立方混凝土摻入速凝劑10kg。

3.3 工程效果

工程實際加固效果通過多循環加卸載法對土釘抗拔力進行檢測實現。根據規范要求，每安裝300根土釘至少隨機抽樣一組(3根)，拉拔試驗采用液壓千斤頂進行拉拔，檢測試驗時間為孔道封孔第四天。玉田河加固土釘實際抽檢5根，樓村水加固土釘實際抽檢6根，木墩河加固土釘抽檢159根。為表述方便，本文在三個河岸擋墻加固土釘中各選擇5根錨桿作為典型，經加載試驗，檢測數據如圖4所示。

玉田河、樓村水及木墩河加固土釘在抗拔力設計值為10kN/m，在最大驗收荷載(玉田河24kN、樓村水24kN、木墩河72kN)的作用下，錨頭位移相對穩定。在各荷載等級觀測時間內，玉田河典型加固土釘錨頭最大位移量0.83mm，殘余位移量0.63mm，回彈率19.30%；樓村水典型加固土釘錨頭最大位移量15.48mm，殘余位移量3.87mm，回彈率75.00%；木墩河典型加固土釘錨頭最大位移量53.67mm，殘余位移量18.32mm，回彈率65.87%，均滿足最大拉拔力的要求，表明土釘加固達到預期效果。

河道擋墻采用土釘加固后，至今擋土墻仍在使用，無明顯位移變化，墻面完整，說明加固效果良好，達到了加固的目的。

4 結語

本文旨在充分結合場地邊界條件，合理利用土釘工法，通過對茅洲河支流玉田河、木墩河、樓村水等河流老舊漿砌石擋墻的補強加固分析計算，采取合適的施工工藝優化措施，以延長岸墻的使用期限，消除安全隱患，減免不必要的房屋拆遷，為類似河岸改建和治理的思路與方法提供參考。

圖4 各河道典型加固土釘檢測數據圖