新舊結合擋土墻加固工程穩定性計算分析及應用

王俊港

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

20世紀90年代，工程建設標準尚不完善，許多工程在設計及開工建設過程中沒有正式的勘察、監理、驗收等過程資料，設計及建設過程不規范導致工程質量無法把控，同時隨著工程建筑物使用年限的增長和設備的老化，安全隱患開始慢慢浮現出來。擋土墻是水利工程中常見的水工建筑物，幾乎在所有的防洪、灌溉、排澇等水利工程中必不可少，但近年來因各種因素引發的擋土墻坍塌事故時有發生[1- 3]。特別是位于城市地區的河道擋土墻，肩負著重要的防洪、排澇任務，一旦發生事故，會造成嚴重的人員傷亡和財產損失[4]。一些擋土墻工程不宜拆除重建，只能對原擋土墻進行加固，如加厚、加高及錨桿加固等[5]，因此，針對擋土墻的加固是當前除險加固工程中的重點、難點。

本文以梅州市某工程為例，構建擋土墻穩定計算模型，綜合考慮擋土墻材質、地質情況，結合工程特點，提出針對性措施，有效排除擋土墻坍塌風險，保障擋土墻結構穩定及安全。

1 工程概況

1.1 工程概況

梅州市某段堤防全長4.5km，堤防所屬河流為梅江河，工程始建于1998年，是一座以防洪和交通相結合的堤防。堤防現有工程等級、設計洪水標準不詳，按GB50201—2014《防洪標準》規定，該堤防的防洪標準應為20年一遇，相應堤防的級別為4級。該段堤防建設過程未遵循規范，沒有正式勘察、設計，完工后也未經主管部門驗收。該堤防經過10多年的運行，存在安全隱患，主要表現在防洪墻質量差，強度低，結構老化，年久失修，堤頂道路凹陷、破損嚴重，發生沉降裂縫，如圖1所示，亟需除險加固。堤防現狀為仰斜式混凝土擋土墻，墻體等寬，墻頂寬度1.8～2.2m，墻高12～14m，坡比為1:0.2，現狀堤防代表斷面如圖2所示。

圖1 現狀堤頂道路裂縫

圖2 現狀堤防代表斷面圖

1.2 工程區巖土層主要物理力學指標

代表性斷面的擋土墻基礎為中密卵石層，墻后填土為素填土和中密卵石層，工程地質條件較好，地基承載力標準值為250kPa，主要物理力學指標見表1。

表1 工程區巖土層主要物理力學指標建議值

2 現狀穩定性分析

首先驗算舊擋土墻穩定，采用理正巖土計算軟件進行計算[6- 10]。

2.1 整體穩定計算

對舊擋土墻進行整體穩定分析，選擇簡化畢肖普法進行計算，不同工況下計算的擋土墻的整體穩定安全系數結果見表2。

表2 舊擋土墻整體穩定計算結果

舊擋土墻各工況下的整體穩定安全系數均大于規范允許值，不會整體失穩。

2.2 抗滑、抗傾覆穩定計算

對舊擋土墻進行抗滑、抗傾覆穩定分析，擋土墻墻背土壓力采用庫倫土壓力理論進行計算，基底摩擦系數取0.45，不同工況下計算的擋土墻抗滑、抗傾覆穩定安全系數見表3。

表3 舊擋土墻抗滑、抗傾覆穩定計算結果

舊擋土墻各工況下的抗滑、抗傾覆穩定均不滿足規范要求，擋土墻處于失穩狀態。

2.3 擋土墻穩定計算結果分析

根據以上計算結果分析可知，擋土墻自身結構不穩定是擋土墻結構變形、堤頂道路開裂的重要原因。除此之外，以下原因也導致了擋土墻失穩。

(1)根據現場查看，擋土墻外墻面排水孔大部分無排水痕跡，排水系統失效，墻后水壓力增大，造成墻體失穩滑動。

(2)根據墻體抽芯揭露：墻體臨水面0.8m范圍內混凝土膠結較好，0.8～2.0m膠結較差，巖芯呈碎塊狀，結構整體性及強度差，墻體質量不合格。

綜上所述，擋土墻自身結構不穩定、墻體排水系統失效、墻體質量不合格等因素是造成擋土墻失穩、變形的主要原因[11]。

3 擋土墻加固方案

3.1 加固工程難點分析

(1)需要綜合考慮擋土墻加固的安全性和經濟性。

(2)擋土墻后為市政道路，工程建設受用地條件制約。

(3)需要考慮新、舊擋土墻之間如何能更好地結合，要對舊擋土墻在穩定計算時所起的作用進行分析。

3.2 加固設計方案

通過以上對現狀擋土墻的分析，綜合考慮工程用地、安全性和經濟性，推薦采用C20鋼筋砼護面墻對擋土墻進行加固。施工前需打通排水管，重建擋土墻排水系統，通過鑿毛和錨筋使新舊墻緊密結合；新墻頂寬0.8m，面坡坡度為1:0.35；新墻基礎采用雙排φ1000灌注樁梅花型布置，單樁長8m，樁距3m，排距2.5m；墻前回填土形成反壓平臺，護面采用500mm厚M7.5漿砌塊石防沖刷；墻頂采用C20鋼筋砼防浪墻加高至設計堤頂高程，并在墻頂布置一條3m寬的人行道。典型斷面如圖3所示。

圖3 堤防加固方案典型斷面圖

3.3 穩定計算分析

3.3.1完建期工況

完建期工況擋土墻受到外力有擋土墻自重、墻后土壓力和地基反力，根據《支擋結構設計手冊》[12]和SL744—2016《水工建筑物荷載設計規范》[13]計算出上述各力后對擋土墻進行受力分析，受力分析簡圖如圖4所示。

圖4 完建期工況受力分析簡圖

(1)抗滑穩定計算

通過受力分析，計算出舊擋土墻的滑移力為412.546kN，抗滑力為346.752kN。考慮到新舊擋土墻結合效果的問題，結合工程經驗，舊擋墻抗滑力按50%取用，即舊擋土墻提供的抗滑力為173.376kN。

擋土墻加固后，新擋土墻的抗滑力全部由由灌注樁提供。根據DBJ15- 31—2003《建筑地基基礎設計規范》[14]，樁身配筋率不小于0.65%的鉆孔灌注樁單樁水平向承載力特征值按式(1)計算。

(1)

通過計算，采用雙排φ1000灌注樁梅花型布置，單樁長8m，樁距3m，排距2.5m，灌注樁單樁水平承載力為560kN，因此灌注樁對每米擋土墻提供的抗滑力為373kN。

加固后擋土墻完建期的抗滑穩定安全系數Kc為1.324，大于1.200，根據SL379—2007《水工擋土墻設計規范》[15]，抗滑驗算滿足。

(2)抗傾穩定計算

本工程應驗算加固后擋土墻繞前排樁樁頂中心點的傾覆穩定性。

通過受力分析，并對樁頂中心點取矩，各力矩計算見表4。

表4 完建期力矩計算表

由表4可知，完建工況下加固后擋土墻的傾覆力矩為2037.028kN·m、抗傾覆力矩為6855.803kN·m。

完建工況下加固后擋墻的抗傾覆穩定安全系數K為3.366，大于1.400，根據規范，抗傾覆驗算滿足。

(3)基底應力計算

完建工況新建擋土墻作用在基底的總豎向力為679.038kN，全部由灌注樁承擔。樁插入中密卵石層，單樁承載力按摩擦型端承樁計算，樁的極限端阻力標準值取2000kPa，樁的極限側阻力標準值取45kPa，通過計算，φ1000灌注樁單樁豎向承載力特征值為1300kN。因此，灌注樁對每米擋土墻提供的豎向承載力為679.038 kN，大于總豎向力，滿足承載力要求。

3.3.2設計洪水工況

設計洪水工況墻前、墻后水位均為20年一遇洪水位，擋土墻受到的外力有擋土墻自重、墻后土壓力、地基反力、浮托力和墻前、墻后水壓力，計算出上述各力后對擋土墻進行受力分析，受力分析簡圖如圖5所示。

圖5 設計洪水工況受力分析簡圖

(1)抗滑穩定計算

通過受力分析，計算出舊擋土墻的滑移力為228.803kN，抗滑力為203.831kN，抗滑力按50%取用，即舊擋土墻抗滑力為101.9kN。

計算得加固后擋土墻設計洪水工況的抗滑穩定安全系數Kc為2.07，大于1.200，抗滑驗算滿足。

(2)抗傾穩定計算

通過受力分析，并對樁頂中心點取矩，各力矩計算見表5。

表5 設計洪水工況力矩計算表

由表5可知，設計洪水工況下加固后擋土墻的傾覆力矩為7388.344kN·m、抗傾覆力矩為10847.003kN·m，計算得設計洪水工況下加固后擋墻的抗傾穩定安全系數Ko為1.468，大于1.400，抗傾覆驗算滿足。

(3)基底應力計算：

設計洪水工況新建擋土墻作用在基底的總豎向力為450.047kN，小于灌注樁提供的豎向承載力，滿足承載力要求。

3.3.3水位驟降工況

水位驟降工況為墻前水位由20年一遇洪水位驟降0.5m，墻后水位保持20年一遇洪水位不變。擋土墻受到的外力有擋土墻自重、墻后土壓力、地基反力、浮托力和墻前、墻后水壓力，計算出上述各力后對擋土墻進行受力分析，受力分析簡圖如圖6所示。

圖6 水位驟降工況受力分析簡圖

(1)抗滑穩定計算

通過受力分析，計算出舊擋土墻的滑移力為295.169kN，抗滑力為205.089kN，抗滑力按50%取用，即舊擋土墻抗滑力為102.5kN。

計算得加固后擋土墻水位驟降工況的抗滑穩定安全系數Kc為1.611，大于1.05，抗滑驗算滿足。

(2)抗傾穩定計算

通過受力分析，并對樁頂中心點取矩，各力矩計算見表6。

表6 水位驟降工況力矩計算表

由表6可知，水位驟降工況下加固后擋土墻的傾覆力矩為7347.829 kN·m、抗傾覆力矩為 10411.643kN·m。計算得水位驟降工況下加固后擋墻的抗傾穩定安全系數：Ko為1.417，大于1.300，抗傾覆驗算滿足。

(3)基底應力計算：

設計洪水工況新建擋土墻作用在基底的總豎向力為429.622kN，小于灌注樁提供的豎向承載力，滿足承載力要求。

4 結論

本文以梅州市某段堤防的擋土墻為例，系統分析了該擋土墻現狀存在的問題，并提出加固方案，得出以下幾點結論：

(1)對于失穩的仰斜式擋土墻，可采用加厚舊擋土墻的方案對其進行加固。

(2)由于新增擋土墻不會改變墻后土壓力，可以將舊墻的滑動力和抗滑力疊加到新墻上，以此模型進行抗滑穩定計算。

(3)在進行抗滑穩定計算時，若完全不考慮舊擋土墻的作用，則投資需要增加較大；考慮到新舊擋土墻結合、施工質量等問題，并結合工程經驗，在進行抗滑穩定計算時可以考慮50%舊擋土墻的抗滑力。

(4)在進行抗傾覆穩定計算時，可以將新舊擋土墻看作一個整體進行計算。