公路路堤擋土墻失穩機理及加固方法研究

楊宇波

廣東恒泰公路工程有限公司，廣東 梅州 514000

公路工程中應用的擋土墻種類有很多，主要形式有重力式、錨桿式、錨定板式、扶壁式等[1]，其中屬重力式擋土墻應用得最多，應用范圍最廣。加筋土式和錨定板式擋土墻相比于重力式擋土墻具有節省材料和場地的特點，是一種新型的擋土墻[2]。隨著我國經濟的飛速發展，擋土墻在公路工程和交通工程中的應用越來越多，在填方路堤中經常采用的擋土墻形式為加筋土擋土墻和重力式擋土墻等[3]。擋土墻具有占地少、施工簡單、造價低的特點，但隨著使用年限的增長，擋土墻會出現失穩的現象，因此文章針對該病害進行了相應分析研究[4]。

1 擋土墻失穩形式

擋土墻的主要作用是對可能發生滑動的土體進行支擋，使結構的抗滑力大于土體的下滑力，主要應用于水利、公路、礦山和鐵路等工程中[5]。擋土墻失穩原理是隨著土側壓力和交通荷載等的長時間作用，擋土墻的抵抗能力會慢慢減弱，同時穩定性也會慢慢減弱，最終土體的下滑力大于墻體的抗滑力而發生墻體失穩的現象。當擋土墻長時間被河水浸泡或受到地震的偶然作用時，失穩現象會表現得更加突出[6]。擋土墻發生破壞有不同的形式：在土側壓力或外荷載作用下，擋土墻發生整體平移的現象；擋土墻的下部穩定性大于上部穩定性，導致墻體上部發生轉動；當擋土墻下部位于滑動面附近時，擋土墻會發生上部穩定墻踵轉動現象。三種失穩形式如圖1所示。

圖1 擋土墻失穩形式圖

2 工程概況

省道S221線大埔段改造工程（大埔縣城埔城電站出口至坳背段）大型擋土墻位于樁號K51+250～K51+300左側，該地段的場地土主要有粉土、細砂和黏土。該段擋土墻為臨河建設，墻身平均高度為7m，是在原有的擋土墻的基礎上加固建設的。

路基在運營過程中路面出現了沉降病害，擋土墻的墻身多處出現了裂縫病害。通過工程經驗和以往工程案例可知，對路面進行修補，對擋土墻進行加固后，墻體仍有外傾的趨勢，因此需對擋土墻進行相應的加固，保證其穩定性和道路行車的安全性。

3 加固方案設計

擋土墻失穩后的加固方法有預應力錨桿聯合加固、預應力錨固、噴射混凝土以及加筋噴射混凝土等。預應力錨桿與噴射混凝土聯合使用較二者單獨使用的效果更好，但是這種加固形式中的混凝土為素混凝土，抗剪強度低，因而在危險地區和大型工程中不被采用。加筋噴射混凝土和預應力錨桿聯合的方式可以改善上述加固方式的不足，使加固結構和墻體有效結合成整體，減少預應力損失，共同受力，共同抵御外部荷載。該工程中最適用的加固方式為路基填土注漿結合加筋噴射混凝土和預應力錨桿加固。

4 土體注漿

4.1 注漿機理

由于土體自身存在的特殊性質，在進行壓力注漿時應考慮的因素有注漿壓力和漿液稠度，在漿液作用下，土體產生改性的物理機理如下。

滲透機理：當土體較為松散時，漿液通過土體的縫隙進入內部（前提是不能破壞土體的結構），使土體和漿液形成整體結構，從而改變土體的力學性質。

壓密機理：較為濃稠的漿液在高壓作用下通過注漿孔強行壓入孔內，使土體變得密實。在壓力作用下，通過對周邊土體進行擠壓，使一定范圍內的土體變得密實。該過程中土體比重、壓縮模量和內摩擦角都有一定程度的增長，相反，孔隙比和壓縮系數開始減小。

4.2 土體改性分析

文章通過對注漿前后的土體進行相應試驗，得到物理力學性質的變化，變化值如表1所示。

表1 指標變化表

通過表1注漿前后的指標變化可以得出，擋土墻背后的土體通過注入漿液的方式改變了土體結構的整體穩定性和改性性能；墻后土體通過注漿的滲透和壓密作用使空隙被充滿，壓縮模量有所提高，壓縮比和孔隙比降低。當土體中注漿壓力達到一定數值后，土體開始出現劈裂層面擴大、裂隙寬度增大、漿液呈脈狀或層狀進入土體現象，形成具有一定穩定性的骨架結構。

5 錨桿加固設計

5.1 墻后填土滑移力分析

通過現場調查可知，提供墻后填土滑移力的荷載主要是土體的自重和行車荷載，墻后填土主要是黏性土，其中含有5%的砂。填土按均質結構考慮。滑移力的計算公式如下：

式中：Fs為單位長度的滑移力，kN；Ws為滑移土體的重量，kN/m；Ka為土壓力的側壓系數；Kas為行車荷載的側壓系數；q為汽車的均布荷載，kN/m2；L為滑移土體的最大寬度，m；λ為距離常數；H為滑移體的最大高度，m；Kal為行車荷載的側壓系數；Fc為土的內聚力，kN/m；Fw為墻面摩擦力，kN/m。

通過現場調查發現路面己開裂，因此在進行計算時內聚力可忽略，擋土墻結構已破壞，因此計算時摩擦力不考慮。擋土墻的參數取值如表2所示。

表2 擋土墻參數值表

經計算，Fs=400.7kN，安全系數取值為1.3，結構抗滑力FR=521kN。

5.2 錨桿設計

文章中錨桿自由段長度取值為6m，通過計算可知，錨桿的錨固段長度為6m，錨桿總長度為12m。錨桿間距統一設置為2.5m×2.5m。由直徑的計算公式可知，錨桿的直徑d為26.5mm。由鋼筋規格可知，實際采用直徑為28mm的熱軋鋼筋。

5.3 錨桿注漿設計

該工程中采用二次注漿法。漿液水灰比為0.5，第一次的注漿壓力為0.5MPa，第二次注漿在第一次注漿完成后12h進行，注漿壓力為2～3MPa；第一排錨桿的注漿壓力為2MPa，第二排錨桿的注漿壓力為2.5MPa，第三排錨桿的注漿壓力為3MPa。通過二次注漿實現了土體的改性和穩定性能的提高。在錨頭處0.6m的范圍內加鋼筋網來承受拉應力，將混凝土厚度加至150mm。

6 結論

文章通過對擋土墻失穩機理及加固方法進行分析得出以下結論：（1）擋土墻的失穩形式主要有三種，分別為整體平移、墻體上部發生轉動、墻踵轉動；（2）文章通過實際工程對加固方法進行分析，采用的加固方案為路基填土注漿結合加筋噴射混凝土和預應力錨桿加固，該方法增加了結構的整體穩定性。通過設計可知錨桿結構的抗滑力為521kN，錨桿設計的直徑為28mm，間距為2.5m×2.5m，混凝土的噴射厚度為150mm。