河涌既有擋墻加固方法分析與應用
——以長洲四號河涌為例

林漢雄

(廣州市黃埔區水務設施管理所，廣州 510000)

長洲四號涌整治用地范圍以規劃河涌控制線為準，結合現狀河道堤岸情況進行布置，規劃河涌岸線內為河涌水域，寬17～25 m(局部節點處70～77 m)；岸線與控制線間為堤岸擋墻、堤頂路及綠化景觀建設用地，寬度為15 m。為節約工程投資，在保證河涌過流斷面滿足行洪要求的前提下，結合前期堤基和工程場地地質條件勘探分析結果，對長洲四號涌樁號K0+000～1+100段采用現狀舊堤加固利用方案。通過在舊堤腳拋石護腳壓重，結合部分堤岸段進行補砌，適當降低堤頂高程(相當于減小堤頂荷載)、鋼筋砼護面、砌石外立面進行勾縫處理等措施，提高和確保堤岸的安全性。經驗算，加固后堤岸可滿足安全要求[1]。

1 工程概況

長洲四號涌是長洲島較大的排澇河涌，涌兩端與珠江連通，總流域面積F=1.3 km2，地勢總體上比較平坦，河流較平直，大體呈東西走向。地貌上屬于三角洲沖積平原。河涌階地和漫灘不發育，河床寬度13～20 m，水深一般0.5～3.0 m，岸坡高度2～3 m，岸坡比較平直，堤身擋墻寬度多在0.8～5 m之間，漿砌毛石岸坡坡角達50°～80°，兩岸多為自然地形，填筑堤壩低矮，現有土堤堤身單薄。由于護岸結構沒有嚴格的設計、計算和施工過程，部分堤段砌石擋墻基礎未處理好就砌筑擋墻，逐年不斷加高，并在外表面塞砂漿而形成。受地質條件差影響，大部分堤岸段淤泥層承載力及抗滑參數很低且厚度大，原砌石堤岸多次滑動，相當部分已出現多次滑塌現象，甚至出現在滑移破壞的堤身上再加高、再滑塌的現象。由于堤身標高參差不齊，防洪排澇能力不一，洪水易從較低的缺口處涌入，加之部分堤段堤身厚度小，為種植土加高而成，面臨洪潮高水位時，單薄的堤身存在被沖壞崩塌的隱患，安全穩定性差。因此，四號涌堤岸在整體安全穩定性方面存在隱患。如不整治，在行洪排澇沖刷及水位驟降條件下，容易再次滑塌。

長洲四號涌整治岸線布置的原則為在不影響防洪排澇的前提下，現有河岸線能利用的盡量利用，因地制宜地進行岸線布置，保持河道的自然彎曲，河道斷面及護坡寬度等盡量做到收放有致，使整治后的河涌能成為一條更自然、生態的水道。其中，樁號K0+000～1+100段舊堤岸利用段設計項目主要為擋墻抗滑、抗傾、整體穩定。

2 分析方法

分析支護結構的方法有多種(如擬靜力法、擬動力法、水平切片法等)考慮地震期間作用在土體上的慣性力。地震力將被視為使用水平和垂直加速度系數的等效靜態力。使用水平和垂直加速度系數將ces地震視為等效靜力。采用擬靜力法中的MO法推導動土壓力，動態土壓力可通過以下方式獲得：

pAE=C(1±KV)KAE·γH(1±KV)KAE

=KA+ΔKdyn

(1)

Δpdyn=pAE-pA

(2)

式中：pAE為墻體上的地震主動土壓力；C為常數；KV為豎向地震系數；KAE為動態主動土壓力系數；γ為土壤容重；H為墻體高度；KA為靜態主動土壓力系數；ΔKdyn為增量動態主動土壓力系數；Δpdyn為增量動態主動土壓力；pA為墻壁上的靜態主動土壓力。

Hazarika(2009)提出了一個新的公式，該公式考慮了回填土的漸進破壞以及破壞面的形狀(彎曲下部和筆直上部的組合)。據觀察，MO方法低估了地震主動土壓力，高估了破壞帶的范圍，特別是在強烈地震激勵下。擬靜力法不考慮時間效應以及剪切波和一次波在土體中的傳播，該方法的這一缺點已在偽動力法中得到解決并討論了擬動力方法，并分析了擋土墻，考慮了時間效應、剪切和一次波在土體中的傳播。結果表明，擬動力法的計算結果優于擬靜力法。

為了了解加固土防滲墻的作用，研究人員進行了實驗研究，包括全尺度結構研究和縮尺模型研究。同時進行了縮尺模型搖動臺試驗，結果表明鋼筋設計參數(即剛度、長度和垂直間距)影響土壓力和側向位移，土壓力和側向位移隨著加固層數量和長度的增加而減小。并討論了加固類型對機械穩定擋土墻的影響，結果表明加固長度和間距影響加固擋土墻的性能。若將輕質可變形土工泡沫/EPS用于擋土墻，能有效降低擋土墻上的土壓力[2]。

加固土擋墻的數值分析比物理模型試驗更經濟。數值分析比傳統的極限平衡方法更為嚴格，因為它們滿足力平衡條件、應變協調條件和本構材料定律。從數值研究中可以獲得定性和定量性能。一項旨在評估使用MO方法確定具有粒狀回填料的擋土墻上動態誘導側向土壓力的適當性的調查結果，通過與使用FLAC進行的分析的可用結果進行比較，評估了使用DIANA獲得的結果的可靠性。使用FLAC對土工格室加固支護結構的性能進行了數值分析，結果表明，土工格室長度較長的結構在減少變形方面表現良好。研究人員進行了一系列縮尺振動臺試驗，以研究加固土擋墻對不同基底加速度的響應。他們使用FLAC進行參數數值研究，以評估基底加速度對加固土擋墻性能的影響。

由于人們對加固土擋土墻表現出相當大的興趣，加固層之間的正常間距，但對于鋼筋層間距較大的加固土擋土墻，沒有足夠的可用信息。為了更好地理解加固層間距較大的加固土擋墻，本文利用FLAC對加固土擋墻在靜態和動態條件下的土壓力和側向位移進行了討論。在不同的現場條件和不同的荷載條件下進行了一些數值模型試驗。同時還進行了參數研究，以了解土-墻系統的作用和力學結構。

3 加固設計

利用FLAC建立一個二維有限差分數值模型，利用彈塑性和Mohr-Coulomb本構模型對地基和回填土進行模擬。墻體高度為5.00 m，寬度為0.30 m，單位長度為平面應變方向。擋土墻飾面假定由混凝土制成，建模為線彈性材料。回填土和地基土建模為干燥、無黏性的均質材料，具有彈塑性響應和莫爾-庫侖破壞準則。在整個擋土墻中，土層被認為是均勻的，而地下水位被假定為大深度，因此地下水位對模型響應沒有影響。零抗壓強度的元件。在每個加固土擋土墻(懸臂式擋土墻)模型中，鋼筋的長度保持不變(2或4 m)。回填網格點和鋼筋節點之間不允許有相對移動。土壤-鋼筋相互作用包含在模型中。在模型的底面，所有移動均受到限制。每次設置新層時，都要檢查擋土墻的穩定性，在動態運動中應用靜力邊界條件來避免波浪反射，考慮阻尼比為5%，以3 Hz頻率的地基土為基礎，以正弦速度波(EQ3)的形式施加動荷載以及0.2 g加速度振幅。該波作用在模型上的持續時間為2.0 s(6個周期)。分析中，用于動態加載的速度波方程為：

Vx=V0cos(2πηt)

(3)

式中：V0為速度振幅，取0.01 m/s；V為時間(t)在X方向上的速度；η為頻率；t為時間。

擋土墻模型見圖1。回填土頂部存在1 kPa的超載。為了驗證靜態條件下的模型，使用經典的Rakine土壓力理論計算墻壁上的土壓力，并將其與數值分析獲得的壓力進行比較[3]。兩者之間存在良好的一致性，在達到靜態平衡后，對數值模型施加動態載荷。為了在動態條件下驗證模型，通過數值分析和解析分析得到動土壓力。采用pseu恒劑量法(方程式1)進行分析，以獲得動態土壓力。結果表明，兩者之間有良好的一致性。在靜態和動態條件下對模型進行了驗證。

圖1 土擋墻模型

4 結果和討論

為了評估加固層對擋土墻性能的影響，根據不同長度，確定了靜態和動態條件下的土層厚度，見圖2。

圖2 土壓力加固(三層)擋土墻

由圖2可以獲得相對于標高(從擋土墻底部)的土壓力。可以看出，靜態土壓力小于動態土壓力。在靜態和動態條件下，加固土擋墻比未加固(常規)土擋墻顯示出更小的土壓力。鋼筋長度為2 m的加固土擋墻上的動土壓力和靜土壓力小于傳統擋土墻上的動土壓力和靜土壓力。但當鋼筋長度增加到4 m時，這兩種壓力(動土壓力和靜土壓力)都大大降低。土壓力(靜態和動態)隨加固層長度的增加而減小。在靜態和動態條件下，不同長度(0、2和4 m)的加固土擋墻(3個加固層)的橫向位移見圖3。

圖3 橫向位移加筋(三層)擋土墻

可以觀察到，靜態條件下的側向位移小于動態條件下的側向位移。與未加固(常規)擋土墻相比，加固擋土墻的側向位移較小。隨著加固土擋墻加固層長度的增加，側向位移減小。由圖2和圖3可知，側向位移的變化幾乎是線性的，但土壓力的變化是非線性的。增量動土壓力可使用式(2)確定。一層和三層鋼筋標高的增量動土壓力曲線圖，見圖4和圖5，圖4和圖5分別顯示了不同長度鋼筋(2和4 m)、無鋼筋及其分析值之間的比較。

圖4 一層加固土擋墻上的增量動土壓力

圖5 三層加固土擋墻上的增量動土壓力

由圖4和圖5可知，未加固和分析值的增量動土壓力為線性，但加固為非線性。一層(長度為2和4 m)的增量動土壓力比三層表現出更多的非線性，三層加固擋墻的增量動土壓力小于一層加固擋墻的增量動土壓力[4]。可以注意到，增加的動土壓力隨著加固層長度的增加而減小。

5 參數研究

為了評估動荷載持續時間對加固土擋墻性能的影響，對不同的持續時間(1.0，3.0和5.0 s)的動態荷載進行分析。在參數研究中使用了三層加固土擋墻。每個加固的長度為2 m。加固土擋墻在不同持續時間(1.0，動態荷載的3.0和5.0 s)見圖6。

圖6 不同時間間隔加固擋土墻上的動土壓力

動態土壓力隨動態荷載持續時間的增加而增加。可以注意到，動態土壓力的變化是非線性的。持續時間t=1.0 s和t=3.0 s之間以及持續時間t=3.0 s和t=5.0 s之間的動土壓力變化是相同的。加固土擋墻在不同的動荷載持續時間下的側向位移見圖7。

圖7 不同時間間隔加固土擋土墻的側向位移

可以觀察到，側向位移隨動載荷持續時間的增加而增加。橫向位移的變化幾乎是線性的，并且在持續時間t=1.0 s和t=3.0 s之間的橫向位移變化大于在t=3.0 s和t=5.0 s之間的橫向位移變化。

6 結 語

本文采用有限差分程序FLAC對加固土擋墻進行了數值分析。在靜態和動態條件下，觀察土壓力和側向位移(變形)，并對傳統(無筋)擋土墻和加固擋土墻進行了比較。研究表明，加固擋土墻在較低的動力條件下，能很好地降低土壓力和墻體側向位移。在靜態和動態條件下，加固層數及其長度對土壓力和側向位移有顯著影響，擋土墻的土壓力和側向位移隨加固層數的增加而減小。與未加固(傳統)擋土墻相比，使用加固土顯著降低了增量動土壓力。增加的動土壓力隨著加固層數量和長度的增加而減小。