云阳县滨江大道路基挡土墙变形分析与加固

王洪庆，严译强，马 健

（长江岩土工程总公司〈武汉〉，湖北 武汉 430010）

云阳县滨江大道路基挡土墙变形分析与加固

王洪庆，严译强，马 健

（长江岩土工程总公司〈武汉〉，湖北 武汉 430010）

云阳县滨江大道路基挡土墙在运营工况下，由于路基运营环境的变化导致了填土的物理力学性质的改变，挡土墙发生了位移和变形。在分析了变形原因的基础上，提出了抗滑桩预应力锚索联合加固方案，并取得了良好的治理效果。介绍了该工程加固方案设计及抗滑桩预应力锚索施工工艺。

路基;挡土墙;变形;抗滑桩;预应力锚索

1 工程概况

云阳县位于三峡工程库区腹地，属三峡库区全迁县城之一。新址地处铁峰山脉东延部分南麓，为构造侵蚀-剥蚀斜坡、残丘地貌。主要规划区为以磨盘寨为中心的长江北岸与小江南岸带状地带，在新县城建设过程中，因工程需要，建设了很多挡土建筑物。

云阳县滨江大道为新县城的交通主干路，南临长江，东起G25号路，途径塘坊路、五同路、云阳长江大桥、关萍路、青龙路、云阳客运码头，西经双江大桥与S103公路相连。路线全长6.4 km，设计行车速度50 km/h，路基宽26 m，双向4车道;道路多处为高边坡护坡路基。该道路竣工通车后，经观测K0+384.5～615.5高挡土墙段侧向变形严重，行车道路面间出现宽度为3～12 mm的裂缝，已严重影响道路安全，且有继续发展的趋势。

2 变形段路基地质条件及挡土墙结构

K0+384.5～615.5 段原为自然冲沟，建设滨江大道时采取的是高挡土墙填方路基。路基基底为中风化基岩，从上至下依次为厚层泥质粉砂岩、粉砂质粘土岩和长石砂岩，岩体较完整，强度较高;公路外侧为浆砌条石重力式挡土墙，地基为中风化泥质粉砂岩，混凝土基础，墙高为15～26 m，墙顶高程201.50 m;公路内侧为人工切坡，上部为第四系覆盖层，下覆基岩为粘土岩和长石砂岩，其中粘土岩风化剥蚀严重，表面冲沟发育，坡脚有坡积物堆积。路基填土为碎石土，其主要成分为长石砂岩和粉砂岩。典型断面结构见图1。

图1 路基典型横断面结构图

3 变形原因分析

根据该变形段路堤的勘察资料并结合施工现场记录分析，该段公路通车后，填土中的含水量和粘粒含量逐渐增大，使土体的物理力学性质发生了改变（见表1）。

表1 路基填土物理力学指标统计表

根据《公路路基设计规范》（JTGD 30-2004），作用在挡土墙墙背上的主动土压力可按库仑理论计算，车辆荷载作用在挡土墙墙背填土上所引起的附加土体侧压力可换算成等代均布土层［1］。

库仑主动土压力计算公式如下:

式中:Eak——主动土压力合力标准值;Ka——库伦主动土压力系数;φ——填土的内摩擦角;γ——土体重度;H——挡土墙高度;β——墙背填土倾角;δ——墙背摩擦角;α—填土与墙背的摩擦角。

根据莫尔库仑强度理论，影响填土上的抗剪强度的因素有土体的密度、粒径级配、颗粒形状和矿物成分［2］。墙后填土含水量和粘粒含量增加，粘粒逐步充填填土的孔隙并起到润滑和保水作用，使填土的重度增大、内摩擦角和粘聚力减小。由库仑土压力计算公式可知，土体的内摩擦角降低，主动土压力系数增大，作用在挡土墙背上的主动土压力增大;土体重度增大，主动土压力也随之增大。逐渐增大的主动土压力使挡土墙产生了变形和位移，路面产生裂缝。

经仔细分析，造成路基填土含水量和粘粒含量增加的原因主要有:（1）路基填筑材料为碎石，其主要成分为长石砂岩和粉砂岩，并夹有部分的泥质粉砂岩和粘土岩，其中泥质粉砂岩和粘土岩有遇水软化和在空气中崩解的特性，二者崩解软化后造成填筑料中粘粒含量的增加，使路基填筑料保水性增强、排水性能降低;（2）公路内侧止水设施不足，内侧人工切坡的排水有进入路基的途径，特别是雨季，切坡排水中含有大量的粘粒，进入路基后逐步重填填土中的空隙，使路基填土的含水量和粘粒含量进一步增加;（3）挡土墙设置的排水孔深度不够，路基内的渗水不能顺畅排除;（4）施工期间，路基填筑过程中分层压实时部分结合面上的积水处理不够理想，填土的含水量超过最优含水量，压实度和密实度不能满足要求，填土孔隙比增大。

4 加固方案的选取

本次加固治理的目的是防止变形进一步发展，在分析变形发生发展的基础上，采取的主要治理措施是:（1）在挡土墙外侧施加有效的应力，增强挡土墙的抗变形能力;（2）减少路基渗水的途径，加强路基的排水能力，防止主动土压力继续增大和出现静水压力。

参考《公路路基设计规范》（JTGD 30-2004），对高填方路基常用的几种加固方法，如锚杆、抗滑桩、土钉和预应力锚索进行了比较。土钉适用于自稳性较好的路基边坡，不适合本工程;锚杆可适用于墙体较高大的岩基路堑路段，锚杆加载的预应力和长度有限制，本段路基挡土墙已发生较大变形，需要加载一定的预应力，锚固体需穿越路基进入基岩内，整体长度大，锚杆连接段数多，容易造成应力损失;本段挡墙最大高度为26 m，单独使用抗滑桩截面的应力过大，需要很大的断面尺寸和很大的入土深度，对挡土墙基础有破坏作用，可能会降低挡土墙的抗滑稳定性，存在不安全因素，并且费用较高，经济上不尽合理;单独采用锚索，造成锚固部位的应力集中，挡土墙为砌体结构，易产生压屈变形和破坏，失去锚固效果。

最终确定采用安全系数相对较高的预应力锚索和抗滑桩联合加固的方案。锚索提供较大的预应力，抗滑桩之间设联系梁和混凝土面板，使应力得到有效扩散，减小墙体的压屈变形。

在公路内侧边缘设置防渗设施，阻止地表水进入路基内部。在外侧挡土墙上适当布置排水孔，加强路基的排水能力。

5 预应力锚索和抗滑桩联合加固路基挡土墙

5.1 技术方案设计

设计方案对K0+384.5～615.5全段挡土墙采用抗滑桩框架梁和预应力锚索进行加固，在挡土墙外侧设置抗滑桩，抗滑桩中心间距4 m，基础深入下部中风化基岩2 m，断面尺寸为0.8 m×1.0 m，上部每4 m设一道联系梁，联系梁间为混凝土面板，混凝土强度为C25。预应力锚索置于抗滑桩和联系梁的交汇处，设计预应力为1000 kN，锚固段位于中风化基岩内。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010），云阳县50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.05g，反应谱特征周期为0.35 s，相应地震烈度为6度［3］。依据《公路工程抗震设计规范》（JTJ 004-89），基本烈度为6度地区的公路工程，除国家特别规定外，可采用简易设防［4］。按《公路路基设计规范》（JTGD 30-2004）锚索体截面积计算公式为:

K 取 2.1，Pptk取 1470 MPa。

计算得 As=1337.58 mm2。

钢绞线根数 n=1337.58/140=9.55，取 n=11 根。

锚固长度L按下式计算确定:

（1）按锚索注浆体与地层之间的粘结长度确定:

ζ1取 1.00，D 为 150 mm，frb取 290 kPa。

计算得锚索注浆体与地层之间的最小粘结长度L=15.37 m。

（2）按锚索注浆体与锚索体之间的粘结长度确定:

ζ2取 0.6，ds为 15.2 mm，fb取2950 kPa。

计算得锚索注浆体与锚索体之间的最小粘结长度 L=2.3 m。

锚固段最小长度取以上两种结果的大者即L=15.37 m，结合锚固段岩土体的性质，为防止锚固段软质岩石受水软化以及局部由节理切割的岩体承受拉力后松动［5］，锚固段实际长度为18.0 m。

在公路内侧混凝土渗水沟下部设止水墙，墙体深入基岩0.5～0.8 m，墙顶与渗水沟相接，截断地表水渗入途径。在挡土墙外侧的混凝土面板的中央增设排水孔，排水孔深入路基内部，向上倾角为8°～10°，孔内设排水管，排水管上部和侧面钻透水孔，增加排水的路径。

挡土墙变形加固结构见图2、3。

5.2 加固方案的稳定性分析

预应力锚索加固后，考虑汽车载重荷载和人力荷载，不考虑地震作用时作用于挡土墙上的力系如图4，不同工况下的安全稳定性系数计算结果见表2。

图2 预应力加固结构断面图

图3 预应力加固结构立面图

图4 作用于挡土墙的力系图（每延米）

表2 典型断面挡土墙稳定性计算表（每延米）

抗滑动稳定性系数Kc计算公式:

绕墙趾抗倾覆稳定性系数K0计算公式:

式中:Ep'——墙前被动土压力水平分力，Ep'=0;λ——挡土墙基础倾角;Zg——墙体自重对墙趾的力臂;Zx——主动土压力竖向分力Ey对墙趾的力臂;Zy——主动土压力水平分力Ex对墙趾的力臂;N——作用于基地上合力的竖向分力。

由稳定系系数计算结果可知，该段挡土墙在公路通车运营后，两种稳定性系数较在设计状况时均发生了较大程度的降低，特别是抗倾覆稳定性系数已小于规范规定的要求，也是挡土墙产生变形的主要原因。采取预应力锚索加固后，抗倾覆稳定性系数得到了很大的提高，达到了相关规范的要求，可以遏制墙体的进一步变形，表明加固方案是切实可行的。

6 预应力锚索施工工艺

6.1 钻孔放样

对预应力锚索位置进行编号，采用测量仪器进行钻孔放样，控制孔位偏差≯3 cm。

6.2 钻进成孔

开孔后在挡土墙墙身部位采取回转钻进的方式成孔，进入路基填土后采用套管护壁法冲击钻进的工艺成孔，以利用套管对钻孔方向进行导向，防止填土层掉块和塌孔，提高钻进效率［6］，套管至进入基岩0.5 m;进入基岩后再改为回转钻，提取岩心进行描述，以保证锚固段位于中风化基岩的有效长度;成孔过程中及时测量孔深和孔斜，出现异常偏差时需进行纠偏纠斜。可采取多个作业面同时施工的工艺以提高效率。

6.3 锚索制作安装

6.4 注浆

浆液为425号普通硅酸盐水泥和细沙配置的M30砂浆，浆液水灰比0.45;注浆前使浆液充分搅拌均匀，现搅现用，注浆压力≮0.3 MPa;当孔内浆液初凝后及时进行二次注浆，保证孔内注浆饱满。

7 抗滑桩、联系梁和面板施工工艺

7.1 抗滑桩施工

7.1.1 挖孔

墙前填土厚度较小，采用人工挖孔隔桩施工的工艺，首先清除表面填土至基岩面，岩性为泥质粉砂岩，属软质岩石，使用轻型凿岩机冲击破碎，桩孔上部设0.8 m护栏，挖孔过程中及时核对孔内的地质情况，出现异常时及时通知设计单位进行调整。

7.1.2 护壁

挖孔每节深度为1.0 m，岩层破碎时可适当减小，护壁前检查桩孔的结构尺寸和偏心情况，符合设计要求后安装护壁钢筋、模板和浇筑混凝土，达到一定强度后拆模进行下一节的施工。

7.1.3 桩身钢筋制安和混凝土浇筑

当桩孔进入中风化基岩的深度达到设计深度后，再次校正桩孔的结构尺寸和中心偏差;由于施工场地的限制和桩孔深度较浅，桩身钢筋笼采取孔内制作安装，检查验收后进行桩身混凝土浇筑，采用插入式振捣器振实，混凝土浇筑必须一次性完成并及时进行养护;地面以上部分桩身混凝土施工时尽量少设置施工缝，桩身接头时需进行凿毛和清洗接触面，桩间接头交错布置，禁止相邻桩间的接头在同一水平面上。

7.2 联系梁和面板

桩身到达最下方的联系梁时进行联系梁和面板的钢筋制安和模板架立，钢筋和模板验收后和桩身混凝土同时浇筑，在混凝土达到一定强度后进行下一阶段的面板和联系梁的施工依次至挡土墙面，始终保持面板和桩、联系梁的整体性施工（见图5）。

图5 建设中的滨江大道挡土墙锚固工程

8 预应力锚索的张拉与锁定

8.1 张拉

张拉前对张拉设备进行标定，确定其精度符合相关标准;当锚索注浆、抗滑桩和联系梁混凝土均达到设计强度后，进行锚索的张拉;张拉分6级二次进行，即按照设计应力1000 kN的20%、40%、60%、80%、100%、110%进行逐级张拉，第一次为前3级应力，第一次完成5天后进行第二次张拉，张拉至最后一级并持荷一段时间后进行锁定。

8.2 应力补偿措施

在部分初期应力损失完成后，选择适宜的时间对锚索张拉并进行补偿张拉，一般在初次张拉锁定后10～15天进行补偿张拉以减少应力损失［7］。

8.3 锚头的封闭与保护

补偿张拉完成后，锚具外留存300 mm的钢绞线，多余部分采用机械切割截除，采用C25混凝土及时封闭锚头以保护其正常工作。

9 治理效果

该段挡土墙变形加固工程于2006年12月20完工移交，至2009年6月20日对其变形进行持续监测，累计变形量最大值为1.2 mm，已无继续发展的趋势，表明挡土墙已处于稳定状态，治理措施达到了预期目的;该处挡土墙外侧土地又得到有效利用，至2010年已建成某公司18层办公楼一栋，当地建设管理部门对该段挡土墙的变形治理效果十分满意。

10 结语

该段路基挡土墙在运营状况下由于墙背后填土的物理力学性质发生了变化，导致墙体变形，通过分析和采取有效的加固方案，使其变形得到了根本性治理。表明维护填土路基在设计工况下运行的重要性，一旦运营环境发生了不利变化，会对挡土建筑物造成严重的危害，同时表明了抗滑桩预应力锚索联合加固措施具有安全系数大、成本低、施工效率高等优点，可以在类似工程中得到更广泛的应用。

［1］ JTGD 30-2004，公路路基设计规范［S］.

［2］ 钱德玲.土力学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［3］ GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［4］ JTJ 004-89，公路工程抗震设计规范［S］.

［5］ 谭彬建，俞敏，息飏，等.桂柳高速公路边坡预应力锚索加固方案设计［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2010，37（5）:73-77.

［6］ 黄辉，牟文俊，陶林.浅析大吨位、超长孔深锚索钻孔孔斜控制［J］.探矿工程（岩土鉆掘工程），2010，37（6），71-74.

［7］ 刘玉元，高杰.锚索预应力降低的影响因素探讨［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2005，32（1）:27-28.

Analysis on Retaining Wall Deformation in Binjiang Road of Yunyang County and Reinforcement

WANG Hongqing，YAN yi-qiang，MA Jan（Changjiang Geotechnical Engineering Company〈Wu han〉，Wuhan Hubei 430010，China）

Due to the changes of subgrade in the operating environment，the changes of physical and mechanical properties of the fill were caused，displacement and deformation happened in the retaining wall.On the basis of analysis on deformation，joint reinforcement of pre-stressed anchor cable and anti-sliding pile was proposed with good effect.The paper introduced the design of reinforcement scheme and the construction technology of pre-stressed anchor cable for anti-sliding pile.

subgrade;retaining wall;deformation;anti-sliding pile;pre-stressed anchor

U417.1

A

1672-7428（2012）02-0070-04

2011-08-16

王洪庆（1974-），男（汉族），山东冠县人，长江岩土工程总公司（武汉）工程师、一级建造师，岩土工程专业，从事岩土工程、道路桥梁工程、水利水电施工和地质灾害治理工程施工管理工作，湖北省武汉市解放大道2805号（美联小区）9-2-501（430011），zousanxia@163.com。