新旧结合挡土墙加固工程稳定性计算分析及应用

王俊港

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

20世纪90年代，工程建设标准尚不完善，许多工程在设计及开工建设过程中没有正式的勘察、监理、验收等过程资料，设计及建设过程不规范导致工程质量无法把控，同时随着工程建筑物使用年限的增长和设备的老化，安全隐患开始慢慢浮现出来。挡土墙是水利工程中常见的水工建筑物，几乎在所有的防洪、灌溉、排涝等水利工程中必不可少，但近年来因各种因素引发的挡土墙坍塌事故时有发生[1- 3]。特别是位于城市地区的河道挡土墙，肩负着重要的防洪、排涝任务，一旦发生事故，会造成严重的人员伤亡和财产损失[4]。一些挡土墙工程不宜拆除重建，只能对原挡土墙进行加固，如加厚、加高及锚杆加固等[5]，因此，针对挡土墙的加固是当前除险加固工程中的重点、难点。

本文以梅州市某工程为例，构建挡土墙稳定计算模型，综合考虑挡土墙材质、地质情况，结合工程特点，提出针对性措施，有效排除挡土墙坍塌风险，保障挡土墙结构稳定及安全。

1 工程概况

1.1 工程概况

梅州市某段堤防全长4.5km，堤防所属河流为梅江河，工程始建于1998年，是一座以防洪和交通相结合的堤防。堤防现有工程等级、设计洪水标准不详，按GB50201—2014《防洪标准》规定，该堤防的防洪标准应为20年一遇，相应堤防的级别为4级。该段堤防建设过程未遵循规范，没有正式勘察、设计，完工后也未经主管部门验收。该堤防经过10多年的运行，存在安全隐患，主要表现在防洪墙质量差，强度低，结构老化，年久失修，堤顶道路凹陷、破损严重，发生沉降裂缝，如图1所示，亟需除险加固。堤防现状为仰斜式混凝土挡土墙，墙体等宽，墙顶宽度1.8～2.2m，墙高12～14m，坡比为1:0.2，现状堤防代表断面如图2所示。

图1 现状堤顶道路裂缝

图2 现状堤防代表断面图

1.2 工程区岩土层主要物理力学指标

代表性断面的挡土墙基础为中密卵石层，墙后填土为素填土和中密卵石层，工程地质条件较好，地基承载力标准值为250kPa，主要物理力学指标见表1。

表1 工程区岩土层主要物理力学指标建议值

2 现状稳定性分析

首先验算旧挡土墙稳定，采用理正岩土计算软件进行计算[6- 10]。

2.1 整体稳定计算

对旧挡土墙进行整体稳定分析，选择简化毕肖普法进行计算，不同工况下计算的挡土墙的整体稳定安全系数结果见表2。

表2 旧挡土墙整体稳定计算结果

旧挡土墙各工况下的整体稳定安全系数均大于规范允许值，不会整体失稳。

2.2 抗滑、抗倾覆稳定计算

对旧挡土墙进行抗滑、抗倾覆稳定分析，挡土墙墙背土压力采用库伦土压力理论进行计算，基底摩擦系数取0.45，不同工况下计算的挡土墙抗滑、抗倾覆稳定安全系数见表3。

表3 旧挡土墙抗滑、抗倾覆稳定计算结果

旧挡土墙各工况下的抗滑、抗倾覆稳定均不满足规范要求，挡土墙处于失稳状态。

2.3 挡土墙稳定计算结果分析

根据以上计算结果分析可知，挡土墙自身结构不稳定是挡土墙结构变形、堤顶道路开裂的重要原因。除此之外，以下原因也导致了挡土墙失稳。

(1)根据现场查看，挡土墙外墙面排水孔大部分无排水痕迹，排水系统失效，墙后水压力增大，造成墙体失稳滑动。

(2)根据墙体抽芯揭露：墙体临水面0.8m范围内混凝土胶结较好，0.8～2.0m胶结较差，岩芯呈碎块状，结构整体性及强度差，墙体质量不合格。

综上所述，挡土墙自身结构不稳定、墙体排水系统失效、墙体质量不合格等因素是造成挡土墙失稳、变形的主要原因[11]。

3 挡土墙加固方案

3.1 加固工程难点分析

(1)需要综合考虑挡土墙加固的安全性和经济性。

(2)挡土墙后为市政道路，工程建设受用地条件制约。

(3)需要考虑新、旧挡土墙之间如何能更好地结合，要对旧挡土墙在稳定计算时所起的作用进行分析。

3.2 加固设计方案

通过以上对现状挡土墙的分析，综合考虑工程用地、安全性和经济性，推荐采用C20钢筋砼护面墙对挡土墙进行加固。施工前需打通排水管，重建挡土墙排水系统，通过凿毛和锚筋使新旧墙紧密结合；新墙顶宽0.8m，面坡坡度为1:0.35；新墙基础采用双排φ1000灌注桩梅花型布置，单桩长8m，桩距3m，排距2.5m；墙前回填土形成反压平台，护面采用500mm厚M7.5浆砌块石防冲刷；墙顶采用C20钢筋砼防浪墙加高至设计堤顶高程，并在墙顶布置一条3m宽的人行道。典型断面如图3所示。

图3 堤防加固方案典型断面图

3.3 稳定计算分析

3.3.1完建期工况

完建期工况挡土墙受到外力有挡土墙自重、墙后土压力和地基反力，根据《支挡结构设计手册》[12]和SL744—2016《水工建筑物荷载设计规范》[13]计算出上述各力后对挡土墙进行受力分析，受力分析简图如图4所示。

图4 完建期工况受力分析简图

(1)抗滑稳定计算

通过受力分析，计算出旧挡土墙的滑移力为412.546kN，抗滑力为346.752kN。考虑到新旧挡土墙结合效果的问题，结合工程经验，旧挡墙抗滑力按50%取用，即旧挡土墙提供的抗滑力为173.376kN。

挡土墙加固后，新挡土墙的抗滑力全部由由灌注桩提供。根据DBJ15- 31—2003《建筑地基基础设计规范》[14]，桩身配筋率不小于0.65%的钻孔灌注桩单桩水平向承载力特征值按式(1)计算。

(1)

通过计算，采用双排φ1000灌注桩梅花型布置，单桩长8m，桩距3m，排距2.5m，灌注桩单桩水平承载力为560kN，因此灌注桩对每米挡土墙提供的抗滑力为373kN。

加固后挡土墙完建期的抗滑稳定安全系数Kc为1.324，大于1.200，根据SL379—2007《水工挡土墙设计规范》[15]，抗滑验算满足。

(2)抗倾稳定计算

本工程应验算加固后挡土墙绕前排桩桩顶中心点的倾覆稳定性。

通过受力分析，并对桩顶中心点取矩，各力矩计算见表4。

表4 完建期力矩计算表

由表4可知，完建工况下加固后挡土墙的倾覆力矩为2037.028kN·m、抗倾覆力矩为6855.803kN·m。

完建工况下加固后挡墙的抗倾覆稳定安全系数K为3.366，大于1.400，根据规范，抗倾覆验算满足。

(3)基底应力计算

完建工况新建挡土墙作用在基底的总竖向力为679.038kN，全部由灌注桩承担。桩插入中密卵石层，单桩承载力按摩擦型端承桩计算，桩的极限端阻力标准值取2000kPa，桩的极限侧阻力标准值取45kPa，通过计算，φ1000灌注桩单桩竖向承载力特征值为1300kN。因此，灌注桩对每米挡土墙提供的竖向承载力为679.038 kN，大于总竖向力，满足承载力要求。

3.3.2设计洪水工况

设计洪水工况墙前、墙后水位均为20年一遇洪水位，挡土墙受到的外力有挡土墙自重、墙后土压力、地基反力、浮托力和墙前、墙后水压力，计算出上述各力后对挡土墙进行受力分析，受力分析简图如图5所示。

图5 设计洪水工况受力分析简图

(1)抗滑稳定计算

通过受力分析，计算出旧挡土墙的滑移力为228.803kN，抗滑力为203.831kN，抗滑力按50%取用，即旧挡土墙抗滑力为101.9kN。

计算得加固后挡土墙设计洪水工况的抗滑稳定安全系数Kc为2.07，大于1.200，抗滑验算满足。

(2)抗倾稳定计算

通过受力分析，并对桩顶中心点取矩，各力矩计算见表5。

表5 设计洪水工况力矩计算表

由表5可知，设计洪水工况下加固后挡土墙的倾覆力矩为7388.344kN·m、抗倾覆力矩为10847.003kN·m，计算得设计洪水工况下加固后挡墙的抗倾稳定安全系数Ko为1.468，大于1.400，抗倾覆验算满足。

(3)基底应力计算：

设计洪水工况新建挡土墙作用在基底的总竖向力为450.047kN，小于灌注桩提供的竖向承载力，满足承载力要求。

3.3.3水位骤降工况

水位骤降工况为墙前水位由20年一遇洪水位骤降0.5m，墙后水位保持20年一遇洪水位不变。挡土墙受到的外力有挡土墙自重、墙后土压力、地基反力、浮托力和墙前、墙后水压力，计算出上述各力后对挡土墙进行受力分析，受力分析简图如图6所示。

图6 水位骤降工况受力分析简图

(1)抗滑稳定计算

通过受力分析，计算出旧挡土墙的滑移力为295.169kN，抗滑力为205.089kN，抗滑力按50%取用，即旧挡土墙抗滑力为102.5kN。

计算得加固后挡土墙水位骤降工况的抗滑稳定安全系数Kc为1.611，大于1.05，抗滑验算满足。

(2)抗倾稳定计算

通过受力分析，并对桩顶中心点取矩，各力矩计算见表6。

表6 水位骤降工况力矩计算表

由表6可知，水位骤降工况下加固后挡土墙的倾覆力矩为7347.829 kN·m、抗倾覆力矩为 10411.643kN·m。计算得水位骤降工况下加固后挡墙的抗倾稳定安全系数：Ko为1.417，大于1.300，抗倾覆验算满足。

(3)基底应力计算：

设计洪水工况新建挡土墙作用在基底的总竖向力为429.622kN，小于灌注桩提供的竖向承载力，满足承载力要求。

4 结论

本文以梅州市某段堤防的挡土墙为例，系统分析了该挡土墙现状存在的问题，并提出加固方案，得出以下几点结论：

(1)对于失稳的仰斜式挡土墙，可采用加厚旧挡土墙的方案对其进行加固。

(2)由于新增挡土墙不会改变墙后土压力，可以将旧墙的滑动力和抗滑力叠加到新墙上，以此模型进行抗滑稳定计算。

(3)在进行抗滑稳定计算时，若完全不考虑旧挡土墙的作用，则投资需要增加较大；考虑到新旧挡土墙结合、施工质量等问题，并结合工程经验，在进行抗滑稳定计算时可以考虑50%旧挡土墙的抗滑力。

(4)在进行抗倾覆稳定计算时，可以将新旧挡土墙看作一个整体进行计算。