微型钢管桩加固重力式挡土墙的应用

朱成华，魏小勇

（1 重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400016；2 重庆佰晟捷建筑工程有限公司，重庆 401120）

重庆市作为山地城市，地势高低起伏，建筑特色明显，特别是老旧小区通常依山就势而建，建筑场地以多个台地进行布置，地势高差以挡土墙作为支挡。由于当时技术条件限制，老旧小区周围及其内部现存挡土墙的安全性大部分不符合国家现行规范的要求，针对这类挡土墙的加固处理非常重要，加固处理方法应能够提升现有挡土墙的安全性，确保老旧挡土墙有更高的稳定性、更小的基底压力。同时，既要考虑节约成本、减少工期，又要满足施工方便、环境影响小等要求。

1 常规加固方法简述

目前，挡土墙的加固设计理论及应用研究取得了系列成果，李纯玉[1]系统分析了重力式挡土墙稳定性的影响因素，Castillo 等[2]将安全系数法用于挡土墙的加固和修复，张春标[3]应用锚杆及注浆技术加固挡土墙，张振奋等[4]在挡土墙加固工程中应用预应力锚索技术，周兴龙等[5]在深厚垃圾场地浆砌片石重力式挡土墙加固中应用树根桩，李强等[6]对桩板式挡土墙加固方案及技术进行了评价，余波江[7]在挡土墙加固工程中应用水平受荷桩进行设计，张文超[8]等在挡土墙加固中应用灌浆法，于志清等[9]总结了重力式挡土墙修复加固实例。常用的老旧挡土墙加固方法有增大截面、增设抗滑桩、增设树根桩、增加锚固、灌浆等方法，但针对老旧小区改造项目上述方法均有着一定的局限。增大截面法是在挡土墙的外侧增大一定的截面，需要占用一定的额外墙前使用空间，但老旧小区空间基本条件较差，很难找到预留空间，基础坑槽开挖也会对原有挡土墙的地基产生扰动影响；增设抗滑桩、树根桩同样也有上述的空间问题，并且其成本较高，又由于通常不具备大型机械成孔的条件，采用人工挖孔施工风险较大；增加锚固需外设锚头依然存在占用空间的问题，并且该方法将受制于挡土墙后的岩层情况，适用范围较小；灌浆法对土体的加固效果难以准确评价，检测难度大，并且灌浆法易跑浆成本较高。因此，传统加固方法在老旧小区的改造中都有比较明显的限制条件，适用性较差。

老旧挡土墙新型加固方法的研究因而非常必要且紧迫，针对老旧小区改造的特点，进行新型加固方法的研究并开发出相应的产品，将可以极大地满足目前市场的需求，对加快工程建设、节约成本和环境保护等方面发挥重要作用。

2 理论研究

老旧挡土墙通常建造年代较早，大部分未经过正规的设计，挡土墙的型式基本 为重力式挡土墙，重力式挡土墙主要是靠自重来维持土压力作用下的自身稳定[10]，其主要验算项目为抗滑移、抗倾覆、地基承载力以及结构强度，依据国家现行规范《建筑边坡工程技术规范》GB 50330—2013[11]规定，重力式挡土墙一般工况下抗滑移稳定系数不小于1.3，抗倾覆稳定系数不小于1.6，地基承载力和结构强度根据地质情况和修建材料的不同还应满足相应的要求，由于老旧挡土墙已运行使用相当长一段时间，其本身地基和结构强度存在问题的可能性不大，而其抗滑移稳定系数和抗倾覆稳定系数不满足现行规范要求的可能性较大，提高现有挡土墙的抗滑移稳定性和抗倾覆稳定性是加固最主要的两个目标。因此，老旧挡土墙的加固方法应能够提高其抗滑移稳定系数和抗倾覆稳定系数，还要考虑老旧挡土墙大多数空间受限制，加固结构应尽量不占用额外空间，且施工简便、风险低，不需要大型设备，加固施工也不应对现有挡土墙产生不利影响。

原挡土墙受墙后主动土压力作用，以墙身自重抵抗倾覆及滑移，挡土墙作为刚体保持极限平衡；针对挡土墙的受力特点及实际限制条件，采用微型钢管桩加固结构对老旧挡土墙进行加固，以小型设备在墙后机械成孔微型钢管桩并在桩顶设置连梁与挡土墙连接，构成“П”形超静定组合结构，组合结构的受力体系变化及模型示意见图1、图2，微型钢管桩与原挡土墙的连接连梁作为力臂，较小的抗拔力就可以提供较大的抗倾覆力矩，又由于微型钢管桩自身刚度大，可以提供较大的侧向抗滑力。同时，该组合结构形式更稳定，并增加了水平抗力和抗倾覆弯矩，即提高了抗滑移稳定性系数和抗倾覆稳定性系数，同时，原有挡土墙自身承受的倾覆力矩变小，进而又可以减小挡土墙墙底的地基应力，加固结构的平面布置和剖面受力情况见图3、图4，依据《建筑边坡工程技术规范》GB 50330—2013[11]给出的重力式挡土墙抗滑移稳定系数Fx和抗倾覆稳定系数Ft的计算公式，加固结构微型钢管桩通过水平抗力增加挡土墙整体的抗滑移稳定系数，通过微型钢管桩的抗拔力产生的抗倾覆力矩增加抗倾覆稳定系数，其中微型钢管桩的水平抗力和抗拔力按《建筑桩基础技术规范》JGJ 94—2008[12]的计算公式采用，微型钢管桩加固后挡土墙的抗滑移稳定系数、抗倾覆稳定系数和地基应力计算见下式（1）～（4）。

图1 挡土墙受力体系示意图

图2 加固结构模型示意图

图3 加固处理平面布置示意图

图4 加固剖面及荷载作用示意图

式中：

Fx——挡土墙抗滑移稳定系数；

Ft——挡土墙抗倾覆稳定系数；

pmax——挡土墙基底地基应力最大值；

μ——挡土墙底与地基的摩擦系数；

G——挡土墙自重；

Gt——挡土墙自重沿挡土墙基底面方向的分力；

Gn——挡土墙自重垂直挡土墙基底面方向的分力；

Ea——土压力合力；

Eat——土压力合力沿挡土墙基底面方向的分力；

Ean——土压力合力垂直挡土墙基底面方向的分力；

Eax——土压力合力水平方向的分力；

Eaz——土压力合力竖直方向的分力；

pmax——挡土墙地基应力最大值；

p——挡土墙地基应力平均值；

A——挡土墙基底截面宽度；

B——挡土墙墙顶截面宽度；

M——作用于挡土墙基础底面的力矩；

W——挡土墙基础底面的抵抗矩；

Rha——小钢管桩的单桩水平承载力特征值[7]；

Tuk——小钢管桩的抗拔承载力[7]；

x0——挡土墙中心到墙趾的距离；

xf——土压力合力作用点到墙趾的水平距离；

zf——土压力合力作用点到墙趾的竖向距离；

bz——小钢管桩到挡土墙边缘的水平距离；

Lz——小钢管桩纵向间距；

a——挡土墙墙顶到墙趾的水平距离。

3 工程应用

重庆市某三层砌体房屋，正面一层、背面三层分别与室外地坪相接，背面一、二层外墙紧靠挡土墙，房屋与挡土墙的位置关系见图5、图6，该挡土墙经鉴定单位鉴定，挡土墙的抗滑移和抗倾覆安全系数不满足规范要求，应进行加固处理，挡土墙型式为重力式，墙身材料为浆砌条石重力式挡土墙，直立矩形截面，墙高5 m，墙宽1 m，墙后填土容重20 kN/m3，内摩擦角30°，粘聚力5 kPa，现有挡土墙验算结果如下：

图5 剖面示意图

图6 外墙与挡土墙关系图

由于房屋外墙与挡土墙间空间狭小，常规的加固方法加固空间受限，而本文的加固方法可很好地解决这个问题。具体做法为：在墙后1m 处钻一排孔，孔孔间距1m，孔径210mm，孔深7m，孔内插入Q355 结构用无缝钢管Φ200×12，管周注浆孔直径为10～20 mm，10～20 cm 交错布置，一圈不少于4 个孔，小钢管桩内设不少于4 根C18 钢筋，桩顶连梁纵横向双向设置，纵向一道于桩顶部沿钢管桩纵向设置，横向每桩一道于桩顶设置，连接挡土墙与小钢管桩，连梁截面尺寸宽度不小于250 mm，高度不小于200 mm，配置双层双向钢筋，连梁均采用现浇C30 钢筋混凝土[13]。加固后验算结果如下：

根据上述验算结果可知，本文加固方法可大幅增加挡土墙的抗滑移和抗倾覆稳定系数，大幅降低了挡土墙地基应力最大值，提高了老旧挡土墙的安全性，并且加固方法简单、操作方便，具有很强的实用性和适用性。

4 结语

本文概述了老旧挡土墙常规加固方法的局限，通过对微型钢管桩在挡土墙加固中的应用研究，在墙后设置微型钢管桩并在桩顶通过连梁与挡土墙连接，构成“П”形超静定组合结构，该组合结构形式更稳定，并增加了水平抗力和抗倾覆弯矩，减小了挡土墙墙底的地基应力，给出了加固后的计算公式以及安全性能指标，并通过工程应用进一步验证该加固方法可靠且实用性强。本研究可为同类型挡土墙的加固提供理论参考和施工指导。