云陽縣濱江大道路基擋土墻變形分析與加固

王洪慶，嚴譯強，馬 健

（長江巖土工程總公司〈武漢〉，湖北 武漢 430010）

云陽縣濱江大道路基擋土墻變形分析與加固

王洪慶，嚴譯強，馬 健

（長江巖土工程總公司〈武漢〉，湖北 武漢 430010）

云陽縣濱江大道路基擋土墻在運營工況下，由于路基運營環境的變化導致了填土的物理力學性質的改變，擋土墻發生了位移和變形。在分析了變形原因的基礎上，提出了抗滑樁預應力錨索聯合加固方案，并取得了良好的治理效果。介紹了該工程加固方案設計及抗滑樁預應力錨索施工工藝。

路基;擋土墻;變形;抗滑樁;預應力錨索

1 工程概況

云陽縣位于三峽工程庫區腹地，屬三峽庫區全遷縣城之一。新址地處鐵峰山脈東延部分南麓，為構造侵蝕-剝蝕斜坡、殘丘地貌。主要規劃區為以磨盤寨為中心的長江北岸與小江南岸帶狀地帶，在新縣城建設過程中，因工程需要，建設了很多擋土建筑物。

云陽縣濱江大道為新縣城的交通主干路，南臨長江，東起G25號路，途徑塘坊路、五同路、云陽長江大橋、關萍路、青龍路、云陽客運碼頭，西經雙江大橋與S103公路相連。路線全長6.4 km，設計行車速度50 km/h，路基寬26 m，雙向4車道;道路多處為高邊坡護坡路基。該道路竣工通車后，經觀測K0+384.5～615.5高擋土墻段側向變形嚴重，行車道路面間出現寬度為3～12 mm的裂縫，已嚴重影響道路安全，且有繼續發展的趨勢。

2 變形段路基地質條件及擋土墻結構

K0+384.5～615.5 段原為自然沖溝，建設濱江大道時采取的是高擋土墻填方路基。路基基底為中風化基巖，從上至下依次為厚層泥質粉砂巖、粉砂質粘土巖和長石砂巖，巖體較完整，強度較高;公路外側為漿砌條石重力式擋土墻，地基為中風化泥質粉砂巖，混凝土基礎，墻高為15～26 m，墻頂高程201.50 m;公路內側為人工切坡，上部為第四系覆蓋層，下覆基巖為粘土巖和長石砂巖，其中粘土巖風化剝蝕嚴重，表面沖溝發育，坡腳有坡積物堆積。路基填土為碎石土，其主要成分為長石砂巖和粉砂巖。典型斷面結構見圖1。

圖1 路基典型橫斷面結構圖

3 變形原因分析

根據該變形段路堤的勘察資料并結合施工現場記錄分析，該段公路通車后，填土中的含水量和粘粒含量逐漸增大，使土體的物理力學性質發生了改變（見表1）。

表1 路基填土物理力學指標統計表

根據《公路路基設計規范》（JTGD 30-2004），作用在擋土墻墻背上的主動土壓力可按庫侖理論計算，車輛荷載作用在擋土墻墻背填土上所引起的附加土體側壓力可換算成等代均布土層［1］。

庫侖主動土壓力計算公式如下:

式中:Eak——主動土壓力合力標準值;Ka——庫倫主動土壓力系數;φ——填土的內摩擦角;γ——土體重度;H——擋土墻高度;β——墻背填土傾角;δ——墻背摩擦角;α—填土與墻背的摩擦角。

根據莫爾庫侖強度理論，影響填土上的抗剪強度的因素有土體的密度、粒徑級配、顆粒形狀和礦物成分［2］。墻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潤滑和保水作用，使填土的重度增大、內摩擦角和粘聚力減小。由庫侖土壓力計算公式可知，土體的內摩擦角降低，主動土壓力系數增大，作用在擋土墻背上的主動土壓力增大;土體重度增大，主動土壓力也隨之增大。逐漸增大的主動土壓力使擋土墻產生了變形和位移，路面產生裂縫。

經仔細分析，造成路基填土含水量和粘粒含量增加的原因主要有:（1）路基填筑材料為碎石，其主要成分為長石砂巖和粉砂巖，并夾有部分的泥質粉砂巖和粘土巖，其中泥質粉砂巖和粘土巖有遇水軟化和在空氣中崩解的特性，二者崩解軟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強、排水性能降低;（2）公路內側止水設施不足，內側人工切坡的排水有進入路基的途徑，特別是雨季，切坡排水中含有大量的粘粒，進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進一步增加;（3）擋土墻設置的排水孔深度不夠，路基內的滲水不能順暢排除;（4）施工期間，路基填筑過程中分層壓實時部分結合面上的積水處理不夠理想，填土的含水量超過最優含水量，壓實度和密實度不能滿足要求，填土孔隙比增大。

4 加固方案的選取

本次加固治理的目的是防止變形進一步發展，在分析變形發生發展的基礎上，采取的主要治理措施是:（1）在擋土墻外側施加有效的應力，增強擋土墻的抗變形能力;（2）減少路基滲水的途徑，加強路基的排水能力，防止主動土壓力繼續增大和出現靜水壓力。

參考《公路路基設計規范》（JTGD 30-2004），對高填方路基常用的幾種加固方法，如錨桿、抗滑樁、土釘和預應力錨索進行了比較。土釘適用于自穩性較好的路基邊坡，不適合本工程;錨桿可適用于墻體較高大的巖基路塹路段，錨桿加載的預應力和長度有限制，本段路基擋土墻已發生較大變形，需要加載一定的預應力，錨固體需穿越路基進入基巖內，整體長度大，錨桿連接段數多，容易造成應力損失;本段擋墻最大高度為26 m，單獨使用抗滑樁截面的應力過大，需要很大的斷面尺寸和很大的入土深度，對擋土墻基礎有破壞作用，可能會降低擋土墻的抗滑穩定性，存在不安全因素，并且費用較高，經濟上不盡合理;單獨采用錨索，造成錨固部位的應力集中，擋土墻為砌體結構，易產生壓屈變形和破壞，失去錨固效果。

最終確定采用安全系數相對較高的預應力錨索和抗滑樁聯合加固的方案。錨索提供較大的預應力，抗滑樁之間設聯系梁和混凝土面板，使應力得到有效擴散，減小墻體的壓屈變形。

在公路內側邊緣設置防滲設施，阻止地表水進入路基內部。在外側擋土墻上適當布置排水孔，加強路基的排水能力。

5 預應力錨索和抗滑樁聯合加固路基擋土墻

5.1 技術方案設計

設計方案對K0+384.5～615.5全段擋土墻采用抗滑樁框架梁和預應力錨索進行加固，在擋土墻外側設置抗滑樁，抗滑樁中心間距4 m，基礎深入下部中風化基巖2 m，斷面尺寸為0.8 m×1.0 m，上部每4 m設一道聯系梁，聯系梁間為混凝土面板，混凝土強度為C25。預應力錨索置于抗滑樁和聯系梁的交匯處，設計預應力為1000 kN，錨固段位于中風化基巖內。根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010），云陽縣50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.05g，反應譜特征周期為0.35 s，相應地震烈度為6度［3］。依據《公路工程抗震設計規范》（JTJ 004-89），基本烈度為6度地區的公路工程，除國家特別規定外，可采用簡易設防［4］。按《公路路基設計規范》（JTGD 30-2004）錨索體截面積計算公式為:

K 取 2.1，Pptk取 1470 MPa。

計算得 As=1337.58 mm2。

鋼絞線根數 n=1337.58/140=9.55，取 n=11 根。

錨固長度L按下式計算確定:

（1）按錨索注漿體與地層之間的粘結長度確定:

ζ1取 1.00，D 為 150 mm，frb取 290 kPa。

計算得錨索注漿體與地層之間的最小粘結長度L=15.37 m。

（2）按錨索注漿體與錨索體之間的粘結長度確定:

ζ2取 0.6，ds為 15.2 mm，fb取2950 kPa。

計算得錨索注漿體與錨索體之間的最小粘結長度 L=2.3 m。

錨固段最小長度取以上兩種結果的大者即L=15.37 m，結合錨固段巖土體的性質，為防止錨固段軟質巖石受水軟化以及局部由節理切割的巖體承受拉力后松動［5］，錨固段實際長度為18.0 m。

在公路內側混凝土滲水溝下部設止水墻，墻體深入基巖0.5～0.8 m，墻頂與滲水溝相接，截斷地表水滲入途徑。在擋土墻外側的混凝土面板的中央增設排水孔，排水孔深入路基內部，向上傾角為8°～10°，孔內設排水管，排水管上部和側面鉆透水孔，增加排水的路徑。

擋土墻變形加固結構見圖2、3。

5.2 加固方案的穩定性分析

預應力錨索加固后，考慮汽車載重荷載和人力荷載，不考慮地震作用時作用于擋土墻上的力系如圖4，不同工況下的安全穩定性系數計算結果見表2。

圖2 預應力加固結構斷面圖

圖3 預應力加固結構立面圖

圖4 作用于擋土墻的力系圖（每延米）

表2 典型斷面擋土墻穩定性計算表（每延米）

抗滑動穩定性系數Kc計算公式:

繞墻趾抗傾覆穩定性系數K0計算公式:

式中:Ep'——墻前被動土壓力水平分力，Ep'=0;λ——擋土墻基礎傾角;Zg——墻體自重對墻趾的力臂;Zx——主動土壓力豎向分力Ey對墻趾的力臂;Zy——主動土壓力水平分力Ex對墻趾的力臂;N——作用于基地上合力的豎向分力。

由穩定系系數計算結果可知，該段擋土墻在公路通車運營后，兩種穩定性系數較在設計狀況時均發生了較大程度的降低，特別是抗傾覆穩定性系數已小于規范規定的要求，也是擋土墻產生變形的主要原因。采取預應力錨索加固后，抗傾覆穩定性系數得到了很大的提高，達到了相關規范的要求，可以遏制墻體的進一步變形，表明加固方案是切實可行的。

6 預應力錨索施工工藝

6.1 鉆孔放樣

對預應力錨索位置進行編號，采用測量儀器進行鉆孔放樣，控制孔位偏差≯3 cm。

6.2 鉆進成孔

開孔后在擋土墻墻身部位采取回轉鉆進的方式成孔，進入路基填土后采用套管護壁法沖擊鉆進的工藝成孔，以利用套管對鉆孔方向進行導向，防止填土層掉塊和塌孔，提高鉆進效率［6］，套管至進入基巖0.5 m;進入基巖后再改為回轉鉆，提取巖心進行描述，以保證錨固段位于中風化基巖的有效長度;成孔過程中及時測量孔深和孔斜，出現異常偏差時需進行糾偏糾斜。可采取多個作業面同時施工的工藝以提高效率。

6.3 錨索制作安裝

6.4 注漿

漿液為425號普通硅酸鹽水泥和細沙配置的M30砂漿，漿液水灰比0.45;注漿前使漿液充分攪拌均勻，現攪現用，注漿壓力≮0.3 MPa;當孔內漿液初凝后及時進行二次注漿，保證孔內注漿飽滿。

7 抗滑樁、聯系梁和面板施工工藝

7.1 抗滑樁施工

7.1.1 挖孔

墻前填土厚度較小，采用人工挖孔隔樁施工的工藝，首先清除表面填土至基巖面，巖性為泥質粉砂巖，屬軟質巖石，使用輕型鑿巖機沖擊破碎，樁孔上部設0.8 m護欄，挖孔過程中及時核對孔內的地質情況，出現異常時及時通知設計單位進行調整。

7.1.2 護壁

挖孔每節深度為1.0 m，巖層破碎時可適當減小，護壁前檢查樁孔的結構尺寸和偏心情況，符合設計要求后安裝護壁鋼筋、模板和澆筑混凝土，達到一定強度后拆模進行下一節的施工。

7.1.3 樁身鋼筋制安和混凝土澆筑

當樁孔進入中風化基巖的深度達到設計深度后，再次校正樁孔的結構尺寸和中心偏差;由于施工場地的限制和樁孔深度較淺，樁身鋼筋籠采取孔內制作安裝，檢查驗收后進行樁身混凝土澆筑，采用插入式振搗器振實，混凝土澆筑必須一次性完成并及時進行養護;地面以上部分樁身混凝土施工時盡量少設置施工縫，樁身接頭時需進行鑿毛和清洗接觸面，樁間接頭交錯布置，禁止相鄰樁間的接頭在同一水平面上。

7.2 聯系梁和面板

樁身到達最下方的聯系梁時進行聯系梁和面板的鋼筋制安和模板架立，鋼筋和模板驗收后和樁身混凝土同時澆筑，在混凝土達到一定強度后進行下一階段的面板和聯系梁的施工依次至擋土墻面，始終保持面板和樁、聯系梁的整體性施工（見圖5）。

圖5 建設中的濱江大道擋土墻錨固工程

8 預應力錨索的張拉與鎖定

8.1 張拉

張拉前對張拉設備進行標定，確定其精度符合相關標準;當錨索注漿、抗滑樁和聯系梁混凝土均達到設計強度后，進行錨索的張拉;張拉分6級二次進行，即按照設計應力1000 kN的20%、40%、60%、80%、100%、110%進行逐級張拉，第一次為前3級應力，第一次完成5天后進行第二次張拉，張拉至最后一級并持荷一段時間后進行鎖定。

8.2 應力補償措施

在部分初期應力損失完成后，選擇適宜的時間對錨索張拉并進行補償張拉，一般在初次張拉鎖定后10～15天進行補償張拉以減少應力損失［7］。

8.3 錨頭的封閉與保護

補償張拉完成后，錨具外留存300 mm的鋼絞線，多余部分采用機械切割截除，采用C25混凝土及時封閉錨頭以保護其正常工作。

9 治理效果

該段擋土墻變形加固工程于2006年12月20完工移交，至2009年6月20日對其變形進行持續監測，累計變形量最大值為1.2 mm，已無繼續發展的趨勢，表明擋土墻已處于穩定狀態，治理措施達到了預期目的;該處擋土墻外側土地又得到有效利用，至2010年已建成某公司18層辦公樓一棟，當地建設管理部門對該段擋土墻的變形治理效果十分滿意。

10 結語

該段路基擋土墻在運營狀況下由于墻背后填土的物理力學性質發生了變化，導致墻體變形，通過分析和采取有效的加固方案，使其變形得到了根本性治理。表明維護填土路基在設計工況下運行的重要性，一旦運營環境發生了不利變化，會對擋土建筑物造成嚴重的危害，同時表明了抗滑樁預應力錨索聯合加固措施具有安全系數大、成本低、施工效率高等優點，可以在類似工程中得到更廣泛的應用。

［1］ JTGD 30-2004，公路路基設計規范［S］.

［2］ 錢德玲.土力學［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［3］ GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［4］ JTJ 004-89，公路工程抗震設計規范［S］.

［5］ 譚彬建，俞敏，息飏，等.桂柳高速公路邊坡預應力錨索加固方案設計［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2010，37（5）:73-77.

［6］ 黃輝，牟文俊，陶林.淺析大噸位、超長孔深錨索鉆孔孔斜控制［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2010，37（6），71-74.

［7］ 劉玉元，高杰.錨索預應力降低的影響因素探討［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），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

王洪慶（1974-），男（漢族），山東冠縣人，長江巖土工程總公司（武漢）工程師、一級建造師，巖土工程專業，從事巖土工程、道路橋梁工程、水利水電施工和地質災害治理工程施工管理工作，湖北省武漢市解放大道2805號（美聯小區）9-2-501（430011），zousanxia@163.com。