病險及舊擋土墻加固改造途徑與措施探討

何善國

（廣西南寧水利電力設計院 廣西南寧 530001）

1 病險及舊擋墻加固改造的必要性

重力式擋土墻作為一種擋土護坡建筑物或構筑物，在水利水電、城鎮市政、交通、港口等工程建設中使用比較廣泛。作為人工建筑物或構筑物，擋土墻和其他工程建筑物一樣均有一定的使用壽命或年限。在建成使用一段時期或臨近生命周期時，因環境因素及各種外力作用與影響，擋土墻會出現一些病態，如結構表層碳化或老化、結構開裂及變位等現象，說明擋土墻在地基或基礎穩定性及墻體結構方面有潛在的安全隱患，需要加固治理。另一方面，由于工程施工期或環境條件等因素的限制，一些擋土墻工程不宜拆除重建，只能對原擋墻進行加固改造利用，如加厚、加高及錨桿加固等。因此，通過對病險擋土墻或舊擋土墻進行安全鑒定，針對找出的主病因或隱患采取適用的加固措施，不僅可以解除其安全隱患，避免擋土墻由病險演變成災害性工程事故，而且可以維持擋土墻的正常工作狀態和延長擋土墻的使用壽命。經質量檢驗及設計論證，除了老化嚴重及加固修補代價太大確實需要拆除重建之外，對舊擋土墻建筑物可采取適當的技術改造與加固措施后加以利用。

2 擋土墻病險及安全隱患表現

病險擋土墻往往有其自身的一些病態表現，可以通過現場檢查發現。但有的舊擋土墻安全或質量隱患，則通過結構檢測和穩定性計算復核才能發現。

2.1 病險擋土墻病態表現及成因分析

舊重力式擋土墻病險病態有多種直觀表現，如墻基下沉，混凝土結構表層碳化剝落，漿砌石結構塊石間膠結材料（水泥砂漿）老化脫落，分縫上口寬度變大，分縫處墻體錯位，墻體傾斜，墻面或墻體局部開裂，墻體有貫穿性裂縫，墻趾斷裂等。造成這些病險有多方面的原因，一是結構本身耐久性問題，即因長期持續受環境因素及外力作用會使其材料疲勞或結構老化而致強度降低、表層碳化或老化脫落；二是水文地質環境變化。當墻基及墻后的地下水升高和巖土物理力學指標降低，會造成墻背受到的壓力增大；三是工程勘察設計質量缺陷。當工程地質勘察工作深度不足或無勘探成果時，往往容易造成基礎設計偏差或失誤；四是施工質量缺陷。擋土墻工程建設中可能存在因工程施工質量監理或監督不到位，承建方沒完全按設計圖紙施工，如對軟基或地質軟弱破碎帶處理不徹底；擅自更改墻背回填土材料；簡化排水構造；改變分縫間隔；改變填縫材料等，均可給擋土墻工程留下安全隱患；五是運用管理不到位。設計對墻頂及墻后地面荷載一般有控制要求，但當擋土墻運行期間經常出現如長期在墻頂部或近墻頂地面堆放大于設計荷載的靜止貨物或通行大于設計活荷載的機動車輛等情況，會改變擋土墻的工作環境及受力條件，給擋土墻安全造成不利影響。

2.2 擋土墻其他潛在安全隱患分析

當然，一些擋土墻在運用過程中并沒有出現如上所述的病險病態，可能是工程建成運用以來未遭遇到設計計算的最不利運行工況，但不等于說這類舊擋土墻不存在任何安全風險。有的擋土墻安全隱患是在安全鑒定中通過對擋土墻重新進行穩定性計算復核后發現的，如通過對現狀墻背填土取樣試驗后發現，因受地下水等環境因素長期的作用影響，填土材料物理力學指標已比原設計取值偏低較多，這意味著作用于擋墻上的土壓力增大。對于原設計或早期工程建設時無工程地質勘探資料的擋土墻工程，通過地質勘察可以復核或驗證原基礎設計參數的正確性、合理性。也不排除某些擋墻軟巖基長期受滲透水壓力作用而發生軟化、凝聚力降低或摩擦系數變小的可能性。對原設計資料復核時發現原計算簡圖、物理模型、計算參數選用不恰當，按實際情況計算時發現擋土墻最小安全系數不滿足現行規范要求，地基應力分布狀態很不合理，有的地基應力狀態在某種情況下出現惡化。通過現場檢查發現有的臨河地段單位或個體為提高該地段的防洪能力擅自加高擋土墻并相應填高該地段地面，短期內似乎沒有問題但長期來看可能存在安全隱患。對此，應引起重視并進行結構穩定性復核，對有潛在安全隱患的舊擋土墻均應及時進行除險加固處理，以杜絕后患。

3 加固改造途徑

病險及有安全隱患的擋土墻需要除險加固或舊擋土墻需要加固改造利用時，可以通過以下加固途徑來實現。

（1）擴建墻基及增大墻身斷面。通過擴大及改建基礎來改善地基應力條件，或增大墻身斷面幾何尺寸，來增加墻的自重和結構強度，提高擋墻穩定性。

（2）減小墻背土壓力。減小墻背土壓力有多種途徑。一是改墻型，即在墻背下部增設衡重臺并改變下墻背坡系數，墻型由重力式變為衡重式擋土墻；二是置換墻背填土材料并改善排水條件，即用力學指標高的填土材料部分置換或全部置換墻背后力學指標低的填土材料。更換排水效果更佳的排水反濾設施；三是控制墻頂路面荷載，如重型交通機具、臨時堆積物等墻后地面活荷載；四是放緩墻頂上邊坡或降低墻后填土高程等等。

（3）外置阻滑構筑物。在墻前地面設置支撐構筑物或在墻趾邊外沿設置基礎阻滑構筑物以分擔擋土墻所承受的水平滑動力，提高擋土墻的抗滑穩定安全系數。

（4）施加外力。即設置墻后拉桿、錨桿（或預應力錨桿）并錨定于穩定岸體上或巖土層中，通過拉桿或錨桿施加作用力以維持擋土墻的穩定性。

4 加固改造措施探討

對病險及有質量安全隱患的舊擋土墻加固治理措施，可分地基及基礎加固、墻身加固、錨（拉）桿加固、墻背填土置換、局部缺陷修補、放緩墻頂以上邊坡或降低墻后填土高程等，每種加固措施均有其適用環境條件或工程條件，應根據具體情況而選用。下面就前4 種加固措施進行探討，并評述其適用性和注意事項。

4.1 地基加固措施

局部墻段建在持力層（或下覆）為一定厚度的砂卵石層的中高擋土墻。工程建成使用過程中可能因地下水位下降，或周邊附近有抽水提灌取水井，或基礎工程深基坑開挖而抽水降低地下水位，而地下水體流動可能逐步帶走地基持力層的細小沙土顆粒，造成砂卵石空隙崩塌，使擋土墻地基出現逐漸下沉。對這類險情，當持力層（或下覆）為厚度不是很大的砂卵石層，可采用水泥或化學固結灌漿加固處理。其作用或目的是把沿墻基縱軸方向一定寬度范圍的沙土層或砂卵石層固結固化成整體，以防止細小沙土顆粒進一步流失和地基進一步下沉，從而維持地基和擋土墻的穩定性。

當勘察探明持力層下部局部有天然地質溶洞，經論證其有潛在的地基安全隱患時，可采用鉆孔充填灌漿方法處理。

這種地基加固措施適用于舊擋土墻地基砂卵石層厚度不大，地下水流速很小，有合適的灌漿施工場地的環境條件。但需注意的是，這種灌漿加固后是否可能截斷通向提灌取水井的地下水通道或改變地下水滲流場；灌漿施工期對水質是否產生不利影響；加固施工對擋墻的不利影響；地下環境條件對灌漿加固效果的不利影響等，應作調查評估。

4.2 基礎加固措施

（1）墻前設置阻滑樁墩。經過驗算，當原擋土墻墻基應力條件和抗傾穩定性條件滿足，而抗滑穩定安全系數不滿足要求時，對于土基上的重力式擋土墻，可考慮在墻趾前設置人工挖孔抗滑樁，見圖1(a)。結構材料采用鋼筋混凝土，樁徑、樁深及間距根據工程地質及受力條件由設計計算確定。對于巖基上的重力式擋土墻，可考慮在墻趾基礎前設置混凝土阻滑墩或連續阻滑鍵，見圖 1(b)。墩（鍵）的幾何尺寸及間距也是根據墻基建基面力學指標和受力情況由設計計算確定。

圖1 墻前設置阻滑樁(墩)示意圖

抗滑樁或阻滑墩與原墻趾之間接縫需固接或剛性填縫，如用微膨脹水泥拌和的混凝土填充緊固。這種基礎加固措施適用于墻前有空間余地或合適的施工環境條件（如濱水岸墻外側河邊能否圍堰排水或枯水期水位是否低于墻趾處標高等）和漿砌石擋土墻。對提高舊擋土墻抗滑穩定性有幫助，但無助于舊擋土墻抗傾穩定性條件或墻基應力條件的改善。

（2）擴大墻前基礎。經過驗算，當擋墻加高后抗滑穩定安全系數滿足而墻基邊緣垂直應力條件不滿足要求時，可通過增大基礎與地基接觸面面積來改善地基應力條件。一般做法是在墻趾前擴大鋼筋混凝土基礎，并與舊基礎嵌套銜接，見圖2。這種基礎加固措施適用于墻前有空間余地或施工場地，其中圖 2(b)適用于舊墻基礎為混凝土結構且要求新舊混凝土間須充分咬合成整體，可改善擋土墻抗傾穩定性和墻基應力條件，也有利于提高舊擋土墻抗滑穩定性。

圖2 墻前擴大基礎示意圖

（3）樁（墩）式支托。擋土墻加高（相應填土加高）后，或墻后地面（路面）荷載變大，造成墻背土壓力增大，使擋土墻基礎墻趾地基垂直正應力變大，地基應力狀態出現不均衡，也會使土基尤其是人工填土地基出現不均勻沉降。這種由較大的墻趾地基垂直正應力造成的不均勻沉降，若沉降量差較小而基本穩定時不需要處理。但若不均勻沉降差繼續發展可能會造成擋土墻的傾斜以致倒塌，可以采用墻前基礎承托措施進行及時處理。對于較軟土基或人工處理地基，可采用墩式支托或樁式支托加固，見圖3。其目的及原理是將原作用于墻基上的部分垂直力分擔給樁（墩），通過樁（墩）傳至樁（墩）底部承載力高的下覆持力層地層。樁（墩）尺寸及間距根據工程地質、受力條件和施工條件由設計計算確定。

圖3 樁墩式支托示意圖

當墻后緊鄰重要設施（如房屋等）使舊擋墻無法拆除，但墻前有空間余地、施工場地和剛度強度均較大的混凝土結構舊墻基礎，可采用這種加固措施。建議下覆持力層埋深較淺時（如埋深在2.5m 以內）選用墩式支托；下覆持力層埋深較大時（埋深大于2.5m）選用樁式支托。若欲分擔更大或承擔全部墻基上的荷重，則擴大墩底尺寸、支托梁尺度或減小樁墩間距。這種加固措施不僅可改善擋土墻抗傾穩定性和墻基應力條件，也有利于提高舊擋土墻抗滑穩定性。

以上三種基礎加固法需注意施工方法及順序，如分段跳槽施工，且待先施工段的混凝土強度達到設計要求后，再進行后段開挖施工；先擴大加固基礎，后加高擋墻及填土，以求工程施工安全。

4.3 墻身加固措施

4.3.1 墻頂部加高經設計復核，發現原擋土墻的抗滑穩定安全系數有較大富余，而且墻基應力狀態良好時。若墻頂加高尺度不大，則直接在原擋土墻頂部加高即可。若墻體加高尺度較大，加高后同時加高墻背回填土。由于土壓力增大使擋土墻的穩定及應力狀態發生了不利于安全運用的情況，則根據具體情況采用合適的加固措施，如前面介紹的基礎加固措施和以下介紹的有關加固方法。

4.3.2 墻前加厚

在墻前增設加厚面板，結構材料一般采用混凝土或鋼筋混凝土。新舊墻體間需要采取拉結粘合措施，如在舊墻面上拉毛或鑿毛，必要時設拉結筋或錨固鋼筋。舊墻體若為漿砌石結構，可在舊墻體上設混凝土嵌固釘并與新墻面板一起澆筑，增強新舊墻體的咬合力。一般做法是在舊墻體間隔一定距離（一般為1.0～1.5m 左右）挖出一石塊的寬度及深度（一般為300～400mm）的墻洞，嵌固釘呈梅花形或品字形布置。加厚面板若設錨固鋼筋，錨固筋成梅花形布局，入舊墻內（需水泥灌漿）長度不小于500mm（視舊墻體厚度而定），入新墻內的鋼筋頭彎直鉤，鋼筋直徑及錨筋間距由設計計算確定，見圖4。

圖4 墻面增設混凝土面板示意圖

這種加固措施適用于墻前有加厚空間，而且不影響墻前過水能力。如水庫溢洪道邊墻、河岸護坡堤墻等。對于過水斷面相對較小的灌溉渠道邊墻若采用墻前加厚措施，則需驗算是否影響過流能力。

4.3.3 外層包裹加固

原混凝土擋土墻表層碳化較嚴重或結構老化開裂；漿砌石擋土墻的水泥砂漿疲勞老化而粘結強度大大降低；采用墻前加厚措施不能使新舊結構有效粘結形成整體時，可以采用外層包裹法。即在墻面、墻頂、墻背三面設外包結構體對原墻體進行加固。墻面和墻背兩面均從基礎做起。外包結構材料宜用混凝土，工程重要時可用鋼筋混凝土。

4.4 變換墻型、置換回填土或更新排水設施

原重力式擋土墻由于墻前環境限制不便在墻前加厚或擴大墻前基礎，而墻后有一定的施工作業場地時，把墻背填土挖開，采用增設衡重臺法即把原重力式擋土墻改造成衡重式擋土墻，見圖 5(a)，以利用填土重和減小下墻背土壓力。下墻背坡m3取-0.35～-0.5 或與原開挖邊坡系數協同。衡重臺高度根據穩定性條件通過計算擬定，一般取全墻高度的1/3～1/2 較合適。

土工檢測或試驗若發現原擋土墻回填土力學指標值已發生變化，如內摩擦角值比原設計降低了許多；現場檢查發現排水設施已堵塞，排水失效，導致墻后地下水位升高和下部回填土力學指標下降。此時，用力學指標值較大的砂礫土或拉筋土置換墻后舊的填土，并更換排水構造，疏通墻身排水孔（若設墻后排水盲溝則需朝下游墻段末端排水），也是原擋土墻除險加固的一種簡單有效方法，見圖5(b)。

圖5 改墻型及置換回填土或排水設施示意圖

4.5 施加外力加固措施

4.5.1 錨桿（索）錨固

原擋土墻的加固除了上述方法之外，錨桿（索）加固法也是常用的加固方法。對于中高擋土墻，采用前述的方法可能造成土建工作量及工程投資過大，此時采用錨桿（索）加固法更合適。對于受力較大和安全問題更為突出的高擋土墻工程，需要更大的錨固力，可選擇預應力錨桿（或錨索）加固法。在墻前對原擋土墻墻身及墻后邊坡巖土體進行機械鉆孔造孔時，孔內安裝上錨桿（索）后進行灌漿固結，施工原墻面錨固帽或壓梁（板），處理好錨桿（索）頭部構造。錨桿材料及型式、錨頭及桿尾部構造，根據設計條件選取與配置。對于原漿砌石擋土墻整體結構完好或為鋼筋混凝土，墻后邊坡岸體為穩定的自然巖（土）層時，采用錨桿（索）加固法可獲得較好的加固效果，見圖 6(a)。錨桿（索）加固技術可參考專業書籍介紹的方法進行設計，這里不作介紹。

圖6 錨桿或拉桿加固示意圖

4.5.2 墻頂設墻后拉桿

原擋土墻結構為鋼筋混凝土，且墻后有穩定的岸體并無地面建筑物，可考慮采用墻頂拉桿加固法。即在原墻頂部沿縱向一定間隔位置布設拉桿錨頭連接點，在墻后穩定岸體地表層設錨固樁（墩）或坑埋混凝土地牛，再用拉桿連接后進行封閉處理。拉桿錨頭連接點構造視拉桿材料而定，可以是在墻后設活動鉸或固定鉸節點，也可以在墻前采用拉桿錨帽。拉桿材料可根據拉桿受力大小、工程施工條件和地質環境條件選擇。如鋼筋混凝土拉梁、型鋼拉梁、鋼筋拉桿、鋼索拉繩和高強化纖材料拉繩等，見圖6(b)。

5 擋墻加固算例

某河道整治工程，舊岸墻為漿砌石結構，混凝土基礎墊層，墻基落至基巖。現場檢查發現部分墻面水泥砂漿老化脫落，墻體局部塊石松動，但塊石未風化，絕大部分墻體及墻基穩定，因此可對舊墻體進行適當加固改造利用。經計算分析舊墻頂標高未滿足防洪設計標準要求，需加高0.9m。鑒于岸墻的使用功能及工作環境，表面經常受泄洪水流的強烈沖刷，故墻面表層擬用混凝土結構襯護。墻后用砂礫土回填，φ=35°，c=0，γ=18kN/m3，墻背與填土間摩擦角δ取2φ/3，即23.33°。地基為泥質砂巖，擋墻建基為弱風化層基巖，墻底與地基間摩擦系數 f′為0.55（f為0.48），凝聚力c′為80kPa，地基承載力為400kPa。

巖基上的擋土墻抗剪斷穩定安全系數由下式計算∶

擋墻不擴基，僅加設垂直面板及加高墻頂并回填土時，經穩定性計算，正常工況下（墻前常年水深0.8m，墻后地下水深取1/3 墻高）擋墻抗剪斷穩定安全系數Kc為2.838(按抗剪Kc為1.274)，不滿足現行設計規范要求，墻趾邊緣垂直應力為448.63kPa，超過地基承載力。墻踵邊緣垂直應力為 0，偏心距 e=1.12m ＞0.25B（1.025m），B=4.1m，墻基應力狀態不佳。因此，基礎需要采取擴基加固措施，擬在墻趾外側設置鋼筋混凝土阻滑鍵，阻滑鍵與舊基礎混凝土嵌套咬合銜接形成基礎整體。阻滑鍵寬B2由抗剪斷穩定公式計算擬定。

式中：Kc取3.0。把舊墻底寬B1（4.1m）、計算單元長L（取10m）、f′、c′和上述計算的水平合力∑H（237.95kN）、垂直合力∑G（631.413kN）代入(2)式計算得，B2=0.917m。為了增加擋墻抗剪斷穩定安全富余度，同時為改善地基應力條件和與上部面板結合的需要，阻滑鍵寬B2取1.8m，厚取1.1m。擴基加固后按式(1)計算得正常工況的擋墻抗剪斷穩定安全系數Kc為3.538(按抗剪Kc為1.356)，墻趾邊緣垂直應力151.04kPa，墻踵邊緣垂直應力為76.92kPa（最大、最小應力 比為 1.96，e=0.32m ＜ 0.25，B=1.475m，B=B1+B2=5.9m），滿足要求。

工程施工順序為先基礎，后面板及壓頂，再回填土。基礎擴建要求分段跳槽施工。工程加固時需同時完善做好排水系統。加固施工期間注意對擋墻變位等穩定性狀態的實時監測。

6 結語

前述的病險及舊擋土墻除險加固措施，其適用條件是不同的，可以單獨使用也可以聯合應用。應根據不同工程的具體情況或環境條件，通過技術論證或方案比較選用。加固改造設計不僅要考慮經濟條件如工程投資、建設工期等，也要考慮施工技術條件、場地制約條件和環境影響。

1 SL379—2007 水工擋土墻設計規范[S].北京：中國水利水電出版社.