基于反演分析法的擋墻加固設計

沈家忠　李連偉

摘 要：重力式擋土墻在出現嚴重變形后，如何在考慮既有支擋措施的基礎上，提出既安全又經濟的治理方案是加固設計的工作難點。文章基于反演分析法的設計思路，以工程實踐為例，探討了加固設計方案，取得較好的經濟效果。

關鍵詞：擋墻加固；反演分析法；重力式擋土墻

云南省地處高原山區，城市鄉鎮多處于山前斷陷盆地、山麓坡地。隨著近些年城鎮建設的迅猛發展，尤其是云南省政府“城鎮上山”重大決策的提出，房屋建設往往牽扯到邊坡治理問題。重力式擋土墻因其具有施工方便、就地取材、經濟效果好等優點，在山地工程建設中得到廣泛的運用。但受限于設計經驗、施工質量等因素，往往施工完成后不久就出現嚴重變形，存在安全隱患。對于此類擋土墻的加固，如何在考慮既有支擋措施的基礎上，提出既安全又經濟的治理方案，是各位建設工作者都在思考的問題。筆者結合多年的工程實踐經驗，采用基于反演分析法的設計思路進行擋墻加固設計，實際應用效果較好。

1 反演分析法思路

《建筑邊坡工程鑒定與加固技術規范》第4.4.4條“當邊坡工程已產生變形或滑動時，可采用反演分析法確定滑動面抗剪強度指標。對出現變形的邊坡工程，其穩定性系數Ks宜取1.00～1.05；對產生滑動的邊坡工程，其穩定系數Ks宜取0.95～1.00。”及第6.2.2條“……3計算單元中的組合支護結構或構件應滿足下式要求：ζLRN+R0≥KS……”。

基于以上規范要求，我們可以假設現狀邊坡或擋墻是處于臨界平衡狀態的，臨界狀態所對應的安全系數可按等于1.00考慮。此時邊坡平衡狀態方程可表述為：

R0≈K0S（式1）

式中：R0—原支護結構或構件的有效抗力；

S—支護結構或構件上的外部作用力；

K0—現狀下邊坡穩定安全系數，≈1.00。

加固后的擋墻或邊坡的設計安全系數須滿足規范要求，可表述為：

ζLRN+R0≥KS（式2）

式中：ζL—新增支護結構或構件的抗力發揮系數；

RN—新增支護結構或構件的抗力；

K—滿足規范要求的安全系數。

聯立以上平衡狀態方程，根據邊坡或擋墻主動土壓力及安全系數，反演推算需要增加的錨固力，進行快速計算，制定方案。

2 工程實例

2.1 工程概況

云南省楚雄市某工業園區位于楚雄盆地東側，屬構造剝蝕丘陵地貌單元，場地總體地勢北東高、南西低，原始地形為自然的斜坡地帶，經場地開挖整平后，各工業廠區呈臺階狀分布。某塑料廠與某礦山機械廠緊鄰建設，場地高差約7.5～8.0m。廠區建設時在高差處采用重力式漿砌片石擋土墻進行支護，石材選用當地的中風化泥質粉砂巖。擋墻砌筑時為冬季，完成后無重大變形。第二年夏天雨季來臨后，擋墻開始出現變形，至10月份雨季結束，該擋墻轉角處出現縱向裂縫（圖1），寬約5～10cm，墻頂廠區地面出現平行擋墻走向方向裂縫，距離擋墻頂邊約2.0～3.5m，寬約2～3cm，墻身砌體片石出現縱向和橫向裂紋（圖2），擋墻泄水孔未見出水。擋土墻的變形嚴重影響到墻頂及墻腳廠區的人員生命和財產安全。

究其原因，主要是雨季地表水下滲后，土體自重增大，墻后主動土壓力變大，同時擋墻砌體所選用的泥質粉砂巖抗壓強度不夠，不足以抵抗主動土壓力，導致墻體剪切破壞。

2.2 反演分析計算

由于該擋墻設計時未按規范實施，建設方不能提供原設計圖紙及邊坡勘察資料，故本次擋墻加固采用“反演分析法”進行設計。設計過程如下：

采用朗肯土壓力公式計算天然狀態下擋墻所受到土壓力，填土重度取19KN/m3，填土綜合內摩擦角取30°：

Ea1=0.5×19×82×tan2（45-30/2）=202.7KN/m

坡頂荷載產生的土壓力：

Ea2=35×8×tan2（45-30/2）=93.3KN/m

則單位長度擋墻所承受的土壓力為：

Ea合=296.0KN

根據擋土墻變形現狀，假定現狀安全系數為1.00，則根據式1推導單位長度原擋土墻可提供的有效抗力為：

Ep合≈Ea合=296.0KN

擋墻加固考慮采用預應力錨索加固，設計2排，間距3.5m，新增加錨索安全發揮系數ζL取0.95，加固后的擋設計安全系數取1.4，則根據式2有：

0.95×2×RN+296.0×3.5≥1.4×296.0×3.5

RN≥218.1KN

考慮到場地內地基土主要為全～強風化粉砂質泥巖，錨桿的極限粘結強度標準值按135kPa考慮，則設計錨索錨固長度L：

L=2.4×218.1/（3.14×0.15×135×cos25°）=9.1m

2.3 治理方案

為保證擋土墻墻頂及墻腳廠區安全，采取“預應力錨索+框格梁+現澆擋土板”的加固設計方案：

2.3.1 預應力錨索設計

根據計算，在擋土墻面設計增加2道預應力錨索，錨索采用4束φ15.2mm低松弛鋼絞線（極限強度標準值為1860MPa），第1道錨索總長18m，自由段8m，錨固段10m，第2道錨索總長16m，自由段6m，錨固段10m，錨索成孔直徑150mm，錨索鎖定值220KN，入射角度25°。最下排框格梁設置6m長鋼筋錨桿。

2.3.2 框格梁及梁間擋土板設計

在擋土墻墻面搭設腳手架施工框格梁及梁間擋土板。框格梁梁寬40cm×40cm，設置水平梁3道，間距4m、2.8m，豎向梁橫向間距3.5m。梁間設置現澆鋼筋混凝土擋土板，板厚30cm。

2.3.3 泄水孔設計

擋土板設置泄水孔，孔間距2.5m×3.0m，要求孔底穿透原擋土墻墻身，進入墻后土體不小于10cm。

2.3.4 墻頂地面砼覆蓋設計

墻頂廠區地面全部采用砼覆蓋，做好地面散水、排水處理，嚴禁地表水滲入墻后土體。

2.3.5 治理效果

該擋土墻加固施工至今已2年，自竣工后該擋土墻運行良好，墻面、墻頂地面未再出現裂縫，監測數據無重大變形。

3 結語

通過基于反演分析法的重力式擋土墻加固設計案例的分析，總結以下結論：

（1）在工程實踐中，反演分析法在缺少相關資料的情況下，可以迅速的制定出比較安全、經濟、合理的加固設計方案。由于較充分考慮了原有擋墻的作用，因此可大量節約工程投資，取得較好的經濟效益。

（2）重力式擋土墻的設計和施工應按規范要求進行，合理設計、精心施工，砌體材料強度應達到設計抗壓強度要求。鑒于楚雄地區石材多為泥質粉砂巖，建議超過5m以上邊坡治理慎重選擇漿砌片石重力式擋土墻。

（3）反演分析法要求設計者對當地工程實踐經驗了解比較充分，對個別關鍵參數，如現狀安全系數、土體所能提供的錨桿極限粘結強度值等有較準確的判斷的情況下方可實施。

參考文獻

[1] 程良奎.巖土錨固工程技術[M].北京：人民交通出版社，1996.

[2] 林宗元.巖土工程治理手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1993.

[3] GB50330-2013.建筑邊坡工程技術規范[S].2013.

[4] GB50843-2013.建筑邊坡工程鑒定與加固技術規范[S].2013.

[5] 卜良桃.工程結構可靠性鑒定與加固[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

作者簡介：沈家忠（1964- ），男，云南昆明人，云南省設計院集團，工程師，研究方向：總圖設計及巖土工程；李連偉（1984- ），男，湖北荊門人，云南省設計院集團勘察分院，工程師，研究方向：巖土工程勘察及設計。