垛墻錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算分析

馬華 高俊合 張院生

（1.鐵科院（深圳）研究設(shè)計院有限公司，廣東深圳 518054；2.深圳市大鵬新區(qū)住房和建設(shè)局，廣東深圳 518000）

擋墻在城市建成區(qū)應(yīng)用廣泛。由于種種原因，早期修建的擋墻常發(fā)生鼓脹開裂、傾覆及外移等病害，并導(dǎo)致人員及財產(chǎn)損失，已成為城市地質(zhì)災(zāi)害較嚴(yán)重的隱患［1-3]。

目前對既有擋墻加固治理常采用錨（桿）索格構(gòu)梁［4-5]、抗滑樁［6-8]、錨索抗滑樁［9-10]、微型樁［11-12]、外貼擋墻或拆除重建等。這些常規(guī)加固形式在城市構(gòu)筑物密集區(qū)存在一些突出問題：樁體施工對既有擋墻墻腳有不利影響；挖孔降水有可能導(dǎo)致上部構(gòu)筑物沉降，且造價較高；錨索施工對擋墻存在一定程度的破壞，漿砌片石厚度較大時上排錨索難以施工，部分墻后存在建筑樁基礎(chǔ)也會導(dǎo)致難以施工錨索，且錨索耐久性差；有些工點處于狹窄空間，也無法實施錨固工程；外貼擋墻須較大的用地空間。

針對上述問題，本文提出一種垛墻豎向錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)。以深圳一既有擋墻加固為工程實例，介紹該結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，采用極限平衡法計算及FLAC 有限差分軟件進(jìn)行分析，研究復(fù)合結(jié)構(gòu)對既有擋墻的支護(hù)效果及力學(xué)與變形特性，為今后類似既有擋墻加固工程的設(shè)計提供參考。

1 工程概況

該既有樁板擋墻（圖1（a））高11.0 m，寬0.5 m，因建設(shè)場地標(biāo)高需求，上部須增高3.0 m，故采用L 形鋼筋混凝土擋墻加高。因既有樁板擋墻頂部標(biāo)高增加，導(dǎo)致老的樁板墻局部開裂（圖1（b）），寬度約5 cm。樁板墻內(nèi)側(cè)分布密集管樁基礎(chǔ)，且加固措施不能超底部紅線。

圖1 既有擋墻結(jié)構(gòu)

該擋墻原始場地地貌為剝蝕丘陵，經(jīng)人工采石開挖回填后形成現(xiàn)場地，山坳內(nèi)回填了大量的人工棄土棄渣。在鉆探深度范圍內(nèi)，場地內(nèi)分布的地層主要有人工填土、礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。各巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖土層物理力學(xué)參數(shù)

2 設(shè)計方案

2.1 工程特點

綜合分析本工程的地質(zhì)情況和周邊環(huán)境等因素，本擋墻加固工程的難點為：①由于場地范圍有限，墻腳為綠化隔離帶，加固措施須盡量少占用墻腳場地，不能超紅線；②擋墻后側(cè)分布密集管樁基礎(chǔ)，不宜采用錨索（桿）框架等加固措施，且在填土中實施錨索較困難，錨固力難以保證；③實施人工挖孔樁降水有可能導(dǎo)致上部構(gòu)筑物沉降，且采用懸臂樁造價較高。總體來說，既有擋墻加固難度較大，故須采取一種新的經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的加固措施。

2.2 加固設(shè)計

考慮場地條件限制等因素，通過加固方案的比選，提出了一種新型的垛墻錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)。具體方案為：①C30 鋼筋混凝土垛墻，埋深2 m，懸臂段高7 m，沿樁板墻縱向布置間距5 m。②距原擋墻0.5 m處設(shè)置一排預(yù)應(yīng)力錨索，6 束φ15.24 的鋼絞線，錨索長35 m，其中錨固段長17 m。③錨索施加預(yù)應(yīng)力張拉之后，錨索端部封澆于垛墻內(nèi)部。擋墻加固具體形式典型剖面見圖2（a），實施完成后的效果見圖2（b）。

圖2 垛墻錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)

3 垛墻錨索復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

3.1 垛墻錨索復(fù)合結(jié)構(gòu)受力分析

垛墻錨索復(fù)合結(jié)構(gòu)受力情況較復(fù)雜，樁板擋墻水平方向推力的大小須通過計算確定，作用位置假設(shè)位于原擋墻中點，見圖3。垛墻基底反力考慮不利情況，墻踵反力為0，基底反力按梯形分布，見圖4。

圖3 垛墻錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)力學(xué)分析（單位：m）

圖4 垛墻錨索復(fù)合支擋受力示意（單位：m）

3.2 垛墻錨索復(fù)合結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性驗算

垛墻的抗傾覆穩(wěn)定性是指其抵抗墻身繞墻趾向外轉(zhuǎn)動傾覆的能力，用抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0表示，計算公式為

式中：Nm為錨索拉力；x0為錨索作用點到垛墻墻趾距離；G為垛墻自重；x1為垛墻重心到墻趾距離；Eha為樁板擋墻頂填土及附加活荷載對垛墻土壓力合力；zh為土壓力Eha的作用點到垛墻底面的高度；Ev為垛墻基底反力的合力；x3為Ev作用點到墻趾距離。

3.3 垛墻錨索復(fù)合結(jié)構(gòu)抗滑移穩(wěn)定性驗算

擋墻的抗滑移穩(wěn)定性是指在土壓力和其他外加荷載的作用下，基底摩擦力抵抗擋土墻滑移的能力，用抗滑移穩(wěn)定系數(shù)Kc表示，計算公式為

式中：μ為基底摩擦因數(shù)。

設(shè)置碎石墊層，基底摩擦因數(shù)μ取0.4。

通過上述公式對加固后擋墻的抗傾覆及抗滑移穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，求得K0=1.82 ＞1.6，Kc=1.52 ＞1.3，滿足GB 5007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的要求。

4 數(shù)值模擬分析

垛墻錨索復(fù)合結(jié)構(gòu)受力變形過程中，樁板擋墻與垛墻變形協(xié)調(diào)，垛墻變形直接影響錨索拉力，樁板擋墻、垛墻、錨索三者須進(jìn)行協(xié)同分析，整體建模計算。按照工程結(jié)構(gòu)模擬現(xiàn)場實際情況，先計算無添加層時的原始擋墻結(jié)構(gòu)，再考慮添加3 m 厚填土工況，最后分析垛墻和錨索混合支護(hù)結(jié)構(gòu)的擋墻工況，

4.1 模型建立

采用FLAC 3D 有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，采用理想彈塑性Mohr-Coulomb 模型，該模型屈服函數(shù)表達(dá)式為

式中：fs為破壞屈服力，當(dāng)fs≥0 時，土體將發(fā)生剪切破壞；σ1，σ3分別是最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力；φ，c分別為內(nèi)摩擦角和土體黏聚力。

分析計算采用三維模型，擋墻及垛墻均采用實體單元模擬，模型尺寸：70 m（x方向）×4 m（y方向）。樁板墻上含有3 m 填土層，為了重點分析樁板墻加固之后的整體穩(wěn)定性，對3 m 填土層的L 形擋墻穩(wěn)定性不作單獨分析，將L 形擋墻和樁板墻作為同一整體的簡化處理，模型見圖5。

圖5 計算模型

4.2 結(jié)果分析

1）未加高前的原始樁板墻

原始樁板擋墻高11 m，頂墻寬0.5 m，墻后側(cè)為人工填土，樁板墻埋深6 m，其嵌固段入中風(fēng)化花崗巖約2 m。通過建模有限差分計算，樁板擋墻水平位移最大值為13.6 mm（圖6），位于擋墻頂部以下4 m 處，墻體表現(xiàn)為外鼓現(xiàn)象。

圖6 樁板擋墻水平位移（單位：m）

2）標(biāo)高增加3 m

原始的樁板擋墻結(jié)構(gòu)添加3 m 厚的填土后，樁板墻水平位移迅速增大，墻面整體傾斜，最大位移約為156 mm，擋墻處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

3）垛墻錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)

垛墻錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)即采用垛墻+預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固。垛墻結(jié)構(gòu)基底埋深2 m，在垛墻頂部錨索施加300 kN 的預(yù)應(yīng)力，形成針對狹窄區(qū)域擋墻加固的垛墻錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)。

樁板墻和支擋結(jié)構(gòu)水平方向位移見圖7。可知：在原始頂墻上添加3 m 的填土后，采用垛墻錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，最大水平位移為17 mm，位于樁板墻的中上部，樁板墻的變形得到了較好控制。

圖7 樁板墻和支擋結(jié)構(gòu)水平方向位移（單位：m）

垛墻結(jié)構(gòu)施工完成后，對既有擋墻進(jìn)行了位移監(jiān)測，監(jiān)測點布設(shè)于既有擋墻的頂部。既有擋墻加固完成后監(jiān)測點累計位移見圖8。可知，累計位移約14 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

圖8 既有擋墻加固完成后累計位移

為了獲取擋墻穩(wěn)定性狀態(tài)，分別對樁板墻原始工況、頂部增加3 m 厚填土且無加固措施工況、頂部增加3 m 厚填土且設(shè)垛墻錨索支擋結(jié)構(gòu)加固工況三種工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析。采用強(qiáng)度折減法，對墻體和填土參數(shù)進(jìn)行折減，樁板墻原始工況安全系數(shù)為1.33，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)頂部增加3 m 厚填土且無任何額外加固措施時，其安全系數(shù)為1.09，樁板墻整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)添加3 m 厚的填土且采用垛墻錨索支擋結(jié)構(gòu)時，其加固后的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.52，抗滑及抗傾覆安全系數(shù)也滿足GB 5007—2011的要求。

綜上，通過某工程既有樁板墻加固設(shè)計及數(shù)值模擬驗算，垛墻結(jié)合錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)適合于城市狹窄區(qū)域加固設(shè)計，能有效地提高擋墻安全穩(wěn)定性，為擋墻加固提供新的設(shè)計思路。

5 討論

通過對垛墻錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場應(yīng)用，該結(jié)構(gòu)能有效地控制樁板墻變形，增加垛墻基底作用力，提高結(jié)構(gòu)抗滑移穩(wěn)定性能。在補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，針對老舊病害擋墻外支墩形成不建議采用植筋連接，因錨索產(chǎn)生的豎向預(yù)應(yīng)力易導(dǎo)致老擋墻基底應(yīng)力增加，可能導(dǎo)致老擋墻承載力不足。

6 結(jié)論

針對狹窄區(qū)域的既有各種擋墻加固，本文采用垛墻結(jié)合豎向錨索，提出一種針對既有老舊擋墻加固的垛式錨索復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過對復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

1）垛墻錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)對既有老舊擋墻產(chǎn)生反作用力矩，能有效地控制樁板墻變形。

2）采用垛墻錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)，支墩自重結(jié)合錨索提供垛墻垂直壓力，增加垛墻基底作用力，有效提高了結(jié)構(gòu)抗滑移穩(wěn)定性。

3）垛墻錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)可解決施工場地錨（桿）索因空間狹窄無法或難以施工的問題，為既有老舊擋墻補(bǔ)強(qiáng)提供一種新的方法。