方俊杰， 劉 澤， 武可爽， 林 瓊

(1.浙江省交通工程建設(shè)集團(tuán)第三交通工程有限公司， 浙江 杭州 323000；2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411201)

漿砌片石擋土墻穩(wěn)定性分析與加固方法研究

方俊杰1， 劉 澤2， 武可爽1， 林 瓊1

(1.浙江省交通工程建設(shè)集團(tuán)第三交通工程有限公司， 浙江 杭州 323000；2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411201)

針對(duì)浙江S228省道K11+056～K11+116路段擋土墻出現(xiàn)的外傾失穩(wěn)現(xiàn)象，在對(duì)擋土墻進(jìn)行穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D建立數(shù)值分析模型，研究了擋土墻采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固和錨注聯(lián)合加固的可行性并對(duì)擋土墻進(jìn)行加固。結(jié)果表明，錨注聯(lián)合加固可以將錨桿加固和注漿加固進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，S228省道采用錨注聯(lián)合加固方案是可行的，加固后擋土墻的安全系數(shù)符合規(guī)范要求。為類似工程的加固提供參考。

漿砌片石擋土墻； 穩(wěn)定性； 錨桿加固； 注漿加固

0 引言

在山區(qū)公路建設(shè)中，由于石料來(lái)源廣、強(qiáng)度高、成本低，漿砌片石擋墻得到大量應(yīng)用，但也存在材料消耗多、施工工藝性強(qiáng)、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工質(zhì)量一直為人垢病，并且在長(zhǎng)期的交通荷載、雨水淋濾侵蝕等作用下，工程中漿砌片石擋土墻的病害層出不窮，嚴(yán)重影響到道路營(yíng)運(yùn)的安全。

開(kāi)展山區(qū)公路擋土墻病害與加固技術(shù)研究，對(duì)保障道路安全有著重意義，國(guó)內(nèi)的許多學(xué)者與技術(shù)人員都投入了大量的精力。楊建國(guó)[1]分析了剛性擋墻常見(jiàn)病害成因及加固方法；陳華[2，3]分析了公路加筋土擋土墻、錨錠板擋土墻的病害及其整治措施;羅江波[4]研究了壁板式錨桿擋土墻典型破壞原因與加固措施；何善國(guó)[5]分析了病險(xiǎn)及舊擋土墻加固改造途徑。一些學(xué)者還研究了擋土墻的質(zhì)量檢測(cè)方法[6]、安全評(píng)估方法[7]、加固設(shè)計(jì)方法[8]等，有力的促進(jìn)了山區(qū)公路擋土墻維護(hù)、管理與加固技術(shù)的發(fā)展。

筆者結(jié)合浙江省S228省道K11+056～K11+116段擋土墻的實(shí)況，開(kāi)展?jié){砌片石擋墻的穩(wěn)定性分析與加固方法研究，保障了S228省道的安全營(yíng)運(yùn)，也為今后類似工程的加固設(shè)計(jì)提供了參考。

1 工程背景

S228省道建設(shè)于上個(gè)世紀(jì)九十年代初，最初設(shè)計(jì)速度僅30 km/h、路基寬7.5 m(路面寬6.0 m)、最大縱坡5.9%、平曲線最小半徑為30 m，瀝青路面。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量大增，車、行人在同一條路上，相互干擾，交通事故頻發(fā)，無(wú)法滿足交通需求量。2013年春節(jié)前K11+056～K11+116段擋土墻已經(jīng)出現(xiàn)了外傾失穩(wěn)跡象，給域內(nèi)的居民生活出行帶來(lái)嚴(yán)重威脅，必須及時(shí)對(duì)該擋土墻進(jìn)行加固?，F(xiàn)場(chǎng)勘察表明，該處擋土墻為漿砌片石擋土墻，墻高11～13 m(不含基礎(chǔ))，受風(fēng)雨侵蝕作用砂漿和墻面塊石化風(fēng)嚴(yán)重，塊石間隙過(guò)大，墻面中下部雜草叢生，在墻頂可觀察到護(hù)欄外傾、護(hù)欄下方與路面均出現(xiàn)縱向裂縫，如圖1～圖3所示。

圖1 擋土墻立面圖

圖2 護(hù)欄及其下裂縫圖

圖3 路面縱向裂隙

2 擋土墻加固方法研究

2.1 模型建立

為了使擋墻加固具有針對(duì)性，確保加固后路基的可靠性，本文采用數(shù)值分析法討論擋土墻穩(wěn)定性和加固方案可行性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)數(shù)據(jù)，建立如圖4所示的擋土墻穩(wěn)定性分析模型。考慮路基右側(cè)的邊坡為巖質(zhì)邊坡，應(yīng)當(dāng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，為了減少安全系數(shù)計(jì)算時(shí)的影響，故建模時(shí)不考慮路基右側(cè)的巖質(zhì)邊坡。建立的模型寬31 m，高22 m，其中擋墻高13 m，埋深1 m。各部分的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 加固前擋土墻的數(shù)值分析模型

表1 巖土體的力學(xué)參數(shù)序號(hào)名稱本構(gòu)模型粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)1擋土墻彈性——2墻后填土莫爾庫(kù)侖5333巖質(zhì)邊坡莫爾庫(kù)侖75444地基莫爾庫(kù)侖60405注漿區(qū)莫爾庫(kù)侖3638

加固方案考慮了2種方案，一是錨桿加固；二是錨注聯(lián)合加固，如圖5所示。

圖5 加固后擋土墻的數(shù)值分析模型

2.2 加固前擋土墻的穩(wěn)定性分析

由現(xiàn)場(chǎng)勘察可見(jiàn)，擋土墻護(hù)欄外傾、護(hù)欄下方與路面均出現(xiàn)縱向裂縫，表明擋墻已處于極限狀態(tài)。采用超載法尋找擋墻的極限狀態(tài)。當(dāng)墻頂超載增加到30 kPa時(shí)，計(jì)算不收斂，可認(rèn)為擋墻處于極限狀態(tài)(安全系數(shù)為1)，這也與S228省道的實(shí)際交通狀況基本相符。

圖6為擋墻處于極限狀態(tài)時(shí)的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和位移矢量圖。圖7為擋墻處于極限狀態(tài)時(shí)的水平變形云圖。分析可知，擋墻的滑裂面位于墻后填土內(nèi)，擋墻的位移模式為上部大下部小，呈向外傾覆式失穩(wěn)，與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)模式一致。

圖6 極限狀態(tài)時(shí)的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖7 擋墻處于極限狀態(tài)時(shí)的水平變形云圖

2.3 錨桿加固后擋土墻的穩(wěn)定性分析

初定錨桿加固方案為在擋墻中上部布置2根直徑為32 mm的預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 錨桿加固方案錨桿位置錨桿直徑/mm錨桿傾角/(°)長(zhǎng)度/m預(yù)應(yīng)力/kN錨固長(zhǎng)度/m上部321510602下部323010602

建模后采用強(qiáng)度折減法對(duì)加固方案的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，錨桿加固后擋墻的安全系數(shù)為1.24。圖8為錨桿加固后擋墻的水平變形分布云圖。與圖7對(duì)比分析可知，在擋墻中上部加設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿后，擋墻的水平變形模式發(fā)了很大的變化，產(chǎn)生最大位移的部位由加固前的頂部轉(zhuǎn)移到下部，即擋墻的破壞失穩(wěn)模式由外傾變?yōu)榛破茐?。圖9和圖10分別為錨索的軸力和錨固力分布圖。上部錨桿的最大軸力為164.2 kN，最大錨固應(yīng)力38 kPa，下部錨桿的最大軸力為117.8 kN，最大錨固應(yīng)力86 kPa。

圖8 錨桿加固后擋墻的側(cè)向變形云圖

圖9 錨桿加固的錨桿軸力分布圖

圖10 錨桿錨固力分布圖

從計(jì)算結(jié)果可以看到，2根錨桿加固后擋墻的安全系數(shù)還是偏小，且加固后擋墻下部變形也較大，為了進(jìn)一步提高加固后的安全系數(shù)并控制擋墻下部的變形，擬在擋墻下部再增加1根錨桿。修改后加固方案的參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 修改后的錨桿加固方案錨桿位置錨桿直徑/mm錨桿傾角/(°)長(zhǎng)度/m預(yù)應(yīng)力/kN錨固長(zhǎng)度/m上部321510602中部323010602下部32158602

再次采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算，擋墻的安全系數(shù)為1.42。圖11為修改加固方案后擋墻的水平變形云圖。與圖8對(duì)比可知，在擋墻下部加設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿后，擋墻的穩(wěn)定性明顯增加，最大水平變形發(fā)生在墻趾前方。最大水平位移量也要較加固和修正前小很多。圖12和圖13分別為錨桿的軸力和錨固力分布圖。頂部錨桿的最大軸力為170.2 kN，最大錨固應(yīng)力44 kPa。中間錨桿的最大軸力為122.2 kN，最大錨固應(yīng)力39 kPa。底部錨桿的最大軸力為223.2 kN，最大錨固應(yīng)力267 kPa。

圖11 方案修正后擋墻的水平位移云圖

圖12 方案修正后的錨桿軸力分布圖

圖13 方案修正后的錨固力分布圖

2.4 錨注聯(lián)合后擋土墻的穩(wěn)定性分析

考慮到山區(qū)公路擋土墻墻后多以礫石質(zhì)土為填料，滲透性較強(qiáng)，錨固介質(zhì)進(jìn)入后可能流失率過(guò)高，無(wú)法為錨桿提供可靠錨固地層，方案討論時(shí)要求考慮錨注聯(lián)合加固，即在修正后的錨桿加固方案基礎(chǔ)上再增加豎向注漿要求。加固方案見(jiàn)表3。

建立模型后同樣采用強(qiáng)度折減法對(duì)錨注聯(lián)合加固后擋土墻的安全系數(shù)進(jìn)行求解。計(jì)算得到加固后擋土墻的安全系數(shù)為1.99，滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。圖14為極限狀態(tài)下(折減系數(shù)為1.99)擋土墻的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D。與圖8相比可知，加固后擋土墻的剪應(yīng)變?cè)隽坑泻艽蟮淖兓?，不僅數(shù)量上極大減小，而且分布規(guī)律也大為不同，最大剪應(yīng)變?cè)隽砍霈F(xiàn)在墻趾前方，墻后土體內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)貫通性的滑動(dòng)面。圖15為加固后擋土墻的水平位移分布云圖。與圖7對(duì)比可知，加固后擋土墻的水平位移分布模式有明顯變化，最大位移不是擋墻頂部，而出現(xiàn)擋墻中部，而且數(shù)量要小得多。圖16為極限狀態(tài)下錨桿的軸力分布圖，最大軸力為165 kN?？梢?jiàn)，擋土墻采用錨注聯(lián)合加固可將錨桿加固和注漿兩者進(jìn)行有效結(jié)合，其加固效果要比僅用錨桿加固的效果好很多。

由此可見(jiàn)，該擋墻采用錨注聯(lián)合加固方案是可行的，加固后擋土墻的安全系數(shù)可以規(guī)范要求，并有較高的安全余量。因此，在對(duì)方案進(jìn)行細(xì)化后進(jìn)行加固施工。圖17為注漿加固的施工過(guò)程，圖18為錨注聯(lián)合加固后的擋土墻。加固結(jié)束并營(yíng)運(yùn)2 a后，筆者再次現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了回訪，該路段運(yùn)行良好、路面平整，擋土墻沒(méi)有出現(xiàn)新的失穩(wěn)跡象(圖19)，表明加固是成功的。

圖14 加固后擋土墻的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖15 加固后擋土墻的水平位移分布云圖

圖16 加固后錨桿的軸力圖

圖17 注漿加固施工

圖18 加固后的擋墻

圖19 安全運(yùn)營(yíng)2 a后的路基

3 結(jié)論

針對(duì)浙江S228省道K11+056～K11+116路段漿砌片石擋土墻出現(xiàn)的外傾失穩(wěn)現(xiàn)象，采用數(shù)值分析方法研究了擋土墻的加固方法。主要結(jié)論有：

1) 在擋墻中上部設(shè)置2根預(yù)應(yīng)力錨桿后，可有效提高擋土墻的安全系數(shù)，并使擋墻的潛在失穩(wěn)模式由外傾失穩(wěn)變?yōu)榛剖Х€(wěn)。當(dāng)在擋墻下部再加設(shè)1根錨桿后，擋墻安全系數(shù)得到進(jìn)一步提高。

2) 錨注聯(lián)合加固可以將錨桿加固和注漿加固有機(jī)結(jié)合，使擋土墻的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。

3) S228省道采用錨注聯(lián)合加固方案是可行并成功的，可以為類似工程的加固提供參考。

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