仰斜式高擋墻“鼓包”問(wèn)題的探究和解決方案

張 強(qiáng)

葛洲壩集團(tuán)電力有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443002

1 概述

擋土墻是支擋路基填土或山坡土體，防止填土或山坡土體失穩(wěn)，承受側(cè)向土壓力的構(gòu)筑物，事關(guān)防護(hù)對(duì)象的重大安全，因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件選擇恰當(dāng)結(jié)構(gòu)形式的擋土墻十分重要。本文結(jié)合220kV沙灣變電站高擋墻局部出現(xiàn)“鼓包”現(xiàn)象，探討了擋土墻的穩(wěn)定性，剖析“鼓包”成因，提出解決方案，最后進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

2 工程地理及地質(zhì)情況

220kV沙灣施工中心變電站位于四川涼山彝族自治州木里縣東子鄉(xiāng)東子村東子組， 是華電木里河梯級(jí)電站工程中用于施工供電的中心變電站，站址大部區(qū)域地勢(shì)平緩，但北面靠山，坡勢(shì)較大，南面臨邊，下坡較陡，總體地勢(shì)為北高南低，站區(qū)四周均修砌擋土墻。

根據(jù)設(shè)計(jì)地勘資料，擬建場(chǎng)地地層巖性主要為第四系崩坡積的夾碎石亞粘土和三疊系變質(zhì)板巖組成。蹦坡積的塊碎石土夾粘土，具有一定的物理力學(xué)性能，可作建構(gòu)筑物基礎(chǔ)持力層。三疊系下統(tǒng)變質(zhì)板巖夾砂巖（T1），弱～微風(fēng)化，埋深較深。3 存在的問(wèn)題及計(jì)算分析

2.1 存在的問(wèn)題

該站北面的擋土墻最高，為9m～10m，按照施工圖，采用仰斜式。北面擋墻砌筑完成一個(gè)月后(跨主汛期)，發(fā)現(xiàn)北側(cè)往西北角的一段擋墻（約15m）出現(xiàn)了明顯的“鼓包”帶（墻高1/3左右處），進(jìn)一步觀察后，發(fā)現(xiàn)“鼓包”帶的墻面仍在輕微的外移，擋土墻頂面也有縱向裂隙，墻后土體（非原狀土，為附近引水洞工程鋪墊施工便道的棄渣體）頂部也出現(xiàn)多條裂隙，由此情形發(fā)展，主汛期的一場(chǎng)強(qiáng)降雨隨時(shí)都有沖垮該段擋墻的可能，屬重大安全隱患（見(jiàn)下圖1）。

圖1

2.2 擋土墻穩(wěn)定性驗(yàn)算

由于出現(xiàn)“鼓包”帶，需要對(duì)擋墻的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，以判明癥結(jié)所在，具體如下：

1）土壓力計(jì)算

（1）計(jì)算式（庫(kù)倫主動(dòng)土壓力計(jì)算公式）：

兩式中：Ka為庫(kù)倫地震或非地震土壓力系數(shù)；Ea為地震或非地震土壓力；

α為墻背與垂直線夾角（度），俯斜為正值，仰斜為負(fù)值；

η為地震角，7度（0.1g）η=1.5°；δ為墻背與填料摩擦角，取δ=0.5ψ；

ψ為填料內(nèi)摩擦角（度）；β為墻背后邊坡坡度（度），該工程β=0°；

ho為荷載換算土柱高度，本工程設(shè)計(jì)荷載qk=10kPa，ho=qk/γc（3）

γc為墻背填料重度（kN/m3），正常情況下，取γc=18kN/m3；

γo為擋土墻結(jié)構(gòu)重要系數(shù)，取γo=1.1（防護(hù)對(duì)象為高壓電氣設(shè)備）；

（2）參數(shù)取值

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，上述計(jì)算式中的參數(shù)需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況取最接近實(shí)際的值，計(jì)算的結(jié)果才能更加準(zhǔn)確的反映實(shí)情，現(xiàn)就理論和實(shí)際兩種狀態(tài)，分別給出各參數(shù)取值，見(jiàn)表1。

表1

說(shuō)明：1）填料內(nèi)摩擦角（ψ）：回填料就地取材，為塊碎石土夾亞粘土，參考圖集（04J008）附錄C，ψ取值在粘性土（墻高6m）和碎石類土之間，即30°～40°，正常取35°；實(shí)際上，填料受雨水浸透，內(nèi)摩擦角減小，取30°；2）墻背與填料摩擦角（δ）：根據(jù)圖集（04J008）附錄G，δ=0.5ψ，當(dāng)ψ變化時(shí)，其相應(yīng)變化；3）填料重度（γc）：正常情況下γc=18kN/m3，實(shí)際上，受開(kāi)裂砌體成為填料和含水量等因素的影響，填料綜合重度發(fā)生了變化， 如圖1所示，△BCE為擋墻砌體失重易開(kāi)裂部分（按極限開(kāi)裂考慮），該部分每米長(zhǎng)度的體積VBCE=0.5*1.5*2/3*H=0.5*H；△ABF為墻后填料部分，該部分每米長(zhǎng)度的體積VACE=0.5*5.4*H=5.9*H；整個(gè)滑動(dòng)體ACEF體積VACEF=VBCE+VACE+=0.5*H+5.9*H=6.4*H；砌體占比為VBCE/VACEF=0.5/6.4；填料占比為VACE/VACEF=5.9/6.4；如果1m3填料中僅考慮含水量30%，則下滑填料的綜合容重為：γc=22*0.5/6.4+18*5.9/6.4+9.8*0.3=21.25（kN/m3）；

（3）土壓力計(jì)算

將上述表1的參數(shù)分別代入①～③計(jì)算式，通過(guò)計(jì)算得出如表2。

表2

2）抗傾覆驗(yàn)算

（1）計(jì)算式：為了保證擋土墻在土壓力的作用下不發(fā)生繞墻趾0點(diǎn)的傾覆，應(yīng)使抗傾覆力矩大于傾覆力矩，兩者之比值為抗傾覆安全系數(shù)Kt，即

（其中安全系數(shù)1.6依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中第6.6.4～6.6.5條規(guī)定取值）

式中：Kt為每米抗傾覆安全系數(shù)；G為每米擋土墻的重力；

Eax為每米主動(dòng)土壓力的水平分力：

Eaz為每米主動(dòng)土壓力Ea的垂直分力:

Xo、Xf、Zf為分別為G、Eaz、Eax至墻趾O點(diǎn)的距離，其中

式中：b為基底的水平投影寬度；z為土壓力作用點(diǎn)離墻踵的高度；α0為基底與水平線夾角。

（2）參數(shù)取值

按照?qǐng)D1分析計(jì)算和上表1、表2，計(jì)算式（4）～（7）中的各參數(shù)取值詳見(jiàn)表3。

表3

說(shuō)明：擋墻自重（G）=擋墻每延米體積（V）*容重（γc），V、γc根據(jù)圖集可查為17.61m3、22kN/m3；本工程實(shí)際情況下，應(yīng)將開(kāi)裂部分的砌體重量扣減，即圖1中△BCE砌體每延米重量GBCE=0.5*9*22=99（kN）；

（3）抗傾覆安全系數(shù)計(jì)算

將上述表2、表3的數(shù)值分別代入④～⑧計(jì)算式中，通過(guò)計(jì)算得出如下結(jié)果：

表4

3）抗滑移驗(yàn)算

（1）計(jì)算式

為了保證擋土墻在土壓力的作用下不發(fā)生沿基底的滑動(dòng)，應(yīng)使基底抗滑力大于滑動(dòng)力（即土壓力的水平分力），兩者之比值為抗滑移安全系數(shù)Ks，即

式中：Ks為抗滑移安全系數(shù)； Gn為垂直于基底面的重力分力；Gt為平行于基底的重力分力； Ean為垂直于基底的土壓力分力；Eat為平行于基底的土壓力分力 ；

μ為擋土墻基底對(duì)地基摩擦系數(shù)，由試驗(yàn)確定，當(dāng)無(wú)試驗(yàn)資料時(shí)，可參考圖集04J008附錄D選用。

該擋墻基底為倒坡式，且基礎(chǔ)埋置較深，基底為弱風(fēng)化板巖和砂巖，擋墻在底部幾乎不可能發(fā)生滑移。事實(shí)上，擋墻 “鼓包”帶在墻高1/3左右處，需討論和驗(yàn)算該處滑移情況。

（2）參數(shù)取值

當(dāng)將墻高1/3處作為基底滑移面時(shí)，Gn=墻高1/3處以上砌體重力；Gt=0；Ean= Eaz；Eat= Eax，μ值參考圖集04J008附錄D選用，屬表面粗糙的硬質(zhì)巖石間摩擦，且有砂漿黏合，可考慮μ=0.75，詳見(jiàn)表5。

表5

說(shuō)明：1）正常情況下Gn=2/3G，實(shí)際情況下，Gn=2/3GGBCE=159.28（kN）（為簡(jiǎn)化計(jì)算，在此忽略了擋墻腳趾重量對(duì)擋墻重力均勻性的微小影響）；2）Ean、Eat取值均參考表-04；3）由于沿墻背的土壓力存在不均勻性，墻高1/3左右的位置是受力最大處，該處（局部范圍）滑移時(shí)存在事實(shí)上的上下兩個(gè)滑動(dòng)面，因此，μ=0.75*2=1.5。

（3）抗滑移安全系數(shù)計(jì)算

將上述表5的數(shù)值分別代入⑨計(jì)算式中，通過(guò)計(jì)算得出如下結(jié)果：

表6

2.3 影響擋墻安全因素的分析

通過(guò)對(duì)上述擋墻穩(wěn)定性驗(yàn)算過(guò)程的分析，造成該擋墻實(shí)際抗滑移安全系數(shù)大大降低的原因主要是如下方面的參數(shù)發(fā)生了較大變化和結(jié)構(gòu)性問(wèn)題：

1）擋墻有效自重減少：部分砌體開(kāi)裂，從墻身脫離開(kāi)，破壞了其整體性，重力減??；

2）填料綜合容重（γc）增加：雨季填料的含水量增大，同時(shí)開(kāi)裂部分擋墻砌體也進(jìn)入填料中，使填料的綜合容重增加，共同對(duì)墻背形成較大的土壓力；

3）填料內(nèi)摩擦角（ψ）減小：以亞粘土為主的填料（含少量碎石）在雨季形成浸水飽和，抗剪強(qiáng)度和粘聚力降低，ψ值減小，由計(jì)算式①②可知，導(dǎo)致土壓力大幅增加；

4）擋土墻形式不適：過(guò)高仰斜式擋墻重心極不穩(wěn)，填料沉降，失重砌體失去支撐開(kāi)裂；

5）局部地質(zhì)變化：墻后邊坡屬鄰近工程松填棄土，與地勘地質(zhì)不符，該土破裂體下滑。

3 總結(jié)及解決方案

由上述的原因分析，我們可總結(jié)和尋求解決擋墻“鼓包”問(wèn)題的一般經(jīng)驗(yàn)、方法：

1）詳查地質(zhì)：在涉及重大安全和高擋墻施工中，必須認(rèn)真核驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)部位的地勘情況，對(duì)有偏差的部位應(yīng)特別警惕，進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。（本工程對(duì)墻后的松填棄土未引起重視）；

2）選擇適宜擋墻形式：本工程需拆除“鼓包”段擋墻，改為直立式。仰斜式擋墻適于貼坡式支擋，即邊坡坡度與墻背傾角一致或夾角很小，填料對(duì)墻身的土壓力為0或很小，擋墻不易產(chǎn)生滑移。擋墻仰斜坡度不宜緩于1:0.25，墻面、墻背平行，邊坡坡度不宜緩于1:0.3；

3）仰斜式擋土墻一般適用于高度小于6m的支擋。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.6.4-6.6.5條，重力式擋墻適用于高度小于6m、地層穩(wěn)定、開(kāi)挖土石方時(shí)不會(huì)危及相鄰建筑物安全的地段；

4）填料及夯填：填料內(nèi)摩擦角的少量變化可引起土壓力較大變化，因此，填料應(yīng)盡量選用抗剪性高和透水性強(qiáng)的礫石或砂土，嚴(yán)禁選用膨脹土、淤泥質(zhì)土、耕植土作填料。對(duì)于仰斜式擋墻，其背后填料還應(yīng)分層夯實(shí)，否則，易出現(xiàn)填料沉降，墻體開(kāi)裂；

5）完善防、排水措施：擋墻和邊坡頂部均應(yīng)設(shè)截水溝，防止邊坡滑移、垮塌，以及填料浸水飽和，抗剪強(qiáng)度和粘聚力降低，ψ值減小。

[1]建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2002）.

[2]擋土墻（國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集04J008）.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2006，4.