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    垛墻錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算分析

    2021-05-09 08:43:54馬華高俊合張院生
    鐵道建筑 2021年4期
    關(guān)鍵詞:板墻擋墻基底

    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 有限差分軟件進行分析,研究復(fù)合結(jié)構(gòu)對既有擋墻的支護效果及力學(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??傮w來說,既有擋墻加固難度較大,故須采取一種新的經(jīng)濟合理、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??芍涸谠柬攭ι咸砑? m 的填土后,采用垛墻錨索復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)進行加固,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行穩(wěn)定性分析。采用強度折減法,對墻體和填土參數(shù)進行折減,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。在補強結(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,為既有老舊擋墻補強提供一種新的方法。

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