舊路提級(jí)改造工程中新舊結(jié)合擋土墻加固工程穩(wěn)定性分析

■崔彥平

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

省道S207 線壽寧下黨至尤溪段公路工程是下黨進(jìn)鄉(xiāng)公路X942 提級(jí)改造工程的一部分， 項(xiàng)目的建設(shè)加大了國省道對(duì)壽寧縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的服務(wù)力度。 既有X942 公路為20 世紀(jì)90 年代修建的四級(jí)通鄉(xiāng)公路，該公路線形指標(biāo)較差、邊坡較陡、擋土墻較高、路面較窄，若對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行提級(jí)改造，傳統(tǒng)做法需開挖老路，拆除舊擋土墻，中斷老路交通，這將對(duì)附近鄉(xiāng)村居民出行，游客進(jìn)下黨學(xué)習(xí)、旅游產(chǎn)生較大的影響。 為避免施工對(duì)現(xiàn)有交通的影響，以及提高老路提級(jí)改造后路基的穩(wěn)定性，對(duì)舊擋土墻采用C20 混凝土錨注式擋土墻進(jìn)行加固[1]。 本文采用理正巖土計(jì)算軟件對(duì)本項(xiàng)目新舊結(jié)合擋土墻加固工程進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算[2-6]。

1 工程概況

1.1 工程概況

該項(xiàng)目K16+329～K16+344 路段原為半填半挖路段，右側(cè)為山體，左側(cè)緊鄰一條與道路平行的河流，老路路基左側(cè)設(shè)置衡重式路肩墻，高度8 m，老路典型橫斷面如圖1 所示。

圖1 老路典型橫斷面圖

1.2 工程地質(zhì)

典型斷面的擋土墻基底落在碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r和中風(fēng)化凝灰?guī)r層，地基強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，工程地質(zhì)條件較好， 擋土墻基底巖層主要指標(biāo)如表1 所示。

表1 基底巖層力學(xué)指標(biāo)

2 擋土墻加固設(shè)計(jì)方案

通過對(duì)現(xiàn)狀擋土墻的分析， 綜合考慮工程特點(diǎn)、安全性和經(jīng)濟(jì)性，推薦采用C20 混凝土錨注式擋土墻對(duì)舊擋土墻進(jìn)行加固。 該方案可以有效節(jié)約資源，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）減少老路提級(jí)改造工程中對(duì)老路的開挖量，節(jié)約造價(jià)；（2）可充分利用現(xiàn)有路基擋土墻的穩(wěn)定性，保證老路提級(jí)改造后路基的穩(wěn)定性；（3）施工時(shí)不需要中斷交通，保證附近居民的便利出行；（4）采用錨注式方案，施工簡單方便，機(jī)械設(shè)備投入較少，從而節(jié)約造價(jià)。

施工前需對(duì)舊擋土墻的排水系統(tǒng)進(jìn)行疏通，并通過對(duì)舊擋土墻鑿毛處理和錨桿使新舊擋土墻緊密結(jié)合。新舊擋土墻之間采用φ32 非預(yù)應(yīng)力錨桿呈梅花形布置，布置間距為2.3×2 m；擋土墻基礎(chǔ)與地基之間采用φ20 系統(tǒng)錨桿連接。新加固擋土墻錨桿布置如圖2 所示，典型橫斷面如圖3～4 所示。

圖2 錨桿布置圖

圖3 擋土墻加固方案橫斷面圖（第一種截面）

圖4 擋土墻加固方案橫斷面圖（第二種截面）

3 擋土墻穩(wěn)定計(jì)算分析

本文采用理正巖土計(jì)算軟件，分正常工況和設(shè)計(jì)洪水位工況對(duì)擋土墻的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算分析。

3.1 正常工況

此種工況條件下?lián)跬翂κ艿降耐獠孔饔昧χ饕校鹤灾?、背后土壓力、地基反力?下面對(duì)正常工況下2 種不用截面形式的擋土墻的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，2 種擋土墻截面形式計(jì)算模型簡圖如圖5～6所示。

圖5 正常工況擋土墻截面形式計(jì)算模型簡圖（第一種）

圖6 正常工況擋土墻截面形式計(jì)算模型簡圖（第二種）

3.1.1 滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

增強(qiáng)擋土墻抗滑性，一般是將擋土墻基底設(shè)置成倒坡的形式，本次計(jì)算第一種擋土墻基底傾斜角度為∠5.711°。 通過計(jì)算， 得到擋土墻的滑移力為126.449 kN，抗滑力為227.349 kN，抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc=抗滑力/滑移力=1.798； 第二種擋土墻截面與第一種增強(qiáng)抗滑動(dòng)穩(wěn)定性的方法相同。 通過計(jì)算，得到擋土墻的滑移力為86.371 kN， 抗滑力為164.596 kN，Kc=抗滑力/滑移力=1.906。

同時(shí)，計(jì)算得出第一種擋土墻地基土層的水平向滑移力和抗滑力分別為 171.065 kN 和225.451 kN， 地基土層水平向抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc2為1.318； 第二種擋土墻地基土層的水平向滑移力和抗滑力分別為118.698 kN 和162.604 kN，地基土層水平向抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc2 為1.370。

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]，本項(xiàng)目第一種和第二種擋土墻抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc 分別為1.798 和1.318， 地基土層的水平向抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc2 分別為1.318 和1.370， 均大于規(guī)范規(guī)定的最小值

1.3，2 種擋土墻截面形式采用錨注式加固后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，符合相關(guān)滑動(dòng)穩(wěn)定性的要求。

3.1.2 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

對(duì)擋土墻進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算一般計(jì)算擋土墻繞墻趾的穩(wěn)定性， 通過對(duì)2 種擋土墻截面進(jìn)行計(jì)算，得到2 種擋土墻的傾覆力矩和抗傾覆力矩，由此得出的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)K0=抗傾覆力矩/傾覆力矩，具體結(jié)果如表2 所示。

表2 正常工況抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

本項(xiàng)目第一種和第二種擋土墻截面抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)K0 分別為2.629 和2.918，均大于規(guī)范規(guī)定的最小值1.50。

3.1.3 地基應(yīng)力及偏心距驗(yàn)算

通過對(duì)2 種擋土墻截面地基應(yīng)力及偏心距驗(yàn)算，得到作用于2 種擋土墻截面的結(jié)果如表3 所示。

表3 正常工況地基應(yīng)力及偏心距驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)路基規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，重力式擋土墻軸向力的偏心距e 不大于0.25B， 本項(xiàng)目第一種擋土墻基底寬度為3.184 m， 規(guī)范要求的偏心距為0.25×3.184 m=0.796 m，本項(xiàng)目偏心距e 為0.093 m，小于規(guī)范值，滿足規(guī)范的要求；本項(xiàng)目第二種擋土墻基底寬度為2.647 m， 規(guī)范要求的偏心距為0.25×2.647 m=0.662 m，本項(xiàng)目第二種擋土墻偏心距e 為0.370 m，小于規(guī)范值，滿足規(guī)范的要求。

第一種新建擋土墻墻趾處作用在基底的壓應(yīng)力為167.886 kPa， 墻踵處作用在基底的壓應(yīng)力為117.718 kPa，本項(xiàng)目第一種擋土墻地基允許承載力550 kPa，因此墻趾和墻踵壓應(yīng)力均滿足承載力的要求。 第二種新建擋土墻墻趾處作用在基底的壓應(yīng)力為20.2 kPa， 墻踵處作用在基底的壓應(yīng)力為228.501 kPa，本項(xiàng)目第二種擋土墻墻趾處地基允許承載力為660 kPa，墻踵處地基允許承載力為715 kPa，因此墻趾和墻踵處壓應(yīng)力均滿足承載力的要求。

3.2 設(shè)計(jì)洪水位工況

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)洪水位采用25 年一遇洪水位，在設(shè)計(jì)洪水位工況下，擋土墻受到的外力除了正常工況下結(jié)構(gòu)自重、墻后土壓力、地基反力之外，還增加了浮力以及墻前和墻后的水壓力。 對(duì)設(shè)計(jì)洪水位工況下?lián)跬翂Φ姆€(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，第一種擋土墻截面形式計(jì)算模型簡圖如圖7 所示，第二種擋土墻截面形式計(jì)算模型簡圖如圖8 所示。

圖7 設(shè)計(jì)洪水位工況擋土墻截面形式計(jì)算模型簡圖（第一種）

圖8 設(shè)計(jì)洪水位工況擋土墻截面形式計(jì)算模型簡圖（第二種）

3.2.1 滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

增強(qiáng)擋土墻抗滑性，一般是將擋土墻基底設(shè)置成倒坡的形式，本次計(jì)算第一種擋土墻基底傾斜角度為∠5.711°。 通過計(jì)算， 得到擋土墻的滑移力為115.8.35 kN，抗滑力為216.066 kN，抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc=抗滑力/滑移力=1.865；第二種擋土墻截面與第一種增強(qiáng)抗滑動(dòng)穩(wěn)定性的方法相同。 通過計(jì)算，得到擋土墻的滑移力為91.952 kN， 抗滑力為155.915 kN，Kc=抗滑力/滑移力=1.696。

同時(shí)，計(jì)算得出第一種擋土墻地基土層的水平向滑移力和抗滑力分別為160.274 kN 和213.748 kN，地基土層水平向抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc2 為1.334；第二種擋土墻地基土層的水平向滑移力和抗滑力分別為114.864 kN 和153.689 kN，地基土層水平向抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc2 為1.338。

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]，本項(xiàng)目第一種和第二種擋土墻抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc 分別為1.865 和1.696， 地基土層的水平向抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc2 分別為1.334 和1.338， 均大于規(guī)范規(guī)定的最小值1.3，2 種擋土墻截面形式采用錨注式加固后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，符合相關(guān)滑動(dòng)穩(wěn)定性的要求。

3.2.2 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

對(duì)擋土墻進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算一般計(jì)算擋土墻繞墻趾的穩(wěn)定性， 通過對(duì)2 種擋土墻截面進(jìn)行計(jì)算，得到2 種擋土墻的傾覆力矩和抗傾覆力矩，由此得出的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)K0=抗傾覆力矩/傾覆力矩，具體結(jié)果如表4 所示。

表4 設(shè)計(jì)洪水位工況抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

本項(xiàng)目第一種和第二種擋土墻截面抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)K0 分別為2.31 和2.635， 均大于規(guī)范規(guī)定的最小值1.50。

3.2.3 地基應(yīng)力及偏心距驗(yàn)算

通過對(duì)2 種擋土墻截面地基應(yīng)力及偏心距驗(yàn)算，得到作用于2 種擋土墻截面的結(jié)果如表5 所示。

表5 設(shè)計(jì)洪水位工況地基應(yīng)力及偏心距驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)路基規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，重力式擋土墻軸向力的偏心距e 不大于0.25B， 本項(xiàng)目第一種擋土墻基底寬度為3.184 m， 規(guī)范要求的偏心距為0.25×3.184 m=0.796 m，本項(xiàng)目偏心距e 為0.018 m，小于規(guī)范值，滿足規(guī)范的要求；本項(xiàng)目第二種擋土墻基底寬度為2.647 m， 規(guī)范要求的偏心距為0.25×2.647 m=0.662 m， 本項(xiàng)目第二種擋土墻偏心距e為－0.364 m，小于規(guī)范值，滿足規(guī)范的要求。

第一種新建擋土墻墻趾處作用在基底的壓應(yīng)力為140.196 kPa， 墻踵處作用在基底的壓應(yīng)力為131.233 kPa，設(shè)計(jì)洪水位條件下本項(xiàng)目第一種擋土墻墻趾處地基允許承載力為660 kPa， 墻踵處地基允許承載力為715 kPa， 因此墻趾和墻踵處壓應(yīng)力均滿足承載力的要求。 第二種新建擋土墻墻趾處作用在基底的壓應(yīng)力為20.729 kPa， 小于本項(xiàng)目地基允許承載力660 kPa； 墻踵處作用在基底的壓應(yīng)力為214.856 kPa，設(shè)計(jì)洪水位條件下本項(xiàng)目第二種擋土墻墻趾處地基允許承載力為660 kPa， 墻踵處地基允許承載力為715 kPa， 因此墻趾和墻踵處壓應(yīng)力均滿足承載力的要求。

通過以上對(duì)錨注式擋土墻在正常工況和設(shè)計(jì)洪水位工況下穩(wěn)定性驗(yàn)算分析，得出此種加固方式有效、可行，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 結(jié)論

本文依托省道S207 線壽寧下黨至尤溪段公路工程，通過理正巖土軟件對(duì)舊擋土墻采用C20 混凝土錨注式擋土墻加固方法進(jìn)行驗(yàn)算分析，得出此加固方案符合穩(wěn)定性的要求，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

目前，該項(xiàng)目的提級(jí)改造工程施工已經(jīng)順利完成并通車，質(zhì)量合格，施工成本低，且施工過程中保通效果好，說明此方案合理可行，可廣泛用于此類工程項(xiàng)目中。