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挡土墙加固及施工技术北京科技大学土木与环境工程学院二零零三年五月挡土墙的作用挡土墙是各类工程建设中常见的支挡结构形式，它具有结构简单、占地少、施工方便和造价低廉等诸多优点。目前，不仅广泛应用于公路、铁路、城市建设，同时应用于水坝建设、河床整治、港口工程、水土保持、土地规划、山体滑坡防治等领域。概述挡土墙的分类挡土墙的种类很多，按照其结构特点可以分为：（1）重力式挡土墙;（2）悬臂式挡土墙;（3）扶臂式挡土墙;（4）支撑式挡土墙;（5）锚定板挡土墙;（6）板桩墙挡土墙;（7）加筋土挡土墙。概述挡土墙存在问题挡土墙的主要载荷是土压力和相关的外来载荷，随着其使用时间的增长，挡土墙的稳定性就会减弱，甚至会出现不同程度的失稳现象。尤其是在频繁的外部载荷和地震、水灾等自然因素作用下，挡土墙的失稳现象表现的更加突出。在公路交通建设中，几乎所有的跨线大桥，山区公路均建有挡土墙。在动载荷下挡土墙的失稳日趋严重，如：概述始建于80年代的滨州黄河大桥南北接线的挡土墙，墙高6m，从1991年开始，挡土墙逐渐开始发生变形，墙体外倾，到1997年墙体的最大变形达280mm，其中南接线西侧甚至发生过坍塌事故，严重威胁到整座大桥的交通安全。概述建成于1990年前后的104国道界河立交桥，自建成初期即发生轻微的墙体外移现象。从1997年开始，墙体的外鼓变形加剧，到2000年6月份，墙体最大的位移量达到100mm，绝对位移量超过200mm，路面局部发生纵向开裂，墙体的顶部面板开始脱落，墙体整体失稳，并有进一步加剧的趋势。概述位于山东省淄博市境内的辛店大桥，纵向长度600m的挡土墙均出现不同程度的外倾和外鼓现象，局部的外鼓达150mm之多，从而严重威胁到了公路运输的安全。概述2001年9月27日，洛阳-三门峡高速公路K104+940-K105+100段坡间挡土墙，突然随坡体下滑，塌方量达12万m3以上，半幅路基平均下陷深度为5m，致使原定通车时间滞后3个多月。京沪高速公路（化临段）挡土墙在建设过程中即发生不同程度的侧滑现象，不得不重新设计和加固。概述图1失稳的加筋土挡土墙概述图2失稳的坡间挡土墙概述图3垮塌的重力式挡墙概述图4垮塌的护坡挡墙概述图5洛三线垮塌的坡间挡墙概述由此可见，挡土墙的失稳问题不是个例，而是带有普遍性。仅山东省境内就有不少于20座各类挡土墙发生不同程度的失稳现象。国内类似工程有几百处，严重者甚至有可能酿成墙体倾覆、交通中断、人员伤亡的严重事故。因此，如何在设计和施工阶段采用有效的工程措施，以消除挡土墙失稳的事故隐患是事关交通安全的重大工程技术难题。概述失稳挡土墙的加固方法主要有预应力锚固、重力式翼墙、后跺式扶臂墙、喷射混凝土和预应力锚杆联合加固以及加筋喷射混凝土和预应力锚杆联合加固等。概述在实际工程中，由于挡土墙所承受的外部载荷环境不同、回填土性质以及挡土墙的类型不同，因而，结构失稳的原因和所采用的加固方法以及同一种方法所选用的加固参数也不尽相同，所以，问题的研究必须有针对性。即针对某一类型的挡土墙的失稳情况，从实际出发进行比较系统的研究，了解它的失稳机理并选择一种切实可行的加固方法，从理论和实践中加以证明其可行性并进而推广应用。概述失稳特征据调查，加筋土挡土墙虽然建设的年代、应用对象甚至具体的设计参数不尽相同，但由于基本结构是相似的，因此其失稳现象都有着共同的特征：1、墙体外鼓。这种现象约占70%，主要有以下两种表现形式：加筋土挡土墙失稳的基本特征及原因分析(a)弧形外鼓(图6a)。调查发现，全国现有的加筋土挡土墙运行5年以上的，都不同程度地出现了墙体外鼓，路面两侧护栏内倾，且墙体越高，外鼓现象越严重，外鼓位移最大处一般发生在离地面高度的2/3处。(b)S形外鼓(图6b)。这种现象不是孤立存在的，一般伴随着弧形外鼓出现(例如G104界河立交桥)，其主要特征是：总体仍属弧形外鼓，但在墙体中下部又出现另一外鼓现象。加筋土挡土墙失稳的基本特征及原因分析2、墙体外倾(图6c)。这种现象约占30%，主要特征是：墙体整体外倾、路边护栏外倾（如滨州黄河大桥北接线东侧墙体）。3、路面开裂。所有出现失稳现象的加筋土挡土墙，一般都伴随着路面纵向开裂，严重者裂缝宽度达5—20mm，路面有无裂缝，是判别墙体是否整体失稳的最主要的特征。4、拉筋与面板脱离，造成墙体面板局部单块滑落。加筋土挡土墙失稳的基本特征及原因分析加筋土挡土墙失稳的基本特征及原因分析快车道护栏填土失稳墙体慢车道快车道护栏填土失稳墙体慢车道快车道护栏填土失稳墙体慢车道(a)(b)(c)图6加筋土挡土墙失稳特征示意图原因分析加筋土挡土墙是国内外已广泛应用的成熟技术，我国也制定了相应的设计与施工规范（JTJ015-90）。但为什么加筋土挡土墙在建成初期或运行一定时期后却相继发生了轻微变形以至发展成严重失稳变形呢？经综合分析，其存在着外在和内在两方面的原因：加筋土挡土墙失稳的基本特征及原因分析1、外在原因(a)我国大规模建设加筋土挡土墙时期，交通流量远不及现在大。例如：滨州黄河大桥81年以前日交通量平均为3085辆，到2000年已增至14890辆；山东省G104界河立交桥建成初期（1989年），日均交通量为2168辆，至2000年达到7645辆，且大型运输车辆增多，超载严重（最大车货总量超过100吨），直接导致路面动荷载剧增，超过了原设计路基的承载能力。加筋土挡土墙失稳的基本特征及原因分析(b)对于一般车流量很大，动荷载相对较高的路段，墙体变形一般主要受动荷载的影响，出现严重的外倾失稳，造成顶层拉筋断裂、面板脱落。(c)施工质量不高，尤其初期填方不实，拉筋松弛或拉筋材料选材不适当甚至不合格也是造成加筋土挡土墙失稳的不可忽视的外在原因。加筋土挡土墙失稳的基本特征及原因分析2、内在原因(a)车辆动荷载所引起的侧压力沿垂直方向遵从布西涅斯克解，即在弹性半空间体上作用一压力，其应力分布是上大下小，而主动土压力是上小下大，二者作用的迭合，即在离地面高度的2/3处形成最大的外推力。因此，墙体外鼓是必然的。但外鼓不一定失稳，只要外推力不超过拉筋的抗拉强度，墙体仍可保持相对稳定，而判别挡土墙是否失稳的最明确的外在标准是路面是否开裂及面板是否脱落。加筋土挡土墙失稳的基本特征及原因分析(b)加筋土挡土墙的加筋材料为增阻迟缓的柔塑性体，在动荷载作用下增阻速度滞后，不能及时提供阻力以抵御动载对土体的破坏作用。在许多情况下，拉筋失效并非是本身强度不够，而是增阻速度不及动载的增载加速，土体因瞬间变形超限而破坏，从而导致墙体填方失稳。加筋土挡土墙失稳的基本特征及原因分析(c)墙体内的填土本身强度很低，建成之时存在着初始塑性变形区，动荷载剧增即可诱发原有塑性区的进一步扩大和发展，随着时间的积累和变形的叠加，即可能在挡土墙内部出现整体和永久性的破坏。加筋土挡土墙失稳的基本特征及原因分析实例界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理工程背景界河立交桥建成于1990年，自建成初期即发生轻微墙体外倾现象。从1997年开始，外鼓变形逐渐加剧，至2000年6月，最大位移量相对值达100mm，绝对值超过200mm，路面局部发生纵向开裂，两侧护拦内倾，顶部面板局部脱落，墙体整体失稳，并有进一步加剧的明显趋势。图7加固前的失稳加筋土挡土墙界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理工程对策1、必须满足的前提条件对于失稳加筋土挡土墙，最简单的处理方法是在墙体外侧压土或附加一个重力挡墙作为外支撑，但这将直接导致加筋土挡土墙的主要优越性的丧失，不但工程量巨大，又需要重新征地，除非紧急抢险，此方案不能采用。任何拟采用的加固方案必须满足以下条件：界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理(a)不能破坏原工程的基本结构，所实施的加固方案既能完全保留加筋土挡土墙的既有优越性，又能保证不影响其使用功能。(b)在不影响主路面安全运行的前提下能正常进行加固施工。(c)施工工艺要相对简单，工程造价及施工工期不能高于其它加固方案。界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理2、可采用的工程方案经反复分析比较，能同时满足上述条件的方案其实范围很小：首先，其必须是常规技术；其二，它能有效抑制或减小墙体变形；其三，它具有可靠的有效性和持久性。如何选择并确定这样一个由多项常规技术构成又非常规的有效技术组合，是解决失稳加筋土挡土墙加固问题的最大难题。界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理（a）主要方案理想的方案是通过一种特殊的工艺，将墙体对应面板凿穿，穿上钢筋，对拉锁定，完全取代原有的拉筋(图8a)。由于国内目前凿孔设备及技术所限，对穿凿孔不易实现，可改由两侧分别凿孔，并安装预应力锚杆以代替对拉钢筋，这样凿孔问题易解决，同时又保持了前者的技术精髓，是可实施的技术方案(图8b)。界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理对拉钢筋对拉预制面板墙体对拉预制面板预应力锚杆(a)(b)图8主要方案示意图（b）选定方案在墙表面喷射一层砼(加锚网)，使分散的面板预制块由单体变成整体，这样可保证在墙表面任何一点加力都能将力分布在“一片”而不是“一块”上，整个喷层相当于一个大承力垫板，整个外墙成为一个整体，可大大提高其抗弯、抗剪和整体承载能力。界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理在墙体两侧墙面对打1—3排预应力锚杆，以此来有效抑制墙体的变形。锚杆安装过程中，采用“分层多次高压注浆预应力锚固技术”，实施多次分层注浆，既能通过对土体的改性加固墙体本身，又可提高预应力锚杆的承载力，一举两得。界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理3、需要克服的主要技术难题(a)凿孔问题。由于路基填土为非原状土，而是由土石组成的杂填土，在这样的杂土层中钻孔十分困难，能否正常成孔是选定方案正常实施的关键和前提。(b)预应力锚杆。虽然在岩石层中或在原状土层中安装永久预应力锚杆在国内外已是常规技术，而在人工杂填土层中实施该项技术却有许多没有解决而又必须解决的技术难题：界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理预应力锚杆预应力值的衰减特征如何，最终稳定的预应力值是多少。采用何种技术手段能提高并能永久保持设计预应力值。如何确定预应力锚杆的设计参数(如锚杆的长度、直径、密度等)。界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理(c)锚喷网。按方案，锚喷层是作为其与面板间的结合体而设计的，预期效果能否实现，如何实现？(d)注浆。在填土中进行注浆，浆液能否按预想的在设计范围内分层并有效扩散；如何在保证不破坏路面和墙体本身的前提下确定注浆参数，实施高压注浆；注浆对最终加固效果影响有多大，作用如何等等。所有这些问题必须通过实验和现场工程实践来回答。界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理施工过程本项目确定的加筋土挡土墙加固方案主要由三项常规技术—锚喷、注浆和预应力锚固构成。这三项技术在国内外岩土工程领域已得到广泛应用，但应用于加固加筋土挡土墙，在国内外尚属首次。由于加固对象的特殊性，所以，要达到设计要求，保证完美的加固效果。界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理1、墙面锚喷网加固在挡土墙外墙面铺设一层钢筋网，主筋采用ф10钢筋，网度为1000mm×1000mm，辅筋采用ф6.5钢筋，网度为150mm×150mm。主筋的每个节点处，打一根连接锚杆。连接锚杆采用ф16螺纹钢，锚固深度为500mm，并与主筋焊连。在整个外墙面喷射一层80mm厚的砼，标号C25。界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理图9墙面喷射钢筋混凝土设计图连接锚杆主筋预应力锚杆2、工程对策针对上述问题，首先进行了理论分析，基本弄清了出现问题的内在原因，根据不同情况，设计了多项不同的试验，从根本上解决了这些问题：（a）合理配比。通过现场喷射试验，确定了最适合于喷射对象的喷射材料配合比，即水泥:砂:石子:水:速凝剂=1:2:2:0.4:0.025（重量比）。界河立交桥加筋土挡土墙失稳加固处理(b)分层湿喷。试验发现，单次喷层厚度不大于40mm，则喷层就不会脱离墙面。超过40mm，个别地段出现轻微