衡重式擋土墻裂縫成因分析及加固措施

衡重式擋土墻裂縫成因分析及加固措施

0衡重式擋土墻在上墻體上的分離效果在一些河流防洪工程中，由于地形條件的影響，需要修建高海拔墻。衡重式擋土墻利用衡臺上部填土的重力來平衡一部分墻后土壓力作用,工程量少于重力式擋土墻,兼顧了工程的穩(wěn)定性和施工的經(jīng)濟(jì)性,從而得到廣泛的應(yīng)用。然而,部分衡重式擋土墻因?yàn)樵O(shè)計和施工等原因,在衡臺與上部墻身連接處開裂,嚴(yán)重影響到設(shè)施的使用。對此工程問題,本文結(jié)合某城市防洪工程擋土墻產(chǎn)生病害的情況,通過現(xiàn)場檢測和數(shù)值模擬方法,對該臨河段擋土墻裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行探討,分析了衡重式擋土墻的受力情況,并提出針對性的解決方案。1工程概況和現(xiàn)場檢測1.1衡重式漿砌擋土墻設(shè)計某城市防洪土建工程二標(biāo)(K1+550~990)全長440m,采用衡重式漿砌擋土墻。工程場地地形起伏較緩,地貌單元較簡單,地層結(jié)構(gòu)不單一,存在坍岸、滑移不良地質(zhì)作用。河水位最低標(biāo)高181m,最高標(biāo)高206m,正常水位標(biāo)高在200~203m之間。衡重式漿砌擋土墻的基礎(chǔ)位于砂卵石層上,墻身高度約為22.2m,上墻高9.02m,衡臺寬4.4m,設(shè)計簡圖如圖1所示。砌筑材料采用漿砌塊石,砂漿標(biāo)號M10,石料抗壓強(qiáng)度不小于40MPa,擋土墻墻背填料采用不易風(fēng)化的碎石土或石渣,墻身每隔15m設(shè)置沉降縫?；A(chǔ)底部設(shè)置間距5m的灌注樁,用以提高擋土墻抗滑能力。在工程竣工后的使用階段,該工程K1+732.7~757.7段漿砌石擋墻上墻身與衡臺連接處出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,并在2010年11月和2015年3月,該段部分擋土墻發(fā)生垮塌。為分析衡臺連接處開裂原因,對工程現(xiàn)場進(jìn)行了勘查和檢測,主要包括擋土墻開裂情況的調(diào)查以及工程質(zhì)量的檢測。1.2擋土墻外觀質(zhì)量指標(biāo)的測定采用鋼卷尺及游標(biāo)卡尺,對K1+732.7~757.7段擋土墻的上墻身與衡臺連接處的水平裂縫進(jìn)行裂縫分布及裂縫寬度檢測。檢測結(jié)果表明:該工程K1+732.7~757.7段附近擋土墻上墻身的水平裂縫最大寬度為10mm,墻身與衡臺連接處的水平裂縫最大裂縫寬度為40mm,開裂情況比較嚴(yán)重。開裂位置照片如圖2所示。其他外觀質(zhì)量檢測主要進(jìn)行了擋土墻墻面外鼓、伸縮縫錯動、墻身平整度、墻頂平臺開裂、墻面潮濕程度等項(xiàng)目的檢測。結(jié)果表明擋土墻存在外墻潮濕、墻面局部外鼓、伸縮縫錯動等外觀缺陷。具體如圖2所示。1.3施工質(zhì)量評價1.3.1材料強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場截取不同尺寸的砌體制成樣品,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行材料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1。1.3.2rada雷達(dá)實(shí)測設(shè)備在漿砌石基礎(chǔ)上的應(yīng)用采用SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)對該防洪堤K1+554~680和K1+735~990段擋土墻的漿砌石密實(shí)度進(jìn)行檢測,針對特殊關(guān)鍵部位,用400MHz屏蔽天線輔助交叉探測。根據(jù)現(xiàn)場共計38個斷面的檢測數(shù)據(jù),采用RADAN雷達(dá)處理分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析,存在異常的斷面檢測結(jié)果,見表2。檢測數(shù)據(jù)表明,施工漿砌石的漿填充不完全密實(shí),存在孔隙,削弱了漿砌石的抗拉、抗剪能力。2計算值的分析2.1理正巖土軟件為分析衡重式漿砌擋土墻上墻身與衡臺連接處裂縫成因,根據(jù)現(xiàn)場檢測實(shí)際情況,采用理正巖土軟件對計算結(jié)果的異常情況進(jìn)行分析,結(jié)果表明:在計算衡重式擋土墻時,擋土墻后水壓力的合力作用點(diǎn)是在衡臺以下,該軟件并未按照該工程的實(shí)際情況考慮水的側(cè)壓力對上墻的作用,導(dǎo)致上墻截面的剪力、拉應(yīng)力等計算結(jié)果偏小。設(shè)計單位采用理正巖土軟件進(jìn)行設(shè)計,對于上墻截面偏于不安全。為準(zhǔn)確計算墻背水產(chǎn)生的側(cè)壓力,將衡臺以上的上墻假定為懸臂梁,計算其拉應(yīng)力。經(jīng)計算,當(dāng)墻內(nèi)側(cè)水位線距衡臺的高度h考慮墻背水產(chǎn)生的側(cè)壓力后,不同工況下?lián)跬翂ι喜繅ι砝瓚?yīng)力及地基承載力計算結(jié)果如表3所示。計算結(jié)果表明:1)工況1~4中,上部墻身拉應(yīng)力依次增大;2)4個不同工況下,地基承載力和偏心距驗(yàn)算均不滿足要求。2.2flac3d有限差分軟件的建模和分析為進(jìn)一步分析探討衡重式擋土墻支護(hù)的力學(xué)特征,并為后期的支護(hù)加固措施提供設(shè)計參數(shù)和理論支持,利用FLAC3D有限差分軟件2.2.1選擇和計算參數(shù)本次模擬計算以樁號K1+686的勘查設(shè)計圖為依據(jù),根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際檢測數(shù)據(jù)及地勘資料,選取的巖體層強(qiáng)度參數(shù)見表4。2.2.2擋土墻出現(xiàn)灌注樁情況為精準(zhǔn)分析漿砌石擋墻上墻身與衡臺連接處裂縫成因以及墻身穩(wěn)定性,計算模擬分為3種工況:1)工況1:持力層中沒有灌注樁,模擬施工過程,最終狀態(tài)時,擋土墻前后水位差為3m;2)工況2:持力層中有灌注樁,樁間距為5m,模擬施工過程,最終狀態(tài)時,擋土墻前后水位差為3m;3)工況3:持力層中有灌注樁,樁間距為5m,模擬施工過程,最終狀態(tài)時,處于枯水期,不考慮水壓力作用。2.2.3樁與土體的相互作用在本工程施工圖中,采用灌注樁以提高擋土墻的抗滑移能力以及基礎(chǔ)承載力。本次模擬采用實(shí)體單元和接觸面單元模擬樁與土體之間的相互作用。接觸面模型如圖4所示。2.2.4相關(guān)結(jié)論根據(jù)FLAC3D的計算結(jié)果,分別獲得了3種工況下?lián)跬翂Φ淖钚≈鲬?yīng)力云圖、擋土墻位移云圖和樁基應(yīng)力云圖,見圖5~7。2.2.5樁基應(yīng)力和位移對比工況1~3的相關(guān)應(yīng)力和位移云圖,樁基對位移的影響比較明顯,提取樁基坐標(biāo)點(diǎn)附近位移值,具體的位移曲線如圖8所示。根據(jù)擋土墻與樁基的應(yīng)力和位移特征,可以得出:1)擋土墻在衡重臺位置處均有拉應(yīng)力分布,工況1~3在該區(qū)域內(nèi)的拉應(yīng)力最大值分別為66.0,82.0,72.7kPa。對比工況2與工況3,水庫蓄水后,擋土墻的拉應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)大,拉應(yīng)力增大。對比工況1與工況2,樁基使衡重臺位置處拉應(yīng)力增大16kPa。2)擋土墻上部墻體的位移值最大,樁基礎(chǔ)剛度大于周圍土體。在樁基位置處沉降值小于附近點(diǎn),產(chǎn)生了不均勻沉降。3裂縫原因分析通過理正巖土軟件及FLAC3D有限差分軟件綜合計算和分析,衡重式漿砌擋土墻上墻身與衡臺連接處水平裂縫產(chǎn)生主要原因如下。3.1拉應(yīng)力分布裂縫產(chǎn)生原因分析按原設(shè)計考慮的3m水位差計算可知,衡臺處拉應(yīng)力為82.474kPa,未超過實(shí)際檢測砂漿強(qiáng)度等級M7.0下的漿砌石容許彎曲拉應(yīng)力(MU40,M7.5砂漿抗拉應(yīng)力為140kPa;MU40,M5砂漿抗拉應(yīng)力為110kPa),說明施工質(zhì)量問題不是裂縫產(chǎn)生的主要原因。該工程設(shè)計方面存在以下3個問題,使該擋土墻可靠度降低,導(dǎo)致拉應(yīng)力集中的部位(上墻與衡臺連接處)易開裂,是該工程裂縫產(chǎn)生的主要原因。(1)擋土墻上墻身與衡臺連接處存在拉應(yīng)力區(qū)而設(shè)計未對該區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)。采用理正巖土軟件及FLAC3D有限差分軟件對該工程進(jìn)行建模計算,根據(jù)計算得出的應(yīng)力分布圖可知,該工程擋土墻上墻身與衡臺連接處存在拉應(yīng)力區(qū)。根據(jù)《擋土墻》(04J008)(2)結(jié)構(gòu)形式不合理。設(shè)計采用基礎(chǔ)前端下設(shè)單排抗滑樁,該樁有抗滑的作用,但由于樁底進(jìn)入中風(fēng)化巖,實(shí)際上也承受了基礎(chǔ)傳下來的豎向荷載,導(dǎo)致該擋土墻基礎(chǔ)兩端有不均勻沉降的趨勢,增加了擋土墻上墻身與衡臺連接處拉應(yīng)力區(qū)的拉應(yīng)力。(3)理正巖土軟件本身未考慮墻背水位側(cè)壓力對上部墻身的作用。理正巖土軟件在浸水地區(qū)的模式下,對上墻截面進(jìn)行計算復(fù)核時未考慮水壓側(cè)力對上墻的作用,導(dǎo)致上墻截面的剪力、拉應(yīng)力等計算結(jié)果偏小。設(shè)計單位未及時修正理正巖土軟件的計算偏差,導(dǎo)致上部墻體的設(shè)計截面偏于不安全。3.2漿砌石砂漿填充體根據(jù)現(xiàn)場檢測及調(diào)查的結(jié)果,可知該工程施工質(zhì)量存在以下問題:1)漿砌石砂漿填充不完全密實(shí),多個斷面存在孔隙、空洞等缺陷,極大地削弱了漿砌石的抗拉、抗剪能力;2)砂漿抗壓強(qiáng)度等級不滿足設(shè)計要求,影響了墻體的承載力。4片墻身不虛實(shí),成長不穩(wěn)定綜合上述分析表明,該擋土墻病害產(chǎn)生的主要原因是結(jié)構(gòu)形式不合理和局部地基承載力不夠而共同引起的不均勻沉降,同時片石墻身不密實(shí)也加劇了開裂的程度。這些病害如不采取合理的處治措施,會對擋土墻的正常使用產(chǎn)生危害,嚴(yán)重時可使擋土墻產(chǎn)生垮塌。本擋土墻工程屬于超高擋土墻,常見的增強(qiáng)超高擋土墻穩(wěn)定性的方法有錨桿結(jié)合格柵等結(jié)構(gòu)在墻外側(cè)組成加固體和注漿加固5拉拔螺紋鋼筋對側(cè)壁的抵抗拉應(yīng)力采用上述加固措施后,采用FLAC3D數(shù)值軟件對擋土墻在使用階段的應(yīng)力情況進(jìn)行進(jìn)一步分析計算,計算結(jié)果如圖9,10所示。從圖9可以看出,加固措施中3m長ue78820螺紋鋼筋在衡重臺下部抵抗拉應(yīng)力,表明所設(shè)置的螺紋鋼筋起到阻止裂縫向縱深方向發(fā)展的作用。圖10為擋土墻最小主應(yīng)力分布圖,主應(yīng)力為拉應(yīng)力,最大值為53.44kPa,明顯小于前面加固前的幾種工況,表明上述加固措施效果良好。6flac3有限差分軟件模擬計算分析在臨河防洪土建工程中,衡重式漿砌擋土墻是一種經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的防護(hù)支檔結(jié)構(gòu)。在墻后填土比較高的時候,常采用衡重式擋土墻。由于漿砌片石本身的抗拉、抗剪強(qiáng)度較低,漿砌片石擋土墻在不合理的設(shè)計和施工后,常出現(xiàn)開裂等病害影響。本文結(jié)合實(shí)際的衡重式漿砌片石擋土墻工程,通過現(xiàn)場檢測及FLAC3D有限差分軟件模擬計算,分析了擋土墻墻身開裂的主要原因及加固措施,得到以下結(jié)論:(1)擋土墻上墻身與衡臺連接處存在拉應(yīng)力區(qū),當(dāng)墻后土側(cè)壓力過大或者墻身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足時,墻身易產(chǎn)生開裂,進(jìn)而影響擋土墻整體的穩(wěn)定性。設(shè)計時,可以考慮在上墻身與衡臺連接處增設(shè)混凝土加強(qiáng)體。(2)擋土墻基礎(chǔ)前端下設(shè)單排抗滑樁的結(jié)構(gòu)形式不合理,會加大擋墻基礎(chǔ)兩