CN111291492B - 一种提升既有衡重式挡墙抗滑、抗倾覆安全性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升既有衡重式挡墙抗滑、抗倾覆安全性的方法，充分考虑了既有衡重式挡墙仍保留的部分承载能力，在既有衡重式挡墙前采用锚固桩加固后，提高了既有挡墙的抗力而提高了结构的抗滑、抗倾覆安全性，并根据既有衡重式挡墙和新建的锚固桩的受力来设计锚固桩的尺寸，相比较于现有技术，减小了锚固桩分担的荷载，对锚固桩的尺寸进行了优化，从而在保证安全性的前提下，降低了工程投资，提高了经济性。并且，锚固桩和衡重式挡墙之间采用钢筋锚固在一起，使之形成一个整体，结构整体性和抗震性能好。

Description

一种提升既有衡重式挡墙抗滑、抗倾覆安全性的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种提升既有衡重式挡墙抗滑、抗倾覆安全性的方法。

背景技术

在岩土工程中，为防止路基填土或山坡土体坍塌而修筑的承受土体侧压力的墙式构造物称为挡墙，挡墙被广泛地用于支撑路堤填土或路堑边坡，以及桥台、隧道洞口和河流堤岸等处。根据墙背倾斜情况，挡墙可分为俯斜式挡墙、仰斜式挡墙、直立式挡墙和衡重式挡墙等。其中，衡重式挡墙指的是利用衡重台上部填土的重力而墙体重心后移以抵抗土体侧压力的挡墙，由于其具有良好的收坡效果好已被大量广泛应用于填方地段。

但是，衡重式挡墙在实际使用过程中，易于受到地震、雨水侵蚀、地质条件变化等自然因素和早期施工的人为因素等影响，而出现了一定的滑动变形和外倾变形的病害，导致衡重式挡墙抗滑动或抗倾覆的稳定性降低。为了保护衡重式挡墙上方铁路、公路市政等主体工程的正常使用和运营，往往需要进行处理，工程上多采用拆除重建或加厚挡墙的方法。拆除重建可彻底根治问题但往往会影响既有工程项目的正常运营且投资大，经济效益和社会效益差；加厚挡墙往往是在挡墙外新建一个挡墙(如专利CN105604088A)，新建挡墙在设计时为了保守起见通常不考虑既有挡墙的作用而将所有荷载全部加载到新建挡墙上。

衡重式挡墙虽然出现了一定的滑动变形和外倾变形，但并没有完全倒塌或破坏，仍可以短期使用且具有一定的承载力。传统的新建挡墙的方法完全不考虑既有挡墙的承载能力，经济性较差，浪费工程投资。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的，在加固既有衡重式挡墙时不考虑既有衡重式挡墙的承载能力导致经济性低的问题，本发明提供了一种提升既有衡重式挡墙抗滑、抗倾覆安全性的方法，在保证安全性的前提下，提高经济性、节约工程投资。

一种提升既有衡重式挡墙抗滑、抗倾覆安全性的方法，采用锚固桩对既有的衡重式挡墙进行加固；其中，所述锚固桩的参数设计包括：

引入实际抗倾覆评估系数，描述衡重式挡墙实际力矩模型中的水平受力与竖向受力的关系；其中，所述实际力矩模型中的水平受力与竖向受力根据原设计的水平受力与竖向受力以及第一土压力修正系数得到；

引入实际抗滑移评估系数，描述衡重式挡墙实际受力模型中的水平受力与竖向受力的关系；其中，所述实际受力模型中的水平受力与竖向受力根据原设计的水平受力与竖向受力以及第二土压力修正系数得到；

根据所述第一土压力修正系数、所述第二土压力修正系数确定土压力修正系数，通过所述土压力修正系数对所述原设计的水平受力与竖向受力进行修正，得到实际水平受力与实际竖向受力；

引入目标抗倾覆系数，描述衡重式挡墙加固后力矩模型中的实际水平受力与实际竖向受力的关系；引入目标抗滑移评估系数，描述衡重式挡墙加固后受力模型中的实际水平受力与竖向受力的关系；

根据所述目标抗倾覆评估系数、所述目标抗滑移评估系数的值，计算加固后力矩模型中的锚固桩的受力；根据锚固桩的受力得到锚固桩的参数。

优选的，所述锚固桩设置在既有的衡重式挡墙的墙趾处，锚固桩沿既有的衡重式挡墙纵向布置，既有的衡重式挡墙与锚固桩之间通过连接钢筋和高强水泥砂浆连成整体，所述连接钢筋与既有的衡重式挡墙通过墙身钻孔后灌入的所述高强度水泥砂浆连接成一体，所述连接钢筋与所述锚固桩内的钢筋笼焊接而形成整体结构。

优选的，所述实际抗倾覆评估系数、所述实际抗滑移评估系数的值：根据挡墙变形与裂缝，对既有的衡重式挡墙的抗倾覆稳定性、抗滑移稳定性分别进行评估得到。

优选的，所述实际抗倾覆评估系数K₀₂：

其中，W为衡重式挡墙自重重力，单位为kN/m，W₁为衡重式挡墙上墙填土自重重力，单位为kN/m，Z_w为衡重式挡墙自重重心到倾覆计算点的水平距离，单位为m，Z_w1为衡重式挡墙上墙填土自重重心到倾覆计算点的水平距离，单位为m，Z_x为衡重式挡墙上墙土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离，单位为m，Z_y为衡重式挡墙上墙土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离，单位为m，Z_x1为衡重式挡墙下墙土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离，单位为m，Z_y1为衡重式挡墙下墙土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离，单位为m；E'_x为上墙实际土压力水平分力，单位kN/m；E'_y为上墙实际土压力竖向分力，单位kN/m；E'_x1为下墙实际土压力水平分力，单位kN/m；E'_y1为下墙实际土压力竖向分力，单位kN/m。

优选的，所述第一土压力修正系数ψ₁：

优选的，所述抗滑移评估系数K_C2：

其中，θ为既有衡重式挡墙墙底与水平面的夹角；f为基底摩擦系数。

优选的，第二土压力修正系数ψ₂：

优选的，所述目标抗倾覆评估系数K_op：

所述目标抗滑移评估系数K_cp：

其中，M为锚固桩对既有衡重式挡土墙墙趾的作用弯矩，单位kN.m/m；F为锚固桩对既有衡重式挡土墙墙趾的作用力，单位kN/m；ψ为土压力修正系数。

优选的，

所述目标抗倾覆评估系数的值：

K_op＝γ₁γ₂K₀₁

其中，

γ₁为结构重要性系数，不小于1.1；γ₂为施工综合影响系数，不小于1.0；

所述目标抗滑移评估系数的值：

K_op＝γ₁γ₂K₀₁

其中，

优选的，所述锚固桩的受力包括锚固桩合力F′和合力作用点距离墙趾距离h₀：

其中，l₀为锚固桩桩中心水平间距，单位m。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明充分考虑了既有衡重式挡墙仍保留的部分承载能力，在既有衡重式挡墙前采用锚固桩加固后，提高了既有挡墙的抗力而提高了结构的抗滑、抗倾覆安全性，并根据既有衡重式挡墙和新建的锚固桩的受力来设计锚固桩的尺寸，相比较于现有技术，减小了锚固桩分担的荷载，对锚固桩的尺寸进行了优化，从而在保证安全性的前提下，降低了工程投资，提高了经济性。并且，锚固桩和衡重式挡墙之间采用钢筋锚固在一起，使之形成一个整体，结构整体性和抗震性能好。

附图说明：

图1为本发明的步骤流程示意图。

图2所示为既有衡重式挡墙原设计时的受力示意图。

图3所示为既有衡重式挡墙施工运营后的实际受力示意图。

图4所示为加固后既有衡重式挡墙和锚固桩的荷载示意图。

图5所示为既有衡重式挡墙锚固桩加固结构横断面示意图。

图6所示为既有衡重式挡墙锚固桩加固结构立面示意图。

图7所示为既有衡重式挡墙实例横断面示意图。

图中标记：1-既有衡重式挡墙，2-锚固桩，3-连接钢筋，4-高强度水泥砂浆，5-钢筋笼，6-地面线，7-主体结构。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

本发明提出的一种提升既有衡重式挡墙1抗滑、抗倾覆安全性的方法，如图1所示，包括步骤：

S100根据安全评估方法和手段，对既有衡重式挡墙1的抗倾覆稳定性进行评估，得到抗倾覆稳定性评估安全系数，即实际抗倾覆评估系数K₀₂；对既有衡重式挡墙1的抗滑动稳定性进行评估，得到抗滑动稳定性评估安全系数，即实际抗滑移评估系数K_C2；

S200根据衡重式挡墙1的结构以及实际抗倾覆评估系数、实际抗滑移评估系数，得到土压力修正系数；

根据工程经验和土压力理论，如图2、图3、图4、图5，假定土压力的作用点、作用方向不变而仅大小发生变化。由于土体破坏模式为简单的楔体破坏，衡重式挡墙1的实际土压力相对于设计时的土压力可简化为均匀变化，即(式1)所示

E'_x＝ψE_x；E'_y＝ψE_y；E'_x1＝ψE_x1；E'_y1＝ψE_y1； (式1)

式中：ψ——土压力修正系数

E_x——上墙设计土压力水平分力(kN/m)

E_y——上墙设计土压力竖向分力(kN/m)

E_x1——下墙设计土压力水平分力(kN/m)

E_y1——下墙设计土压力竖向分力(kN/m)

E'_x——上墙实际土压力水平分力(kN/m)

E'_y——上墙实际土压力竖向分力(kN/m)

E'_x1——下墙实际土压力水平分力(kN/m)

E'_y1——下墙实际土压力竖向分力(kN/m)

根据现场对既有衡重式挡墙1实际抗倾覆评估系数K₀₂，计算土压力修正系数ψ。

联立(式1)和(式2)，得到土压力修正系数ψ，如(式3)所示

式中：

W——自重重力(kN/m)

W₁——上墙填土自重重力(kN/m)

Z_w——自重重心到倾覆计算点(墙趾)的水平距离(m)

Z_w1——上墙填土自重重心到倾覆计算点的水平距离(m)

Z_x——衡重式挡墙1上墙土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离(m)

Z_y——上墙土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离(m)

Z_x1——下墙土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离(m)

Z_y1——下墙土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离(m)

其余——见(式1)

根据现场对既有衡重式挡墙1实际抗滑移评估系数K_C2，计算土压力修正系数ψ。

联立(式1)和(式4)，得到土压力修正系数ψ，如(式5)所示

式中：

θ——墙底与水平面的夹角

f——基底摩擦系数

其余——见(式1)和(式2)

取(式3)和(式5)的大值作为土压力修正系数ψ(ψ应不小于1.0)，如(式6)所示

将土压力修正系数ψ代入(式1)即可得到上墙实际土压力水平分力E'_x、上墙实际土压力竖向分力E'_y、下墙实际土压力水平分力E'_x1、下墙实际土压力竖向分力E'_y1。

S300增加使抗倾覆评估系数与抗滑移评估系数达到目标值的锚固桩2，根据土压力修正系数得到锚固桩2的受力情况；

在既有衡重式挡墙1前设置锚固桩2后，提高了既有挡墙的抗力，挡墙的抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性的系数均提高。由于土压力客观存在且施工对挡墙扰动较小，可认为设置锚固桩2后既有挡墙墙后土压力不变。

根据目标抗倾覆评估系数K_op，计算锚固桩2对既有衡重式挡墙1墙趾的作用弯矩。

K_op＝γ₁γ₂K₀₁ (式8)

式中：M——锚固桩2对既有衡重式挡墙1墙趾的作用弯矩(kN.m/m)；

K₀₁——原设计抗倾覆评估系数；

γ₁——结构重要性系数，不小于1.1；

γ₂——施工综合影响系数，不小于1.0

其余——见(式1)和(式3)

联立(式7)、(式8)和(式9)，得到锚固桩2对既有衡重式挡墙1墙趾的作用弯矩M，如(式10)所示

M＝(γ₁γ₂ψ-1)(WZ_w+W₁Z_w1)+(γ₁γ₂ψ-ψ)(E_yZ_x+E_y1Z_x1) (式10)

根据目标抗滑移评估系数K_cp，计算锚固桩2对既有衡重式挡墙1墙趾的作用力F。

K_cp＝γ₁γ₂K_C1 (式12)

式中：F——锚固桩2对既有衡重式挡墙1墙趾的作用力(kN/m)；

K_C1——原设计抗滑移评估系数；

γ₁——结构重要性系数，不小于1.1；

γ₂——施工综合影响系数，不小于1.0

θ——既有衡重式挡墙1墙底与水平面的夹角

f——基底摩擦系数

其余——见(式1)和(式3)

联立(式11)和(式12)，得到锚固桩2对既有衡重式挡墙1墙趾的作用力F，如(式13)所示

进一步,计算锚固桩2受到既有衡重式挡墙1的合力和合力作用点，最终得到锚固桩2的受力，如(式14)、(式15)所示。

其中：

式中：F′——锚固桩2受到既有衡重式挡墙1的水平推力的合力(kN)

h₀——水平推力合力作用点距离墙趾的竖向距离(m)

l₀——锚固桩2桩中心水平间距(m)

ψ——土压力修正系数

γ₁——结构重要性系数，不小于1.1；

γ₂——施工综合影响系数，不小于1.0

θ——既有衡重式挡墙1墙底与水平面的夹角

f——基底摩擦系数

S400根据锚固桩2的受力情况，设计锚固桩2的尺寸；

得到锚固桩2合力F′和合力作用点距离墙趾距离h₀以后，可按照常规锚固桩2的计算设计出桩的尺寸。

实施例2

如图7，已知某单线I级铁路路堤既有衡重式挡墙1，该挡墙墙高4.0m，埋深1.4m，具体结构尺寸如下：墙顶宽0.6m，台宽0.4m，面坡倾斜坡度为1:0.05，上墙背坡倾斜坡度为1:0.45，下墙背坡倾斜坡度为1:0.25，墙趾台阶宽为0.2m，墙趾台阶高为0.4m，墙趾台阶与墙面坡坡度相同，墙底倾斜坡率为0.200:1，基底摩擦系数f为0.35。

根据安全评估方法和手段(根据变形和裂缝的情况进行评估)，对既有衡重式挡墙1的抗倾覆和抗滑动稳定性进行评估，分别得到实际抗倾覆评估系数和实际抗滑动评估系数K₀₂＝1.4和K_C2＝1.1。

根据原设计文件，得到设计的既有衡重式挡墙1受到挡墙自重W＝129.813kN/m、上墙填土自重W₁＝23.742kN、上墙设计土压力水平分力E_x＝22.962kN/m、上墙设计土压力竖向分力E_y＝21.985kN、下墙设计土压力水平分力E_x1＝56.763kN、下墙设计土压力竖向分力E_y1＝3.436kN；自重重心到倾覆计算点(墙趾)的水平距离Zw＝0.986m、上墙填土自重重心到倾覆计算点的水平距离Z_w1＝1.661m、上墙土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离Zx＝2.024m、上墙土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离Zy＝3.026m、下墙土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离Z_x1＝1.749m、下墙土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离Z_y1＝0.918。

结合现场对既有衡重式挡墙1实际抗倾覆评估系数K₀₂＝1.4，对既有衡重式挡墙1实际抗滑移评估系数K_C2＝1.1，得到土压力修正系数ψ，如(式16)所示。

在既有衡重式挡墙1前设置锚固桩2后，提高了既有挡墙的抗力，从而提高抗倾覆和抗滑移稳定性。假定该铁路工程结构重要性系数γ₁＝1.1，施综合影响系数γ₂＝1.1。锚固桩2桩顶距离墙趾的竖向距离h＝4.0m，锚固桩2桩中心间距l₀＝4.0m。

结合原设计情况，计算原设计抗滑移评估系数：

进一步，计算锚固桩2受到既有衡重式挡墙1的合力作用力F′和合力作用点距离墙趾高度h₀，如(式18)和(式19)所示。

在现场施工，施工工艺步骤如下：

1.在既有衡重式挡墙1的临空侧墙身钻孔，插入连接钢筋3，采用高强度水泥砂浆4灌浆封闭；

2.在既有衡重式挡墙1墙趾外侧开挖桩孔，吊装钢筋笼5，将连接钢筋3与钢筋笼5连接成整体；

3.立模浇筑锚固桩22；

重复1-3步，施工下一根锚固桩2，也可以按1-3步同时施工下一根锚固桩2(但应隔桩施工)，直至工程施工完成，如图6。

在常规的设计中，是不考虑既有衡重式挡墙1的承载作用。经对比分析，可知当不考虑既有衡重式挡墙1承载作用时，锚固桩2墙趾以上部分受到的合力为277.213kN，锚固桩2墙趾以上部分受到的弯矩为522.917kN.m；当考虑既有衡重式挡墙1承载作用后，锚固桩2墙趾以上部分受到的合力F＝445.986kN，锚固桩2墙趾以上部分受到的弯矩M＝680.189kN.m。可见采用本方法后，作用力F减小了37.8％，作用弯矩M减小了23.1％，大大减小锚固桩2的荷载，从而减小锚固桩2的大小和桩长，具有很好的经济性。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种提升既有衡重式挡墙抗滑、抗倾覆安全性的方法，其特征在于，采用锚固桩对既有的衡重式挡墙进行加固；其中，所述锚固桩的参数设计包括：

引入实际抗倾覆评估系数，描述衡重式挡墙实际力矩模型中的水平受力与竖向受力的关系；其中，所述实际力矩模型中的水平受力与竖向受力根据原设计的水平受力与竖向受力以及第一土压力修正系数得到；

引入实际抗滑移评估系数，描述衡重式挡墙实际受力模型中的水平受力与竖向受力的关系；其中，所述实际受力模型中的水平受力与竖向受力根据原设计的水平受力与竖向受力以及第二土压力修正系数得到；

根据所述第一土压力修正系数、所述第二土压力修正系数确定土压力修正系数，通过所述土压力修正系数对所述原设计的水平受力与竖向受力进行修正，得到实际水平受力与实际竖向受力；

引入目标抗倾覆系数，描述衡重式挡墙加固后力矩模型中的实际水平受力与实际竖向受力的关系；引入目标抗滑移评估系数，描述衡重式挡墙加固后受力模型中的实际水平受力与竖向受力的关系；

根据目标抗倾覆评估系数、所述目标抗滑移评估系数的值，计算加固后力矩模型中的锚固桩的受力；根据锚固桩的受力得到锚固桩的参数；

所述锚固桩设置在既有的衡重式挡墙的墙趾处，锚固桩沿既有的衡重式挡墙纵向布置，既有的衡重式挡墙与锚固桩之间通过连接钢筋和高强水泥砂浆连成整体，所述连接钢筋与既有的衡重式挡墙通过墙身钻孔后灌入的高强度水泥砂浆连接成一体，所述连接钢筋与所述锚固桩内的钢筋笼焊接而形成整体结构；

所述实际抗倾覆评估系数、所述实际抗滑移评估系数的值：根据挡墙变形与裂缝，对既有的衡重式挡墙的抗倾覆稳定性、抗滑移稳定性分别进行评估得到；

所述实际抗倾覆评估系数K₀₂：

其中，W为衡重式挡墙自重重力，单位为kN/m，W₁为衡重式挡墙上墙填土自重重力，单位为kN/m，Z_w为衡重式挡墙自重重心到倾覆计算点的水平距离，单位为m，Z_w1为衡重式挡墙上墙填土自重重心到倾覆计算点的水平距离，单位为m，Z_x为衡重式挡墙上墙土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离，单位为m，Z_y为衡重式挡墙上墙土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离，单位为m，Z_x1为衡重式挡墙下墙土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离，单位为m，Z_y1为衡重式挡墙下墙土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离，单位为m；

为上墙实际土压力水平分力，单位kN/m；

为上墙实际土压力竖向分力，单位kN/m；

为下墙实际土压力水平分力，单位kN/m；

为下墙实际土压力竖向分力，单位kN/m；

所述第一土压力修正系数

：

；

所述实际抗滑移评估系数K_C2：

其中，θ为既有衡重式挡墙墙底与水平面的夹角； ƒ为基底摩擦系数；

第二土压力修正系数

：

；

根据目标抗倾覆评估系数K_op，计算锚固桩对既有衡重式挡墙墙趾的作用弯矩；

得到锚固桩对既有衡重式挡墙墙趾的作用弯矩M，

根据目标抗滑移评估系数K_cp，计算锚固桩对既有衡重式挡墙墙趾的作用力F；

得到锚固桩对既有衡重式挡墙墙趾的作用力F，

计算锚固桩受到既有衡重式挡墙的合力和合力作用点，最终得到锚固桩的受力，

其中：

根据锚固桩的受力情况，设计锚固桩的尺寸；

得到锚固桩合力F＇和合力作用点距离墙趾距离h₀以后，计算设计出桩的尺寸；

式中：M——锚固桩对既有衡重式挡墙墙趾的作用弯矩；K₀₁——原设计抗倾覆评估系数；γ ₁ ——结构重要性系数，不小于1.1；γ ₂ ——施工综合影响系数，不小于1.0；ψ——土压力修正系数；E _X ——上墙设计土压力水平分力（kN/m）； E _y ——上墙设计土压力竖向分力（kN/m）；E _X1 ——下墙设计土压力水平分力（kN/m）；E _y1 ——下墙设计土压力竖向分力（kN/m）；

——上墙实际土压力水平分力（kN/m）；

——上墙实际土压力竖向分力（kN/m）；

——下墙实际土压力水平分力（kN/m）；

——下墙实际土压力竖向分力（kN/m）；W——自重重力（kN/m）；W₁——上墙填土自重重力（kN/m）；Z_w——自重重心到倾覆计算点的水平距离（m）；Z_w1——上墙填土自重重心到倾覆计算点的水平距离（m）；Z_x——衡重式挡墙上墙土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离（m）；Z_y——上墙土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离（m）；Z_x1——下墙土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离（m）；Z_y1——下墙土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离（m）；F——锚固桩对既有衡重式挡墙墙趾的作用力（kN /m）；K_C1——原设计抗滑移评估系数；θ——既有衡重式挡墙墙底与水平面的夹角；ƒ——基底摩擦系数；F＇——锚固桩受到既有衡重式挡墙的水平推力的合力（kN）；h₀——水平推力合力作用点距离墙趾的竖向距离（m）；l₀——锚固桩桩中心水平间距（m）。

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