聚丙烯加筋土挡墙的失稳分析及加固措施

林 爽，程存江

（1.吉林省公路测设技术服务中心，吉林 长春 130021；2.吉林省交通规划设计院，吉林 长春 130021）

0 引 言

加筋土挡墙以其工程费用低、占地少、造型美观、对地基承载力要求低等优点而得到广泛的应用［1-3］。相关人员也对加筋土挡墙进行了大量研究：吴顺川采用双向斜拉预应力锚固方案对菏泽公铁立交加筋土挡墙外倾进行加固研究［4］；郭建新采用分层多次高压注浆预应力锚固技术对G102清龙河立交桥加筋土挡土墙外倾进行加固研究［5］；孙秀云采用双向斜拉锚杆对枣庄市G104界河立交桥加筋土挡土墙进行加固设计［6］。上述研究的核心都是遵循加固技术常规化、能有效抑制墙体变形、保障方案持久性，在力学机理方面具备整体支离性破坏和局部化变形2个方面的功能，但在采用对拉锚杆替代失效的原有聚丙烯拉带方面的研究较少。

2010年梅河口市百里花加筋土挡墙右侧第1～2道伸缩缝之间墙体整体倾覆，左侧1～2道伸缩缝之间墙体出现了较大的外鼓现象。其病害主要发生在挡墙上缘，墙体中下部并未出现病害，所以该挡墙的加固方案将以对拉锚杆加固挡墙上缘变形为主，以框架梁辅助其整体变形为辅，采用定向钻孔导架控制水平钻孔精度。

1 失稳原因

从现场调查情况分析，梅河挡墙失稳主要是由两个方面原因造成。

（1）路面严重损坏，雨水渗漏，造成墙内土体强度损失，与拉带的滞阻效应下降。特别是挡墙边缘土体已基本掏空，拉带处于裸露状态［7-9］。

（2）由于聚丙烯拉带为结构规整高度结晶化材料，其主要优点是熔点高、耐热、耐腐蚀，主要缺点是耐低温、抗冲击性差［10-11］。从现场调查也可以看出，聚丙烯拉带出现酥脆的位置主要集中在路面结构层30～40cm以及墙体边缘范围。这些位置恰恰是受车辆荷载影响最大、冬季温度极低的位置。

2 加固方案的选择

该加筋土挡墙高2.2～11.6m，面板为钢筋混凝土矩形槽板，拉筋为聚丙烯塑料拉带。其中整体倾覆的挡墙位于右侧第1～2道伸缩缝之间，左侧1～2道伸缩缝之间墙体也出现了较大的外鼓现象。全线挡墙在护栏底座下缘1～2块面板范围内均出现了面板外倾现象，外倾尺寸为6～7cm。挡墙拉带已经完全丧失了结构功效，轻微触碰即折断，搓捻成粉末状。

2.1 加固方案的限制条件

该处挡墙两侧已形成城镇化，拟采用的加固方案必须满足以下条件。

（1）需保证原工程的基本结构，加固方案应尽可能在保留原有挡墙优势的条件下，提升其强度及刚度［12］。

（2）该条路是梅河口市主要出城干道，施工封闭交通时间要尽可能缩短。

（3）施工工艺要相对简单。

2.2 加固方案的确定

梅河加筋土挡墙失稳位置在挡墙护栏底座下缘50～100cm范围内，属上部的劈裂张开，挡土墙中下部并未出现共轭剪切破坏。如采用斜向对拉预应力锚固方案，则原有挡墙中下部残余强度未被充分利用。同时，由于该挡墙路基断面仅为12m，若采用预应力锚杆，挡墙上部的锚固区布设长度不足；若采用高压注浆，则会增加路基工作区范围内的位移，操控性较差。

所以，本挡土墙拟采用对拉锚杆与钢筋混凝土框架梁联合处置加固措施，如图1所示，锚杆孔间采用注浆技术。在解决定向钻孔及注浆技术中的一些细节问题（如注浆孔距、浆液压力、注浆效果、定向钻进等）后，这种方案就成为一种简单有效的加固措施［13-15］。其主要设计参数如下。

图1 挡墙侧墙加固横断面

（1）初期支护。采用12cm钢筋网喷射混凝土进行初期支护。

（2）永久支护。框架梁采用35cm现浇钢筋混凝土；受弯钢筋采用Φ16mm钢筋；抗剪箍筋采用Φ10mm钢筋；锚杆采用HRB400Φ32mm钢筋。第一排横梁锚杆距竖梁顶面最小距离应保证为67.5 cm处，箱杆安装如图2所示。注浆采用M15水泥砂浆，压力不大于0.4MPa。

图2 锚杆安装

3 加固方案数值分析

为评价不同措施在失稳加筋土挡墙加固中发挥的作用，运用有限差分程序PLAXIS，采用数值模拟层次分析方法，分别对实施不同工程措施所产生的加固效果进行分析。

（1）模型采用弹塑性本构模型（MC模型），主要由以下6个屈服公式构成。

式中：fx为屈服函数；c为黏聚力（kN·m-2）；φ为材料内摩擦角（°）；σ′1为最大压缩主应力；σ′2为中间压缩主应力；σ′3为最小压缩主应力。

上述6个屈服函数可以共同表示主应力空间中的一个六棱锥。同时模型在屈服面相交中也做了特殊定义，即从一个屈服面到另一个屈服面采用的是数值变化，避免了棱角磨光。

边界条件模型两侧限制水平方向移动，底面限制垂直方向移动；不考虑活载作用；稳定评价采用强度折减系数法。

3.1 计算参数

加筋土挡墙内填土主要由亚黏土和砂土组成，各种材料的力学参数如表1～3所示，面板假设为刚性。

表1 挡土墙填土的力学参数

3.2 数值分析

本模型构建采用重力加载、固结计算、拉带失效、框架梁锚杆施工、加固稳定系数、拉带失效稳定系数6个步骤分析。由于位移增量、塑性破坏点对观察土体局部发生的变形及破坏较为明显，故本次仅对拉带失效和激活防护（框架梁锚杆）施工2个步骤中的位移增量、塑性破坏点进行分析。

表2 对拉锚杆的力学参数

表3 钢混框架梁的力学参数

（1）位移增量。从位移增量云图图3、4可以看到，拉带失效时位移增量最大发生位置为聚丙烯拉带失效位置附近，其中总位移最大增量为11.27×10-3m，水平向位移最大增量为8.38×10-3m。从位移增量云图图5、6可以看到，激活防护后位移增量最大发生位置在墙顶至拉带失效处，其中总位移最大增量为3.12×10-3m。

图3 拉带失效总位移增量云图

图4 激活防护总位移增量云图

图5 拉带失效水平位移增量云图

图6 激活防护水平位移增量云图

（2）脆性破坏点。从挡墙脆性破坏点的分布（图7）可以直观观察到：“拉带失效”土体脆性破坏点分布在整个拉带失效的范围，其中有783个脆性点；而激活防护后（图8），在面板附近已经没有脆性破坏点，仅在行车道路床范围存在205个脆性点，加固后脆性破坏点减少了73.8%。

（3）挡墙稳定分析。本挡土墙稳定计算采用强度折减法，将岩土体强度参数进行折减，进行有限元计算，如图9所示。若程序收敛，则岩土体仍处于稳定状态，然后再增加折减系数，直到程序恰好不收敛，此时的折减系数即为稳定安全系数。

从图9可以看出，稳定系数从拉带失效的1.05提高至激活框架梁的1.19，满足稳定要求。

4 施工机械对比

4.1 常规潜孔钻机

（1）采用常规潜孔钻机需要搭设工作平台，且每次换孔时都需要重新搭设平台、定位钻机，耗时费力。

（2）容易出现钻孔坍塌埋钻、探头石卡钻等复杂的孔内问题。

（3）由于钻机导向装置简单，难以实现精准的水平钻孔，且受到推进系统限制，钻进过程很难控制方向［16］。

图7 拉带失效脆性点分布

图8 激活防护脆性点分布

图9 强度折减收敛

4.2 某履带式潜孔钻机

某履带式潜孔钻机主要参数见表4。

表4 某履带式潜孔钻机主要参数

（1）钻具采用回转推进，具有高性能动力头装置和重力轴装置，使得钻机可以任意调整钻杆前后推进幅度，基本可避免卡钻和塌孔。

（2）钻机具有高精度、长导向系统，拖板带动动力头在其上前后滑动，钻进导向器与动力头回转中心高度同心，可充分保证钻机定位后的钻孔精度。

经过现场试孔，锚杆出孔位置水平偏差7～18cm，垂直偏差角度为0.5°，均满足设计要求。

5 结 语

采用挂网喷射混凝土、钢筋混凝土框架梁、双向对拉锚杆综合加固方案，并以有限差分程序模拟施工步骤，同时采用强度折减法分析结构整体在加固前后的稳定性。结果表明，该方案取得了预期工程效果，对于解决类似问题具有一定借鉴意义。