病险及旧挡土墙加固改造途径与措施探讨.docx

病险及旧挡土墙加固改造途径与措施探讨何善国（广西南宁水利电力设计院广西南宁530001）【摘要】叙述了病险及旧挡土墙加固改造的必要性，分析了挡土墙的一些病险病态和质量安全隐患表现及其成因，研究探讨了病险、旧重力式、衡重式挡土墙的加固改造途径与措施，并分析其适用条件和应注意的问题。【关键词】病险挡土墙 旧重力式挡土墙 病险病态表现 加固改造途径 加固改造措施【doi 编码】10.3969/j.issn.1672-2469.2013.02.010【中图分类号】tu476.4【文献标识码】b【文章编号】16722469（2013)020030052.1病险挡土墙病态表现及成因分析旧重力式挡土墙病险病态有多种直观表现， 如墙基下沉，混凝土结构表层碳化剥落，浆砌石 结构块石间胶结材料（水泥砂浆）老化脱落，分 缝上口宽度变大，分缝处墙体错位，墙体倾斜， 墙面或墙体局部开裂，墙体有贯穿性裂缝，墙趾 断裂等。造成这些病险有多方面的原因，一是结 构本身耐久性问题，即因长期持续受环境因素及 外力作用会使其材料疲劳或结构老化而致强度 降低、表层碳化或老化脱落；二是水文地质环境 变化。当墙基及墙后的地下水升高和岩土物理力 学指标降低，会造成墙背受到的压力增大；三是 工程勘察设计质量缺陷。当工程地质勘察工作深 度不足或无勘探成果时，往往容易造成基础设计 偏差或失误；四是施工质量缺陷。挡土墙工程建 设中可能存在因工程施工质量监理或监督不到 位，承建方没完全按设计图纸施工，如对软基或 地质软弱破碎带处理不彻底；擅自更改墙背回填 土材料；简化排水构造；改变分缝间隔；改变填 缝材料等，均可给挡土墙工程留下安全隐患；五 是运用管理不到位。设计对墙顶及墙后地面荷载 一般有控制要求，但当挡土墙运行期间经常出现 如长期在墙顶部或近墙顶地面堆放大于设计荷 载的静止货物或通行大于设计活荷载的机动车 辆等情况，会改变挡土墙的工作环境及受力条 件，给挡土墙安全造成不利影响。2.2挡土墙其他潜在安全隐患分析 1病险及旧挡墙加固改造的必要性重力式挡土墙作为一种挡土护坡建筑物或构筑物，在水利水电、城镇市政、交通、港口等 工程建设中使用比较广泛。作为人工建筑物或构 筑物，挡土墙和其他工程建筑物一样均有一定的 使用寿命或年限。在建成使用一段时期或临近生 命周期时，因环境因素及各种外力作用与影响， 挡土墙会出现一些病态，如结构表层碳化或老 化、结构开裂及变位等现象，说明挡土墙在地基 或基础稳定性及墙体结构方面有潜在的安全隐 患，需要加固治理。另一方面，由于工程施工期 或环境条件等因素的限制，一些挡土墙工程不宜 拆除重建，只能对原挡墙进行加固改造利用，如 加厚、加高及锚杆加固等。因此，通过对病险挡 土墙或旧挡土墙进行安全鉴定，针对找出的主病 因或隐患采取适用的加固措施，不仅可以解除其 安全隐患，避免挡土墙由病险演变成灾害性工程 事故，而且可以维持挡土墙的正常工作状态和延 长挡土墙的使用寿命。经质量检验及设计论证， 除了老化严重及加固修补代价太大确实需要拆 除重建之外，对旧挡土墙建筑物可采取适当的技 术改造与加固措施后加以利用。2挡土墙病险及安全隐患表现病险挡土墙往往有其自身的一些病态表现，可以通过现场检查发现。但有的旧挡土墙安全或 质量隐患，则通过结构检测和稳定性计算复核才 能发现。30何善国（1956 年 ），男，教授级高级工程师。科研管理水利规划与设计2013 年第 2 期当然，一些挡土墙在运用过程中并没有出现如上所述的病险病态，可能是工程建成运用以来 未遭遇到设计计算的最不利运行工况，但不等于 说这类旧挡土墙不存在任何安全风险。有的挡土 墙安全隐患是在安全鉴定中通过对挡土墙重新 进行稳定性计算复核后发现的，如通过对现状墙 背填土取样试验后发现，因受地下水等环境因素 长期的作用影响，填土材料物理力学指标已比原 设计取值偏低较多，这意味着作用于挡墙上的土 压力增大。对于原设计或早期工程建设时无工程 地质勘探资料的挡土墙工程，通过地质勘察可以 复核或验证原基础设计参数的正确性、合理性。 也不排除某些挡墙软岩基长期受渗透水压力作 用而发生软化、凝聚力降低或摩擦系数变小的可 能性。对原设计资料复核时发现原计算简图、物 理模型、计算参数选用不恰当，按实际情况计算 时发现挡土墙最小安全系数不满足现行规范要 求，地基应力分布状态很不合理，有的地基应力 状态在某种情况下出现恶化。通过现场检查发现 有的临河地段单位或个体为提高该地段的防洪 能力擅自加高挡土墙并相应填高该地段地面，短 期内似乎没有问题但长期来看可能存在安全隐 患。对此，应引起重视并进行结构稳定性复核， 对有潜在安全隐患的旧挡土墙均应及时进行除 险加固处理，以杜绝后患。（3）外置阻滑构筑物。在墙前地面设置支撑构筑物或在墙趾边外沿设置基础阻滑构筑物以 分担挡土墙所承受的水平滑动力，提高挡土墙的 抗滑稳定安全系数。（4）施加外力。即设置墙后拉杆、锚杆（或 预应力锚杆）并锚定于稳定岸体上或岩土层中， 通过拉杆或锚杆施加作用力以维持挡土墙的稳 定性。4加固改造措施探讨对病险及有质量安全隐患的旧挡土墙加固治理措施，可分地基及基础加固、墙身加固、锚（拉）杆加固、墙背填土置换、局部缺陷修补、 放缓墙顶以上边坡或降低墙后填土高程等，每种 加固措施均有其适用环境条件或工程条件，应根 据具体情况而选用。下面就前 4 种加固措施进行 探讨，并评述其适用性和注意事项。4.1 地基加固措施局部墙段建在持力层（或下覆）为一定厚度 的砂卵石层的中高挡土墙。工程建成使用过程中 可能因地下水位下降，或周边附近有抽水提灌取 水井，或基础工程深基坑开挖而抽水降低地下水 位，而地下水体流动可能逐步带走地基持力层的 细小沙土颗粒，造成砂卵石空隙崩塌，使挡土墙 地基出现逐渐下沉。对这类险情，当持力层（或 下覆）为厚度不是很大的砂卵石层，可采用水泥 或化学固结灌浆加固处理。其作用或目的是把沿 墙基纵轴方向一定宽度范围的沙土层或砂卵石 层固结固化成整体，以防止细小沙土颗粒进一步 流失和地基进一步下沉，从而维持地基和挡土墙 的稳定性。当勘察探明持力层下部局部有天然地质溶 洞，经论证其有潜在的地基安全隐患时，可采用 钻孔充填灌浆方法处理。这种地基加固措施适用于旧挡土墙地基砂 卵石层厚度不大，地下水流速很小，有合适的灌 浆施工场地的环境条件。但需注意的是，这种灌 浆加固后是否可能截断通向提灌取水井的地下 水通道或改变地下水渗流场；灌浆施工期对水质 是否产生不利影响；加固施工对挡墙的不利影 响；地下环境条件对灌浆加固效果的不利影响 等，应作调查评估。4.2 基础加固措施（1）墙前设置阻滑桩墩。经过验算，当原挡3加固改造途径病险及有安全隐患的挡土墙需要除险加固或旧挡土墙需要加固改造利用时，可以通过以下 加固途径来实现。（1）扩建墙基及增大墙身断面。通过扩大及 改建基础来改善地基应力条件，或增大墙身断面 几何尺寸，来增加墙的自重和结构强度，提高挡 墙稳定性。（2）减小墙背土压力。减小墙背土压力有多 种途径。一是改墙型，即在墙背下部增设衡重台 并改变下墙背坡系数，墙型由重力式变为衡重式 挡土墙；二是置换墙背填土材料并改善排水条 件，即用力学指标高的填土材料部分置换或全部 置换墙背后力学指标低的填土材料。更换排水效 果更佳的排水反滤设施；三是控制墙顶路面荷 载，如重型交通机具、临时堆积物等墙后地面活 荷载；四是放缓墙顶上边坡或降低墙后填土高程 等等。31科研管理水利规划与设计2013 年第 2 期土墙墙基应力条件和抗倾稳定性条件满足，而抗滑稳定安全系数不满足要求时，对于土基上的重 力式挡土墙，可考虑在墙趾前设置人工挖孔抗滑 桩，见图 1(a)。结构材料采用钢筋混凝土，桩 径、桩深及间距根据工程地质及受力条件由设计 计算确定。对于岩基上的重力式挡土墙，可考虑 在墙趾基础前设置混凝土阻滑墩或连续阻滑键， 见图 1(b)。墩（键）的几何尺寸及间距也是根 据墙基建基面力学指标和受力情况由设计计算 确定。图 2墙前扩大基础示意图但若不均匀沉降差继续发展可能会造成挡土墙的倾斜以致倒塌，可以采用墙前基础承托措施进 行及时处理。对于较软土基或人工处理地基，可 采用墩式支托或桩式支托加固，见图 3。其目的 及原理是将原作用于墙基上的部分垂直力分担 给桩（墩），通过桩（墩）传至桩（墩）底部承 载力高的下覆持力层地层。桩（墩）尺寸及间距 根据工程地质、受力条件和施工条件由设计计算 确定。图 1墙前设置阻滑桩(墩)示意图抗滑桩或阻滑墩与原墙趾之间接缝需固接或刚性填缝，如用微膨胀水泥拌和的混凝土填充 紧固。这种基础加固措施适用于墙前有空间余地 或合适的施工环境条件（如滨水岸墙外侧河边能 否围堰排水或枯水期水位是否低于墙趾处标高 等）和浆砌石挡土墙。对提高旧挡土墙抗滑稳定 性有帮助，但无助于旧挡土墙抗倾稳定性条件或 墙基应力条件的改善。（2）扩大墙前基础。经过验算，当挡墙加高 后抗滑稳定安全系数满足而墙基边缘垂直应力 条件不满足要求时，可通过增大基础与地基接触 面面积来改善地基应力条件。一般做法是在墙趾 前扩大钢筋混凝土基础，并与旧基础嵌套衔接， 见图 2。这种基础加固措施适用于墙前有空间余 地或施工场地，其中图 2(b)适用于旧墙基础为 混凝土结构且要求新旧混凝土间须充分咬合成 整体，可改善挡土墙抗倾稳定性和墙基应力条 件，也有利于提高旧挡土墙抗滑稳定性。（3）桩（墩）式支托。挡土墙加高（相应填 土加高）后，或墙后地面（路面）荷载变大，造 成墙背土压力增大，使挡土墙基础墙趾地基垂直 正应力变大，地基应力状态出现不均衡，也会使 土基尤其是人工填土地基出现不均匀沉降。这种 由较大的墙趾地基垂直正应力造成的不均匀沉 降，若沉降量差较小而基本稳定时不需要处理。32图 3桩墩式支托示意图当墙后紧邻重要设施（如房屋等）使旧挡墙 无法拆除，但墙前有空间余地、施工场地和刚度 强度均较大的混凝土结构旧墙基础，可采用这种 加固措施。建议下覆持力层埋深较浅时（如埋深 在 2.5m 以内）选用墩式支托；下覆持力层埋深 较大时（埋深大于 2.5m ）选用桩式支托。若欲 分担更大或承担全部墙基上的荷重，则扩大墩底 尺寸、支托梁尺度或减小桩墩间距。这种加固措 施不仅可改善挡土墙抗倾稳定性和墙基应力条 件，也有利于提高旧挡土墙抗滑稳定性。以上三种基础加固法需注意施工方法及顺 序，如分段跳槽施工，且待先施工段的混凝土强 度达到设计要求后，再进行后段开挖施工；先扩 大加固基础，后加高挡墙及填土，以求工程施工 安全。4.3墙身加固措施4.3.1墙顶部加高旧挡墙 旧墙混凝土基础配筋支托梁（a）墩式支托 （b）桩式支托混凝土墩钢筋混凝土挖孔桩旧挡墙旧墙混凝土基础旧挡墙 旧挡墙 后浇灌混凝土填封后浇灌混凝土填封混凝土阻滑墩 钢筋混凝（a）土基上的挡土墙 （b）岩基上的挡土墙土阻滑桩混凝土加高 挡墙加高旧挡墙旧挡墙 对旧墙基垂直面进行凿毛处理在旧墙基前凿成倒斜面（a）土基上的挡墙 （b）岩基上的挡墙基础墙前扩大钢筋混凝土填土加高填土加高科研管理水利规划与设计2013 年第 2 期经设计复核，发现原挡土墙的抗滑稳定安全系数有较大富余，而且墙基应力状态良好时。 若墙顶加高尺度不大，则直接在原挡土墙顶部 加高即可。若墙体加高尺度较大，加高后同时 加高墙背回填土。由于土压力增大使挡土墙的 稳定及应力 状态发生了 不利于安全 运用的情 况，则根据具体情况采用合适的加固措施，如 前面介绍的基础加固措施和以下介绍的有关加 固方法。4.3.2墙前加厚在墙前增设加厚面板，结构材料一般采用混 凝土或钢筋混凝土。新旧墙体间需要采取拉结粘 合措施，如在旧墙面上拉毛或凿毛，必要时设拉 结筋或锚固钢筋。旧墙体若为浆砌石结构，可在 旧墙体上设混凝土嵌固钉并与新墙面板一起浇 筑，增强新旧墙体的咬合力。一般做法是在旧墙 体间隔一定距离（一般为 1.01.5m 左右）挖出 一石块的宽度及深度（一般为 300400mm）的墙 洞，嵌固钉呈梅花形或品字形布置。加厚面板若 设锚固钢筋，锚固筋成梅花形布局，入旧墙内（需 水泥灌浆）长度不小于 500 mm（视旧墙体厚度而 定），入新墙内的钢筋头弯直钩，钢筋直径及锚 筋间距由设计计算确定，见图 4。原墙体进行加固。墙面和墙背两面均从基础做起。外包结构材料宜用混凝土，工程重要时可用 钢筋混凝土。4.4 变换墙型、置换回填土或更新排水设施原重力式挡土墙由于墙前环境限制不便在 墙前加厚或扩大墙前基础，而墙后有一定的施工 作业场地时，把墙背填土挖开，采用增设衡重台法即把原重力式挡土墙改造成衡重式挡土墙，见图 5(a)，以利用填土重和减小下墙背土压力。 下墙背坡 m3 取-0.35-0.5 或与原开挖边坡系数 协同。衡重台高度根据稳定性条件通过计算拟 定，一般取全墙高度的 1/31/2 较合适。土工检测或试验若发现原挡土墙回填土力 学指标值已发生变化，如内摩擦角值比原设计降 低了许多；现场检查发现排水设施已堵塞，排水 失效，导致墙后地下水位升高和下部回填土力学 指标下降。此时，用力学指标值较大的砂砾土或 拉筋土置换墙后旧的填土，并更换排水构造，疏 通墙身排水孔（若设墙后排水盲沟则需朝下游墙 段末端排水），也是原挡土墙除险加固的一种简 单有效方法，见图 5(b)。换填砂砾土旧挡墙图 5改墙型及置换回填土或排水设施示意图4.5施加外力加固措施4.5.1 锚杆（索）锚固原挡土墙的加固除了上述方法之外，锚杆（索）加固法也是常用的加固方法。对于中高挡 土墙，采用前述的方法可能造成土建工作量及工 程投资过大，此时采用锚杆（索）加固法更合适。 对于受力较大和安全问题更为突出的高挡土墙 工程，需要更大的锚固力，可选择预应力锚杆（或 锚索）加固法。在墙前对原挡土墙墙身及墙后边 坡岩土体进行机械钻孔造孔时，孔内安装上锚杆（索）后进行灌浆固结，施工原墙面锚固帽或压 梁（板），处理好锚杆（索）头部构造。锚杆材 料及型式、锚头及杆尾部构造，根据设计条件选图 4墙面增设混凝土面板示意图这种加固措施适用于墙前有加厚空间，而且不影响墙前过水能力。如水库溢洪道边墙、 河岸护坡堤墙等。对于过水断面相对较小的灌 溉渠道边墙若采用墙前加厚措施，则需验算是 否影响过流能力。4.3.3外层包裹加固原混凝土挡土墙表层碳化较严重或结构老化开裂；浆砌石挡土墙的水泥砂浆疲劳老化而粘 结强度大大降低；采用墙前加厚措施不能使新旧 结构有效粘结形成整体时，可以采用外层包裹法。即在墙面、墙顶、墙背三面设外包结构体对33填土加高旧挡墙（a）钢筋砼面板 （b）带锚钉砼面板钢筋砼面板锚筋原填土面线旧挡墙砼面板钉 锚筋砼锚混凝土加高 换填砂砾土砂石反滤料 原填土面线增设衡重台入旧墙体嵌固键 混凝土垫层（a）增设衡重台并置换回填土 （b）置换回填土及排水设施旧挡墙排水盲沟透水管多孔科研管理水利规划与设计2013 年第 2 期取与配置。对于原浆砌石挡土墙整体结构完好或为钢筋混凝土，墙后边坡岸体为稳定的自然岩（土）层时，采用锚杆（索）加固法可获得较好 的加固效果，见图 6(a)。锚杆（索）加固技术 可参考专业书籍介绍的方法进行设计，这里不作 介绍。岩基上的挡土墙抗剪断稳定安全系数由下式计算:kc=(fg +ca)/h（1）挡墙不扩基,仅加设垂直面板及加高墙顶并回填土时，经稳定性计算，正常工况下（墙前常 年水深 0.8m，墙后地下水深取 1/3 墙高）挡墙 抗剪断稳定安全系数 kc 为 2.838(按抗剪 kc 为1.274)，不满足现行设计规范要求，墙趾边缘垂直应力为 448.63kpa，超过地基承载力。墙踵边 缘垂直应力为 0 ，偏心距 e=1.12m 0.25b（1.025m），b=4.1m,墙基应力状态不佳。因此， 基础需要采取扩基加固措施，拟在墙趾外侧设置 钢筋混凝土阻滑键，阻滑键与旧基础混凝土嵌套咬合衔接形成基础整体。阻滑键宽 b2 由抗剪断稳 定公式计算拟定。图 6锚杆或拉杆加固示意图由式(1)和 a=l（b +b ）导出：12b2=（kch-f g）/c -b1/ l(2)4.5.2墙顶设墙后拉杆式中：kc 取 3.0。把旧墙底宽 b1（4.1m）、计算单元长 l（取 10m）、f、c和上述计算的水平 合力h（237.95kn）、垂直合力g（631.413kn）代入(2)式计算得，b2=0.917m。为了增加挡墙抗 剪断稳定安全富余度，同时为改善地基应力条件和与上部面板结合的需要，阻滑键宽 b2 取 1.8m， 厚取 1.1m。扩基加固后按式(1)计算得正常工况的挡墙抗剪断稳定安全系数 kc 为 3.538(按抗剪 kc 为 1.356)，墙趾边缘垂直应力 151.04 kpa， 墙踵边缘垂直应力为 76.92 kpa（最大、最小应原挡土墙结构为钢筋混凝土，且墙后有稳定的岸体并无地面建筑物，可考虑采用墙顶拉杆加 固法。即在原墙顶部沿纵向一定间隔位置布设拉 杆锚头连接点，在墙后稳定岸体地表层设锚固桩（墩）或坑埋混凝土地牛，再用拉杆连接后进行 封闭处理。拉杆锚头连接点构造视拉杆材料而 定，可