一种用于深厚填土区超高挡土墙外倾加固的技术应用研究—以南宁某项目超高挡土墙为例

一种用于深厚填土区超高挡土墙外倾加固的技术应用研究—以南宁某项目超高挡土墙为例

方赟松

上海工谷土木工程技术有限公司

摘要：挡土墙在土木工程领域有着广泛的运用，挡土墙对控制土体的稳定及变形起着至关重要的作用。随着建筑技术的变革挡土墙也在不断的发展变化，目前出现了越来越多的超高挡土墙。一旦挡土墙出现问题，直接影响上部建筑物的使用安全。本文结合了某高填土区域上的挡土墙加固设计及实施的案列，通过试验并结合现场实际情况得出挡土墙下及墙后填土物理力学参数的取值，分析了挡土墙受力形式及产生病害的原因，探讨了各种加固方法对于本项目的适用性、经济性，最终采用了增设扶壁墙、施加预应力、墙后填土固化以及结合高压旋喷组合桩的方法对超高挡土墙进行了加固。经过一年的持续监测，结果表明该加固方法有效的控制了该深厚填土区域超高挡土墙多年持续外倾的状态，使得挡土墙的安全性得到了充分的保证。

关键词：高压旋喷组合桩、预应力、扶壁墙、超高挡土墙、土体参数

引言

当一般的挡土墙出现问题时，常用的加固方法有采用锚杆加固、对挡土墙进行截面加大、采用多级挡土墙等。但在实际项目实施过程中挡土墙墙后填土本身不密实无法实施锚杆，碰上超高的重力式挡土墙等一般的加大截面无法从根本上解决问题、当挡土墙下地基土本身存在固结压缩沉降时很难再对地基土进行加固。而挡土墙出现问题时往往伴随的是挡土墙墙下地基土不稳定以及挡土自身不满足使用要求。针对现有超高挡土墙加固技术的缺陷，经过多年的工程经验现提出一种用于深厚填土区超高挡土墙外倾加固的方法，用于解决在深厚填土区域同时出现挡土墙墙下地基土不稳定和挡土自身不满足使用要求时的加固。

1项目概况

南宁综合保税区新加坡物流产业园A、B地块项目位于南宁市良庆区南宁综合保税区银良路北侧。整个场区场地原地势起伏较大，且为大面积的新近填土，填土厚度0~30m左右，堆填时间约6年，来源为场地周边道路及场地平整所堆填，尚未完成自重沉实，土质均匀性及密实性差，松散～稍密状。

本项目设计使用年限50年、抗震设防烈度7度。物流仓库为中型存储型物流建筑。物流建筑安全等级为二级，建筑耐火等级为一级、储存物品类别为丙2类。项目由1#、2#、3#厂房组成，均为多跨门式钢架结构，建筑高度均为14.8m。设计基础采用独立基础，基础等级为乙级。基础埋深-2.300~-3.000m，+0.000标高相对于绝对标高为147.400m。 基础混凝土等级为C30，基础底部配筋为12@150或14@150。基础持力层为经处理后的强夯土层，经强夯处理后的地基承载力特征值：fak≥180kpa，压缩模量Es不小于8MPa。

其中3#厂房建造在高位填土上，厂房地面标高高于周边道路，厂房四周设置挡土墙。挡土墙竣工后，东北侧超高挡土墙发生外倾现象，其余区域挡土墙未发生明显病害，情况较好。在2019年至2021年期间，针对3#厂房东北侧超高挡土墙进行过两次加固，但不均匀沉降及外倾仍旧未收敛。最后采用本文中介绍的加固方法，有效的控制了挡土墙外倾现象。

图1 加固前挡土墙照片                      图2 加固后挡土墙照片

2 工程场地概况

工程场地地貌上属剥蚀残丘地貌，原场地地势有一定起伏，局部起伏较大。场地现基本整平，地势大致为南部高北部低。场地地层从上到下分为第四系人工填土（Q4ml）、和第四系残积（Q3el）成因的混角砾粉质粘土及角砾。依钻探揭露，场地地基土层自上而下叙述如下：

1）填土①层（Q4ml）：黄褐色、褐色，稍湿，主要由黏性土组成，含角砾、碎石及少量植物根须。为新填土，堆填时间约4年，来源为场地周边道路及场地平整所堆填，尚未完成自重沉实，土质均匀性及密实性差，松散～稍密状，属中～高压缩性土，层厚0.8～30.2m。

2）混角砾粉质粘土②层（Q3el）：黄褐色、灰褐色，硬塑状，局部坚硬状，混有20%～35%不等的角砾，成分以硅质岩、灰岩为主，棱角状，遇水扰动易塌孔，层厚1.2～17.8m。

3）混角砾粉质粘土②1层（Q3el）：黄褐色、灰褐色，可塑状，混有20%～32%不等的角砾，成分以硅质岩、灰岩为主，棱角状，遇水扰动易塌孔，属中等缩性土，层厚4.9～7.6m。

4）角砾③层（Q3el）：褐黄色，灰褐色，中密状~密实状，稍湿，粒径一般为2mm~20mm，个别最大达45mm，遇水扰动易塌孔，中等压缩性，层厚2.7～23.0m。

表1 土层参数表

根据上述地勘揭露土层的特性可以基本判定，挡土墙下土层的高压缩性及遇水后不稳定也是造成挡土墙不稳定的一大因素。

3 挡土墙加固前概况

3.1 挡土墙设计截面尺寸

该场地挡土墙墙主要为衡重式挡土墙，挡土墙材质为C15毛石混凝土，墙后填土分层夯实。墙身总高约10m，上墙高 3.5m，墙顶宽1m，台宽0.4m，上墙背坡倾斜坡度 1：0.628，下墙背坡倾斜坡度：1：0.000。采用1个扩展墙址台阶，

3.2 挡土墙外倾情况

场地东北侧挡土墙上部存在明显的外倾，东北侧挡墙底部路面呈现明显的下凹，挡土墙未存在滑移现象。挡土墙下原始地面为陡坡，北侧低、南侧高，填土厚度南北差异大。现场挡土墙已出现明显的外倾下沉现象，外倾量约30cm，如下图4：

图3：衡重式挡土墙示意图（单位：mm）

图4：挡土墙病害图

4 挡土墙外倾原因分析

4.1 设计时力学参数取值偏差大

由于杂填土层的土性指标离散性大，且回填土状态松散，大部分关于土力学性能的检测实验无法实施，地勘报告无法给出大部分具体设计参数。挡土墙设计时力学指标需由设计人员凭经验判断取用，验算结果可靠度不足。因此应该结合挡土墙的实际变形、病害现状和监测数据综合分析、才能作出正确判断。

4.2 超高挡土墙外倾情况描述

1）经现场检查，挡土墙未有明显的水平滑移迹象，邻边道路平整未发生上隆等受侧向挤压的现象；

2）东侧挡土墙的分仓缝变形与北侧挡土墙的斜向开裂均表明角部挡土墙沉降相对较大，即存在纵向不均匀沉降；

3）角部挡土墙存在明显的横向不均匀沉降并且导致墙体外倾、分仓缝顶部错位明显（可见图4，顶部外倾严重，底部基本稳定）。

4）挡土墙场地暂时未发现整体稳定性方面的不良迹象。

5）场区内其他区域类似挡土墙安全性验算结果和角部（东北侧）挡土墙基本一样，但是非角部的挡土墙使用正常，并无明显的过于外倾现象。

4.3 超高挡土墙位移监测情况

挡土墙沉降与倾斜监测报告表明，挡墙沉降仍处于不稳定状态，挡墙上口的外倾有相应比例的变化。

4.4 超高挡土墙外倾结论

综合判断，超高挡土墙沉降过大与外倾变形的主要原因为：

1）地基承载力严重不足、墙底地基附加应力差异过大。

2）高位后填土在角部的侧向（主动）压力分布不同于其它部位，角部挡土墙处填土层往往存在侧压力集中现象，平面上挡土墙角部存在拉力（或视为水平剪力）作用，本角部本来不应设置分仓缝，因此转角部位的几条分仓缝不当设置也是引发不利变形的主要原因之一

3）挡土墙的抗倾覆和抗滑移（邻边分层碾压致密道路与路基层起到一定的保护作用）是造成挡土墙外倾的次要原因。

5 挡土墙现状的计算分析

5.1 挡土墙现状参数取值

采用理正岩土8.0对挡土墙进行验算，根据现场实际情况及地勘报告，计算参数取值如下表2：

表2：现状物理参数表

5.2 挡土墙验算结果

1）挡土墙滑移稳定性计算

计算如下：

基底倾斜角度 = 5.143度

Wn= 804.098kN，En= 215.376kN，Wt= 72.369kN， Et = 451.184kN。

滑移力= 378.815kN，计算抗滑力= 407.789kN。

滑移验算不满足：Kc= 1.076 <= 1.300

地基土层水平向滑移力为468.674kN，抗滑力为499.269kN。

地基土层水平向滑移验算不通过：Kc2 = 1.065 <= 1.300

2）挡土墙倾覆稳定性计算

以墙趾为转动点,墙身自重计算力臂Zw = 2.558 m，上墙Ey计算力臂Zx = 3.942 m,上墙Ex计算力臂Zy = 7.936 m，下墙Ey计算力臂Zx3 = 4.598 m，下墙Ex计算力臂Zy3= 2.572 m

倾覆力矩为1914.491kN.m，抗倾覆力矩为2872.486kN.m。

抗倾覆计算不通过：K0= 1.500 <= 1.600

3）地基承载力及偏心距计算

基础采用天然地基，本次验算墙底的偏心距及压应力。取倾斜基底的倾斜宽度验算地基承载力和偏心距。作用在基础底竖向力总合为1019.474kN，墙趾下点弯矩总合为957.995kN.m。

基础底宽度：B= 4.617 m，偏心距e = 1.369m。基础底合力作用点与基础趾点的距离：Zn =0.940m。压应力：趾部为723.265kPa。

作用于基底的合力偏心距验算不满足：e=1.369 > 0.250×4.617 = 1.154m；

墙趾处地基承载力不够：压应力=723.265 > 216.000kPa；

地基平均承载力不够：压应力=220.829 > 180.000kPa。

计算结果表明：1、抗滑移验算Kc=1.076，抗倾覆K0=1.500，地基平均压应力220kPa,最大压应力723kPa。因三项主要参数验算中，抗滑移和地基承载力安全系数最小，抗倾覆基本满足。

根据现场病害，挡土墙水平滑移基本没有或很小，挡墙几乎无滑移。根据计算结果挡土墙倾覆前应先滑移，由此判断挡土墙倾斜非抗倾覆原因。根据各项稳定系数余量，挡土墙最先出现破坏的应为滑移或地基承载力不足的不均匀沉降。倾斜基本可以确定为地基承载力及变形原因。故而，进一步加强角部挡土墙的地基承载力、控制后期差异沉降是解决本角部挡土墙病害问题的主要途径。

6 挡土墙加固方案

6.1 加固场地土性概况

挡土墙交工使用两年以来，随着基底一定厚度的土层压密使基底摩擦系数有所提高，墙背填土缓慢沉陷固结度得以提高使墙背（主动）土压力有所降低，有利于挡土墙的抗滑移、抗倾覆安全。另一方面，由于本项目为6年前完成的大面积深厚填土场地，前期填土经过强夯处理，处理后的工程地质勘察报告显示，填土层总体上比较松散，所以本次加固应该予以考虑。当然非角部挡土墙使用正常，虽然安全性验算存在同样不足，但基于实际状况不予处理。所以，本次解决方案仅处理角部挡土墙即可，并着重于提高挡墙地基控沉性能兼加强抗倾覆、抗滑移能力。

6.2 挡土墙加固主要思路

挡土墙加固的主要思路为：在挡土墙内外两侧分别增设一排水泥土钢管组合桩，外侧为承压控沉桩、内侧为承压抗拔桩，桩基承载力取用考虑负摩阻力因素。具体如下：

1）外排桩通过新增条形承台与墙趾连成一体，在降低外侧基底附加应力同时，挡墙转动点外移提高了挡墙抗倾覆力距；

2）内排桩在降低内侧基底附加应力同时，同时增加抗拔力提高抗倾覆能力；

3）挡墙外道路做好后形成了1.5m厚的被动土层，高喷桩施工时产生的浆液渗透固结作用有利于墙底摩擦系数有所提高，抗滑移能力也得到加强。

图5：挡土墙加固示意图

7 挡土墙加固后理论验算

加固工程设计按照最不利因素验算安全性，即墙背回填土层折算内摩擦角φ取20°（原设计取为38°）、基底摩擦系数取0.40。经过验算，加固后挡土墙的抗倾覆、抗滑移、地基承载力三方面验算均满足现行建筑地基与基础设计规范、建筑边坡工程技术规范要求。

7.1 加固后挡土墙参数取值

表3：加固后挡土墙物理参数表

7.2  加固后挡土墙验算结果

计算10.580m处的主动土压力。

上墙土压力，按墙背计算得到第1破裂角=28.440度。

Ea=163.810kN，Ex=57.562kN，Ey=153.363kN，作用高度Zy=1.422m。

本挡土墙为俯斜墙背，计算后发现第二破裂面存在：第2破裂角=20.554度，第1破裂角=26.604度。

Ea=120.314kN，Ex=63.800kN，Ey=102.005kN，作用高度Zy=1.619m。

下墙土压力，按力多边形法计算：破裂角为28.368度。

Ea=244.559kN，Ex=232.590kN，Ey=75.573kN，作用高度Zy=2.880m。

墙身截面积= 34.132（m2），重量= 785.036kN。衡重台上填料重为57.012kN。

1）滑移稳定性计算

基底摩擦系数取 0.350，其中倾斜基底增强抗滑动稳定性,计算如下：

基底倾斜角度为5.711度

Wn= 837.869kN，En= 206.189kN，Wt= 83.787kN，Et= 277.249kN。

滑移力= 277.249 - 83.787= 193.462kN；

抗滑力=（837.869 + 206.189）×0.350= 365.420kN；

滑移验算通过：Kc=1.889 > 1.300。

地基土层水平向滑移：

滑移力= 63.800 + 232.590= 296.389kN，

抗滑力=（1019.626 + 30.276）×0.500= 524.951kN，

地基土层水平向滑移计算通过：Kc2=1.771 > 1.300。

2）倾覆稳定性验算

墙趾为转动点,自身重力计算力臂Zw= 3.592m；上墙Ey计算力臂Zx=5.193m；上墙Ex计算力臂Zy=7.619m；下墙Ey计算力臂Zx3=5.800m；下墙Ex计算力臂Zy3=2.300m。

计算挡土墙的倾覆稳定性

倾覆力矩= 1020.939kN.m，抗倾覆力矩= 4048.537kN.m。

抗倾覆计算通过：K0= 3.966 > 1.600。

3）地基应力及偏心距验算

基础采用天然地基，本次验算墙底的偏心距及压应力。倾斜基底的倾斜宽度验算地基承载力和偏心距。基础底竖向力总合为1044.057kN，墙趾下点弯矩总合为3027.598kN.m。

基础底面宽度B= 5.829m，偏心距e = 0.015m，基础底面合力作用点距离基础趾点的距离 Zn=2.900m。

压应力计算结果：趾部为181.813kPa，踵部为176.420kPa。

最大应力与最小应力比值：181.813 / 176.420 = 1.031；

作用在基底的合力偏心距计算通过：e=0.015 <= 0.250×5.829 = 1.457m；

墙趾处地基压应力计算通过：压应力=181.813 <= 200.000kPa；

墙踵处地基压应力计算通过：压应力=176.420 <= 200.000kPa；

地基平均压应力计算通过：压应力=179.117 <= 200.000kPa。

8 挡土墙加固效果

挡土墙按本文中的加固方式进行加固后，持续跟踪监测挡土墙竖向位移及水平位移一年。结果表明该超高挡土墙外倾得到了有效的控制，加固施工完工后挡土墙基本未发生外倾及沉降。挡土墙整体情况良好，安全性得到了保证。也进一步表明：1）采用高压旋喷组合钢管桩解决了挡土墙下地基承载力不足的问题，通过外侧加长墙趾，及内侧增加抗拔桩，并对挡土墙抗倾覆、抗滑移进行补强也达到了预期效果。2）采用高压旋喷桩对挡土墙墙后填土进行加固，提高回填土的抗剪强度计算指标，从而降低主动土压力。也间接提高挡土墙抗滑移、抗倾覆安全系数。

9 结论及建议

综上所述，对于岩土工程的加固设计，由于建筑物或构筑物范围内各个深度土层的实际物理力学计算参数很难精确的通过实验得出。因此理论计算会与实际有较大的偏差。本项目中挡土墙加固得以成功实施的主要因素有几点：

1）结合现场挡土墙实际病害情况进行分析，得出病害产生的原因；

2）当理论计算与实际病害展现的特征不完全一致时，需要结合理论计算与实际病害情况，找出最要的原因；

3）岩土工程本身存在较多的经验参数，因此概念设计非常重要，理性的看待计算结果，从而找出最好的解决方案。本文说阐述的加固方法可适用于深厚填土区超高挡土墙外倾的加固，为以后超高挡土墙的加固提供了有价值的参考案例。

参考文献：

[1]《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013），2013.

[2]《建筑边坡工程鉴定与加固技术规范》（GB 50843-2013），2013.

[3]《深基坑工程设计施工手册》（龚晓南、候伟生），1998;

[4]《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013），2013;

[5]《混凝土结构后锚固技术规程》（JGJ145-2013），2013;

[6]《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012），2013.

[7]《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011），2011.

[8]《既有建筑地基基础加固技术规范》（JGJ 123-2012），2012.

[9]《劲性复合桩技术规程》（JGJ/T 327-2014），2014.

[10《水泥土复合管桩基础技术规程》（JGJ/T 330-2014），2014.

[11《预应力混凝土异型预制桩技术规程》（JGJ/T 405-2017），2017.

[12《建筑结构加固工程施工质量验收规范》（GB 50550-2010），2010.

[13《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB 50202-2002），2002.

撰写日期：2023-03

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