衡重式挡土墙裂缝成因分析及加固措施

衡重式挡土墙裂缝成因分析及加固措施

0衡重式挡土墙在上墙体上的分离效果在一些河流防洪工程中，由于地形条件的影响，需要修建高海拔墙。衡重式挡土墙利用衡台上部填土的重力来平衡一部分墙后土压力作用,工程量少于重力式挡土墙,兼顾了工程的稳定性和施工的经济性,从而得到广泛的应用。然而,部分衡重式挡土墙因为设计和施工等原因,在衡台与上部墙身连接处开裂,严重影响到设施的使用。对此工程问题,本文结合某城市防洪工程挡土墙产生病害的情况,通过现场检测和数值模拟方法,对该临河段挡土墙裂缝产生的原因进行探讨,分析了衡重式挡土墙的受力情况,并提出针对性的解决方案。1工程概况和现场检测1.1衡重式浆砌挡土墙设计某城市防洪土建工程二标(K1+550~990)全长440m,采用衡重式浆砌挡土墙。工程场地地形起伏较缓,地貌单元较简单,地层结构不单一,存在坍岸、滑移不良地质作用。河水位最低标高181m,最高标高206m,正常水位标高在200~203m之间。衡重式浆砌挡土墙的基础位于砂卵石层上,墙身高度约为22.2m,上墙高9.02m,衡台宽4.4m,设计简图如图1所示。砌筑材料采用浆砌块石,砂浆标号M10,石料抗压强度不小于40MPa,挡土墙墙背填料采用不易风化的碎石土或石渣,墙身每隔15m设置沉降缝。基础底部设置间距5m的灌注桩,用以提高挡土墙抗滑能力。在工程竣工后的使用阶段,该工程K1+732.7~757.7段浆砌石挡墙上墙身与衡台连接处出现开裂现象,并在2010年11月和2015年3月,该段部分挡土墙发生垮塌。为分析衡台连接处开裂原因,对工程现场进行了勘查和检测,主要包括挡土墙开裂情况的调查以及工程质量的检测。1.2挡土墙外观质量指标的测定采用钢卷尺及游标卡尺,对K1+732.7~757.7段挡土墙的上墙身与衡台连接处的水平裂缝进行裂缝分布及裂缝宽度检测。检测结果表明:该工程K1+732.7~757.7段附近挡土墙上墙身的水平裂缝最大宽度为10mm,墙身与衡台连接处的水平裂缝最大裂缝宽度为40mm,开裂情况比较严重。开裂位置照片如图2所示。其他外观质量检测主要进行了挡土墙墙面外鼓、伸缩缝错动、墙身平整度、墙顶平台开裂、墙面潮湿程度等项目的检测。结果表明挡土墙存在外墙潮湿、墙面局部外鼓、伸缩缝错动等外观缺陷。具体如图2所示。1.3施工质量评价1.3.1材料强度试验现场截取不同尺寸的砌体制成样品,在实验室进行材料抗压强度试验。试验结果见表1。1.3.2rada雷达实测设备在浆砌石基础上的应用采用SIR-3000型地质雷达对该防洪堤K1+554~680和K1+735~990段挡土墙的浆砌石密实度进行检测,针对特殊关键部位,用400MHz屏蔽天线辅助交叉探测。根据现场共计38个断面的检测数据,采用RADAN雷达处理分析系统软件进行分析,存在异常的断面检测结果,见表2。检测数据表明,施工浆砌石的浆填充不完全密实,存在孔隙,削弱了浆砌石的抗拉、抗剪能力。2计算值的分析2.1理正岩土软件为分析衡重式浆砌挡土墙上墙身与衡台连接处裂缝成因,根据现场检测实际情况,采用理正岩土软件对计算结果的异常情况进行分析,结果表明:在计算衡重式挡土墙时,挡土墙后水压力的合力作用点是在衡台以下,该软件并未按照该工程的实际情况考虑水的侧压力对上墙的作用,导致上墙截面的剪力、拉应力等计算结果偏小。设计单位采用理正岩土软件进行设计,对于上墙截面偏于不安全。为准确计算墙背水产生的侧压力,将衡台以上的上墙假定为悬臂梁,计算其拉应力。经计算,当墙内侧水位线距衡台的高度h考虑墙背水产生的侧压力后,不同工况下挡土墙上部墙身拉应力及地基承载力计算结果如表3所示。计算结果表明:1)工况1~4中,上部墙身拉应力依次增大;2)4个不同工况下,地基承载力和偏心距验算均不满足要求。2.2flac3d有限差分软件的建模和分析为进一步分析探讨衡重式挡土墙支护的力学特征,并为后期的支护加固措施提供设计参数和理论支持,利用FLAC3D有限差分软件2.2.1选择和计算参数本次模拟计算以桩号K1+686的勘查设计图为依据,根据现场实际检测数据及地勘资料,选取的岩体层强度参数见表4。2.2.2挡土墙出现灌注桩情况为精准分析浆砌石挡墙上墙身与衡台连接处裂缝成因以及墙身稳定性,计算模拟分为3种工况:1)工况1:持力层中没有灌注桩,模拟施工过程,最终状态时,挡土墙前后水位差为3m;2)工况2:持力层中有灌注桩,桩间距为5m,模拟施工过程,最终状态时,挡土墙前后水位差为3m;3)工况3:持力层中有灌注桩,桩间距为5m,模拟施工过程,最终状态时,处于枯水期,不考虑水压力作用。2.2.3桩与土体的相互作用在本工程施工图中,采用灌注桩以提高挡土墙的抗滑移能力以及基础承载力。本次模拟采用实体单元和接触面单元模拟桩与土体之间的相互作用。接触面模型如图4所示。2.2.4相关结论根据FLAC3D的计算结果,分别获得了3种工况下挡土墙的最小主应力云图、挡土墙位移云图和桩基应力云图,见图5~7。2.2.5桩基应力和位移对比工况1~3的相关应力和位移云图,桩基对位移的影响比较明显,提取桩基坐标点附近位移值,具体的位移曲线如图8所示。根据挡土墙与桩基的应力和位移特征,可以得出:1)挡土墙在衡重台位置处均有拉应力分布,工况1~3在该区域内的拉应力最大值分别为66.0,82.0,72.7kPa。对比工况2与工况3,水库蓄水后,挡土墙的拉应力区域扩大,拉应力增大。对比工况1与工况2,桩基使衡重台位置处拉应力增大16kPa。2)挡土墙上部墙体的位移值最大,桩基础刚度大于周围土体。在桩基位置处沉降值小于附近点,产生了不均匀沉降。3裂缝原因分析通过理正岩土软件及FLAC3D有限差分软件综合计算和分析,衡重式浆砌挡土墙上墙身与衡台连接处水平裂缝产生主要原因如下。3.1拉应力分布裂缝产生原因分析按原设计考虑的3m水位差计算可知,衡台处拉应力为82.474kPa,未超过实际检测砂浆强度等级M7.0下的浆砌石容许弯曲拉应力(MU40,M7.5砂浆抗拉应力为140kPa;MU40,M5砂浆抗拉应力为110kPa),说明施工质量问题不是裂缝产生的主要原因。该工程设计方面存在以下3个问题,使该挡土墙可靠度降低,导致拉应力集中的部位(上墙与衡台连接处)易开裂,是该工程裂缝产生的主要原因。(1)挡土墙上墙身与衡台连接处存在拉应力区而设计未对该区域进行加强。采用理正岩土软件及FLAC3D有限差分软件对该工程进行建模计算,根据计算得出的应力分布图可知,该工程挡土墙上墙身与衡台连接处存在拉应力区。根据《挡土墙》(04J008)(2)结构形式不合理。设计采用基础前端下设单排抗滑桩,该桩有抗滑的作用,但由于桩底进入中风化岩,实际上也承受了基础传下来的竖向荷载,导致该挡土墙基础两端有不均匀沉降的趋势,增加了挡土墙上墙身与衡台连接处拉应力区的拉应力。(3)理正岩土软件本身未考虑墙背水位侧压力对上部墙身的作用。理正岩土软件在浸水地区的模式下,对上墙截面进行计算复核时未考虑水压侧力对上墙的作用,导致上墙截面的剪力、拉应力等计算结果偏小。设计单位未及时修正理正岩土软件的计算偏差,导致上部墙体的设计截面偏于不安全。3.2浆砌石砂浆填充体根据现场检测及调查的结果,可知该工程施工质量存在以下问题:1)浆砌石砂浆填充不完全密实,多个断面存在孔隙、空洞等缺陷,极大地削弱了浆砌石的抗拉、抗剪能力;2)砂浆抗压强度等级不满足设计要求,影响了墙体的承载力。4片墙身不虚实,成长不稳定综合上述分析表明,该挡土墙病害产生的主要原因是结构形式不合理和局部地基承载力不够而共同引起的不均匀沉降,同时片石墙身不密实也加剧了开裂的程度。这些病害如不采取合理的处治措施,会对挡土墙的正常使用产生危害,严重时可使挡土墙产生垮塌。本挡土墙工程属于超高挡土墙,常见的增强超高挡土墙稳定性的方法有锚杆结合格栅等结构在墙外侧组成加固体和注浆加固5拉拔螺纹钢筋对侧壁的抵抗拉应力采用上述加固措施后,采用FLAC3D数值软件对挡土墙在使用阶段的应力情况进行进一步分析计算,计算结果如图9,10所示。从图9可以看出,加固措施中3m长ue78820螺纹钢筋在衡重台下部抵抗拉应力,表明所设置的螺纹钢筋起到阻止裂缝向纵深方向发展的作用。图10为挡土墙最小主应力分布图,主应力为拉应力,最大值为53.44kPa,明显小于前面加固前的几种工况,表明上述加固措施效果良好。6flac3有限差分软件模拟计算分析在临河防洪土建工程中,衡重式浆砌挡土墙是一种经济且实用的防护支档结构。在墙后填土比较高的时候,常采用衡重式挡土墙。由于浆砌片石本身的抗拉、抗剪强度较低,浆砌片石挡土墙在不合理的设计和施工后,常出现开裂等病害影响。本文结合实际的衡重式浆砌片石挡土墙工程,通过现场检测及FLAC3D有限差分软件模拟计算,分析了挡土墙墙身开裂的主要原因及加固措施,得到以下结论:(1)挡土墙上墙身与衡台连接处存在拉应力区,当墙后土侧压力过大或者墙身结构强度不足时,墙身易产生开裂,进而影响挡土墙整体的稳定性。设计时,可以考虑在上墙身与衡台连接处增设混凝土加强体。(2)挡土墙基础前端下设单排抗滑桩的结构形式不合理,会加大挡墙基础两