建筑工程中挡土墙加固中灌浆的应用研究

白宗瑞

(甘肃第三建设集团有限公司,甘肃 兰州 730000)

挡土墙是一种被广泛用于水利、交通、港口等行业的支撑结构。根据墙体材质,挡土墙分为砌体挡墙、钢筋混凝土挡墙,因其材料易取、施工简便、成本低廉、支护效果好,目前其已被广泛应用于民用建筑领域。然而,结合工程经验来看,挡土墙在工程中的应用越来越广泛,其自身也出现了裂缝、整体滑动、外倾,甚至是不稳定等主要问题[1,2]。当挡土墙出现明显的破坏迹象时,需要对其进行改造和加固,以达到安全要求。

1 化学灌浆法加固挡墙的力学性能研究

传统的土压理论主要有库伦土压和兰肯土压两种基本原理。在围护结构设计中,通常是先开挖稳定边坡,然后再进行围护。因此,通常以库伦土压力为计算理论。目前,国内已有的挡土墙图册均基于库伦土压力理论而编写。

库伦土压力理论的基本假设如下:①围护后土层为均匀等向无黏土;②当挡土墙后出现有源或无源土压力时,墙后土体将形成滑动楔形,滑动面为穿过墙踵的平面;③将滑动土楔看作是刚性体,利用滑动土楔在极限平衡状态下,利用静态平衡条件,计算出库伦土压力和动土压力。对于挡土墙,通常是在填土完毕后,由其承担主土压力。库伦主动土压力Ea的计算公式:

令

ka=cos2(j-ε)/cos2ε·cos(ε+d)

(2)

上式中:ka表示库伦主动土压力系数;h为挡土墙高度;g为土体重度;j为土体内摩擦角;ε为墙背倾斜角;b为墙后填土面倾斜角;d为墙背与土体之间摩擦角。

由于朗肯土压力理论的假设条件较为简单,当墙背垂直、光滑,土体表面水平时,库伦土压力即转换为无黏性土的朗肯土压力,如式(3)所示。

在考虑黏聚力的情况下,库伦的主动土压力比朗肯的要大;采用库伦主动土压力是一种较保守的方法,可以增加安全系数。因此,从围护形式、施工工况、墙后填土的形成等方面进行了论述;考虑到挡土墙的需要,本文提出了利用库伦土压力理论进行围护结构设计的可行性。

从理论上讲,如果挡土墙在不改变原有结构形式的情况下,可以使墙体后土压力值减小,从而达到围护结构的目的。在库伦土压力的计算中,h、ε、b、d、g几乎不能被改变。而采用注浆方法,使墙体后面的土体形成强度,能有效地增加j,降低土压力。主动土压力系数变化曲线见图1。

图1 主动土压力系数变化曲线

从图1可以看出,库伦主动土压力系数随土内摩擦角的增加而呈递减趋势;主动土体的压降速度较快。以普通沙土为例,其内部摩擦角为20°～25°,假定墙体竖直,砂土内部摩擦角由20°增加到35°时,主动土压力系数由0.447下降到0.246,减小幅度达45%,与之对应,主动土压力下降45%,能有效地改善围岩的安全与稳定。

以图2所示的挡墙为例,采用非黏性砂土,在沙土中的内摩擦角由20°增大到35°时,其抗滑动安全系数和抗倾覆稳定系数随时间的变化见表1。

图2 挡土墙截面尺寸

表1 工程挡土墙安全系数

由表1可知,在沙土中的内摩擦角度由20°增加到35°时,其抗滑移稳定系数分别增加1.6倍和62%。

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根据上述分析,只要灌浆均匀,采用注浆方法进行填土加固;而且注浆后,土体会形成更好的固结体,可有效增加土壤中的沙土内摩擦角,达到注浆加固效果。

2 工程概述

2.1 项目简介

某科技开发区综合办公大楼的后侧,因边坡填土比较高,采取了砌体挡墙作为挡土墙,最小的一级挡土墙与办公楼只有1.5 m的距离。挡土墙完成1年左右,1/3墙体向外凸起变形,砌体间的灰浆因受拉而脱落,墙体后填土因雨水冲刷等原因,墙体后方有孔洞,对墙体的正常使用造成了很大的影响,如果不加强防护,就会对邻近的加油站造成威胁。

在建筑工程中,挡墙间距只有1.5 m,受工程环境的制约,使挡土墙可供选择的方案受到很大的制约。通过综合分析,确定了在墙后进行充填注浆,以增强地基自身强度和稳定性,达到降低土压力的目的[4]。挡土墙加固剖面示意见图3。

图3 挡土墙加固剖面示意

2.2 加强计划

以图3为例,在拟加固挡墙的填土区内,设置有3列水平的注浆孔,间隔1 m左右,纵向1.5 m,孔深与墙体高度一致。注浆深度与墙体高度一致,以库伦土压破坏角度为水平方向的楔状区域,其厚度为b+tan(45°—j/2)。在此项目中,因受上部挡墙空间的制约,注浆区域只能限于上、下两层挡墙之间的马道(见图4)。

图4 挡土墙加固范围示意

为确保注浆效果,使浆液充分渗入土壤中,能有效地固结土壤,增加内部摩擦角,并对施工期间的注浆质量进行量化控制,采用纵向分段控制。具体的分段注浆方式见图5。在纵向上,每隔9 m就分成一个灌浆区,每个灌浆区的两端都有一个灌浆孔,每个灌浆孔的水平距离大约200 mm,中间用化学灌浆法进行隔离。

图5 灌浆孔布孔平面示意

采用XT408系列超细水泥剂灌浆材料进行化学灌浆,它是一种以超细水泥、膨胀剂、矿渣等为主要添加剂的无机超细注浆材料。采用化学灌浆技术,将各区域沿纵向分隔成不同的灌浆区域,对各区段进行逐层注浆,并对各区段进行了注浆量控制,以确保各区段的充填效果及灌浆质量,有效改善了土体内部的摩擦角[5]。

在各分段间形成隔墙后,各区间内注浆孔均采用水泥浆进行注浆。各分段的灌浆数量由公式(4)来计算。

Q=a·A·L·n

(4)

根据以往的灌浆试验及注浆加固效果可知,在不同地区,当灌浆量为1.1～1.3Q时,土壤中的孔隙充填是比较理想的。在灌浆过程中,首先用化学灌浆将各部分分开,然后按1.1～1.3Q的灌浆比例进行控制。

2.3 强化作用

在注浆完毕后,为检测挡土墙后土层的加固效果,在墙后填土区内设置3个取心孔,其完整性、胶结程度和均匀性都较好,且固结后的水泥土强度也较高。

该项目于2019年10月竣工后,采用喷射混凝土修补挡墙。直到现在,挡土墙还在使用,原本已经膨胀起来的情况也没有发生,墙壁完好无损,这表明灌浆加固的效果很好,也达到了加固的目标。

3 结语

根据土力学原理,对挡土墙充填区注浆进行了分析,并结合工程实例进行了验证。

(1)根据挡土墙施工工况、墙后填土的形成过程,运用库伦土压力理论进行设计和计算,其实际应用更为广泛。

(2)在挡土墙充填区进行注浆加固,增加土体内部的摩擦角,可以有效地减少土压力,进而对挡土墙进行加固。

(3)采用化学灌浆技术,在围护结构加固区内形成纵向隔离,并对灌浆进行控制,以确保各区段的注浆质量。

(4)根据土体应力原理,可以确定挡土墙的水平方向,从而达到注浆加固的目的。

(5)在挡土墙后进行充填,可以在土压力源上减小土压力,这是一种积极的加固方式,能在技术、经济、施工上取得良好的效果。