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        某既有防洪擋土墻加固方案研究

        2021-09-15 05:40:02李方芳
        陜西水利 2021年8期
        關(guān)鍵詞:格構(gòu)擋土墻擋墻

        李 星,李方芳

        (重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院有限公司,重慶 401120)

        某既有防洪擋土墻位于水庫下游,防洪擋土墻墻體較高,現(xiàn)狀墻體瘦薄,建成運行數(shù)年后,局部墻體已出現(xiàn)險情,存在較大安全隱患。本文結(jié)合工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件和擋墻病害特征,運用聯(lián)合支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計理論,優(yōu)化設(shè)計參數(shù)組合,通過計算表征擋墻安全性能的工程參數(shù),對比分析加固措施前后擋土墻,驗證了加固措施的可靠性。

        1 工程概況及擋土墻病害特征

        1.1 工程概況

        某工程段防洪擋土墻位于河道的左岸,距離上游水庫壩體約500 m處,防洪擋土墻長670 m,防洪為集鎮(zhèn)建設(shè)開發(fā)項目附屬工程。防洪擋土墻建成后,常年受洪水沖刷影響,墻體沿岸出現(xiàn)局部墻身變形、鼓包、裂縫等病害特征,存在較大安全隱患。擋土墻保護鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇,堤防工程主要建筑物級別為4級,次要建筑物為5級。

        1.2 擋土墻現(xiàn)狀問題

        (1)防洪擋土墻現(xiàn)狀墻頂高程不滿足防洪要求,影響保護場鎮(zhèn)行洪安全;

        (2)防洪擋土墻現(xiàn)狀出現(xiàn)裂縫、鼓包等不良現(xiàn)象,已建墻體現(xiàn)狀抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定均不滿足規(guī)范要求,且墻體提供的抗力嚴(yán)重不足;

        (3)墻體排水管道堵塞嚴(yán)重且分布較少,排水措施不到位,使護岸排水不暢,墻面滲水嚴(yán)重,影響護岸結(jié)構(gòu)安全;

        (4)擋墻防洪擋土墻建成后期墻頂修建臨河建筑(房屋)距離堤頂過近,已成建筑形成的附加荷載加之已建擋墻上,嚴(yán)重影響護岸結(jié)構(gòu)安全。

        2 工程布置及加固方案比較

        根據(jù)地質(zhì)勘察成果及工程場地條件,結(jié)合安全評價鑒定結(jié)果,對工程段防洪擋土墻提出格構(gòu)錨固、原擋墻培厚、樁基承臺式擋墻、抗滑樁三個加固方案進行比較選擇[1]。

        方案一:格構(gòu)錨固+原擋墻培厚

        格構(gòu)錨固:對于墻前覆蓋層較深擋墻段,采用錨桿和混凝土格構(gòu)梁形成復(fù)合加固結(jié)構(gòu),設(shè)計兩排錨桿,錨桿鋼筋束提供受力所需鋼筋截面。

        圖1 方案一 擋墻整治典型橫斷面

        原擋墻加厚:對于墻前覆蓋層淺基巖出露擋墻段,對現(xiàn)有擋墻迎水面處新建漿砌塊石擋墻,新建擋墻與現(xiàn)有擋墻設(shè)插筋加強連接,二者形成復(fù)合體聯(lián)合受力。

        圖2 方案一 原擋墻培厚典型結(jié)構(gòu)圖

        方案二:樁基承臺式擋墻

        通過設(shè)置樁基承臺式擋墻對原擋墻提供抗力改善原擋墻受力情況,設(shè)兩排C30鋼筋砼抗滑樁,抗滑樁頂部為L形C25鋼筋砼擋墻,L形擋墻頂部位于原擋墻頂部以下,墻底兼做樁基承臺。

        圖3 方案二 擋墻整治典橫斷面型圖

        方案三:抗滑樁

        設(shè)兩排C30鋼筋砼抗滑樁,抗滑樁置于基巖下,并用C25鋼筋砼擋土板連接,擋土板底部置于沖刷深度以下,擋土板之間用砂礫石回填,樁與墻之間、樁與樁之間用C25鋼筋砼桁架梁連接聯(lián)合受力。

        圖4 方案三 擋墻整治典橫斷面型圖

        表1 三種加固方案綜合比較表

        綜上,方案一、方案二、方案三對原擋墻受力情況都能得到很好改善,方案一在投資方面優(yōu)勢明顯,故本階段推薦方案一,即采用格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)型式和原擋墻培厚對原防洪擋土墻分段進行加固。

        3 格構(gòu)錨固防洪擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

        3.1 擋墻穩(wěn)定計算

        擋土墻采用庫侖土壓力理論進行計算,計算基底應(yīng)力、穩(wěn)定驗算及上墻截面驗算都采用容許應(yīng)力理論。

        (1)作用在擋土墻上的荷載及其組合

        1)作用在擋墻上的荷載

        各種荷載主要有:擋土墻自重及填土重、擋土墻墻后填土破裂體范圍內(nèi)的各種恒載及人群等臨時活荷載、土壓力、靜水壓力、揚壓力、浪壓力。

        2)計算工況及荷載組合

        重力式擋墻在中、枯水位下穩(wěn)定最差,計算工況選擇設(shè)計洪水位驟降0.5 m~1 m,設(shè)計枯水位以及不利中水位三種情況[2]。同時結(jié)合工程實際情況,確定以下三種計算工況,即基本組合:工況1、工況2;特殊組合:工況3。

        正常運用情況:

        工況1:正常運行工況,設(shè)計洪水位下的穩(wěn)定滲流期或不穩(wěn)定滲流期的背水側(cè)堤坡。

        工況2:設(shè)計洪水位驟降期的臨水側(cè)堤坡。

        非常運用情況:

        工況3:施工期(含竣工期)的臨水、背水側(cè)堤坡。

        (2)計算參數(shù)

        1)原擋土墻參數(shù)如下:

        擋土墻重度r=22 kN/m3,砂卵石土基底摩擦系數(shù)取0.4,地基承載力特征值350 kPa;基巖基底摩擦系數(shù)取0.4,地基承載力特征值800 kPa。

        2)擋土墻的抗滑穩(wěn)定驗算

        穩(wěn)定驗算(抗剪公式)采用如下公式計算:

        (1)

        3)擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定驗算

        抗傾覆穩(wěn)定驗算按下列公式計算:

        (2)

        (3)計算結(jié)果分析

        根據(jù)實測斷面,本工程原擋墻格構(gòu)錨固段選取巖石基礎(chǔ)上擋墻最高斷面和卵石土上擋墻最高斷面為標(biāo)準(zhǔn)斷面。對擋墻整治前后按照規(guī)范分別進行各種工況的結(jié)構(gòu)計算,計算結(jié)果詳見計算成果表2,計算結(jié)果表明各標(biāo)準(zhǔn)斷面整治措施滿足抗傾、抗滑穩(wěn)定要求。

        表2 格構(gòu)錨固擋墻段穩(wěn)定計算成果表

        本工程原擋墻培厚段選取巖石基礎(chǔ)上擋墻最高斷面9 m和最矮斷面6 m為控制斷面,對擋墻整治前后按照規(guī)范分別進行各種工況的結(jié)構(gòu)計算,計算結(jié)果詳見計算成果表3,結(jié)果表明各控制斷面整治措施設(shè)計合理,滿足抗傾、抗滑穩(wěn)定要求。

        表3 擋墻培厚段穩(wěn)定計算成果表

        3.2 格構(gòu)錨固框架梁配筋計算

        根據(jù)靜力平衡條件,集中力F可以分為作用在橫梁上的Fx和作用在縱梁上的Fy,橫縱方向均為多跨連續(xù)梁。橫縱方向的分力Fx、Fy依據(jù)文克勒彈性地基梁計算[3-5],公式如下:

        (3)

        (4)

        (5)

        (6)

        經(jīng)計算,F(xiàn)x=0.5F,F(xiàn)y=0.5F,錨桿軸向力與擋墻墻面夾角為14.29°,錨桿設(shè)計拉力值為500 kN,故Fx=Fy=242.17 kN。

        計算彎矩和剪力,進行配筋計算。本工程格構(gòu)橫梁取10 m橫梁段作為橫向典型梁進行計算,同時取長度最短即最不利的縱向梁作為典型梁進行計算,長度為4.8 m,計算時考慮荷載分項系數(shù)為1.20,受力圖見圖6。

        圖5 橫向梁受力圖

        圖6 縱向梁受力圖

        經(jīng)計算,縱向梁最大彎矩為242.17 kN·m,橫向梁最大彎矩為72.64 kN·m??v向梁最大剪力為193.74 kN,橫向梁最大剪力為145.30 kN。故用取彎矩為242.17 kN·m、取剪力為193.74 kN進行配筋計算,公式如下:

        as=KM/fcbh02

        (7)

        (8)

        (9)

        計算得As=1926.89 mm2,故選用鋼筋4根B25鋼筋,實際配筋受拉鋼筋配筋面積1964 mm2。

        斜截面承載力抗剪計算:

        根據(jù)規(guī)范要求,矩形截面受彎桿件,其受剪截面應(yīng)符合下列要求。

        hw/b≤4.0時,KV≤0.25fcbh0

        (10)

        hw/b≥6.0時,KV≤0.2fcbh0

        (11)

        計算得KV=222.80 kN≤0.25fcbh0=786.5 kN,故截面滿足構(gòu)造要求。

        根據(jù)規(guī)范要求,對于僅配有箍筋的矩形截面受彎桿件,其斜截面受剪承載力應(yīng)該符合下列規(guī)定[6]:

        KV≤Vc+Vsv

        (12)

        Vc=0.7ftbh0

        (13)

        Vsv=1.25fyvAsvh0/s

        (14)

        計算得KV=222.80 kN>Vc=213.36 kN,故對格構(gòu)梁選配箍筋,計算得Vc+Vsv=373.06 kN>KV=222.80 kN,滿足規(guī)范要求。

        3.3 錨桿設(shè)計分析

        (1)錨桿桿體截面面積計算

        根據(jù)《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》,錨桿桿體截面面積應(yīng)按下式確定[7]:

        (15)

        本工程設(shè)計采用HRB500熱軋鋼筋,取值435 N/mm2。

        (2)錨桿錨固長度計算

        1)錨桿的桿體截面面積計算

        根據(jù)《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》(CECS 22:2005),錨桿桿體截面面積應(yīng)按下式確定:

        (16)

        計算得本工程錨桿桿體截面面積至少為1839.08 mm2,故選用3根C28 HRB500滿足要求。

        2)錨桿錨固長度計算

        根據(jù)《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》(CECS 22:2005),錨桿或單元錨桿的錨固段長度可按下式估算,并取其中的較大值:

        (17)

        (18)

        經(jīng)計算,La>5.84 m且La>2.98 m,因此,綜合考慮,加固擋墻錨桿錨固段設(shè)計長度取為6 m。

        4 結(jié)論

        本文通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定了采用格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)型式和原擋墻培厚對原防洪擋土墻分段進行加固的組合加固方案。對加固后的防洪擋土墻進行抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定計算,計算結(jié)果表明抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定都得到大幅度提高,滿足規(guī)范要求。同時對混凝土格構(gòu)梁、錨桿進行結(jié)構(gòu)計算,結(jié)果表明混凝土格構(gòu)梁配筋率適中,錨桿錨固長度在規(guī)范規(guī)定長度范圍內(nèi),能為已建防洪擋土墻提供足夠的抗力。加固后的既有擋墻受力情況得到很好的改善,穩(wěn)定性得到提高,加固方案經(jīng)濟合理。

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