CN111259478A - 一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法，充分考虑了既有路堑重力式挡墙仍保留的部分承载能力，通过墙后设置一排钻孔桩，减小了既有路堑重力式挡墙的土压力而提高了结构的抗滑、抗倾覆安全性，并根据既有路堑重力式挡墙和新建桩基的受力来设计桩基的尺寸，相比较于现有技术，本发明提供了一种考虑既有路堑重力式挡墙承载作用的全新计算设计方法，避免了既有挡墙的拆除重建，减小了桩基分担的荷载，对桩基的尺寸进行了优化，从而在保证安全性的前提下，降低了工程投资，提高了经济性。

Description

一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体是指一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法。

背景技术

铁路、公路等基础设施的建设中，重力式挡墙由于被大量广泛应用于路堑挖方地段。路堑重力式挡墙墙背岩土性质复杂，在实际使用过程中，由于受到地震、雨水侵蚀、地质条件变化等自然因素和早期施工的人为因素等，重力式挡墙出现了一定的滑动变形或外倾变形的病害，导致重力式挡墙抗滑移或抗倾覆的稳定性降低，长期使用可能出现滑移、倾覆破坏的风险。

重力式挡墙虽然出现了一定的滑动变形或外倾变形，但并没有完全倒塌或破坏，仍可以短期使用且具有一定的承载能力，但长期使用可能出现整体出现滑移、倾覆破坏的风险。为了保护重力式挡墙下方铁路、公路等主体工程的正常使用和运营，往往需要进行处理，工程上多采用拆除重建或挡墙帮宽的方法。

拆除重建可彻底根治问题，但拆除既有挡墙存在一定的施工风险可能在开挖过程中发生边坡滑动而影响既有线，同时拆除重建往往往会影响既有工程项目的正常运营且投资大，经济效益和社会效益差。已公布的发明专利CN201459740U公开了铁路既有挡墙帮宽结构，该结构在既有挡墙外新建挡墙面板并通过长锚杆与稳定岩层锚固在一起，这种结构不仅需要挡墙后有稳定的岩土作为锚杆的锚固体，而且还会使得挡墙内侧的铁路运行安全空间变小。

不论采用拆除重建还是既有挡墙帮宽等原位加固方法，新建支档结构在设计时通常不考虑既有挡墙的作用而将所有荷载全部加载到新建支档结构上，这样做虽然安全却不经济，这是由于既有挡墙并没有完全破坏或倒塌仍具有一定的承载能力，这种完全不考虑其承载作用的做法是不合适的。而目前的设计中对于考虑既有挡墙承载作用的计算方法仍属空白。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的，在加固既有路堑重力式挡墙时不考虑既有路堑重力式挡墙的承载能力导致经济性低的问题，本发明提供了一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法，在保证安全性的前提下，提高经济性、节约工程投资。

一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法，采用桩基对既有的路堑重力式挡墙进行加固；其中，所述桩基的参数设计包括：

引入实际抗倾覆评估系数，描述衡重式挡墙实际力矩模型中的水平受力与竖向受力的关系；其中，所述实际力矩模型中的水平受力与竖向受力，根据原设计的水平受力与竖向受力通过第一土压力修正系数修正得到；

引入实际抗滑移评估系数，描述衡重式挡墙实际受力模型中的水平受力与竖向受力的关系；其中，所述实际受力模型中的水平受力与竖向受力，根据原设计的水平受力与竖向受力通过第二土压力修正系数修正得到；

根据所述第一土压力修正系数、所述第二土压力修正系数确定土压力修正系数，通过所述土压力修正系数对所述原设计的水平受力与竖向受力进行修正，得到实际水平受力与实际竖向受力；

引入目标抗倾覆评估系数，描述加固后力矩模型中的水平受力与竖向受力的关系；其中，所述加固后力矩模型中的水平受力与竖向受力，根据原设计的水平受力与竖向受力通过第一分担系数分担得到；

引入目标抗滑移评估系数，描述加固后受力模型中的水平受力与竖向受力的关系；其中，所述加固后受力模型中的水平受力与竖向受力，根据原设计的水平受力与竖向受力通过第二分担系数分担得到；

根据所述第一分担系数、所述第二分担系数确定土压力分担系数；根据所述土压力修正系数、分担系数，计算出桩基的参数。

优选的，所述桩基采用机械成孔且隔桩开挖，布置在所述路堑重力式挡墙墙顶处，沿所述路堑重力式挡墙纵向布置，桩中心间距为3-10m。

优选的，根据现场挡墙的变形和裂缝的情况，对所述路堑重力式挡墙的抗倾覆稳定性、抗滑移稳定性分别进行评估，得到抗倾覆评估系数K₀₂、抗滑移评估系数K_C2。

优选的，所述实际抗倾覆评估系数K₀₂：

其中，W为自重重力，单位为kN/m；Z_w为自重重心到倾覆计算点的水平距离，单位为m；Z_x为土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离，单位为m；Z_y为土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离，单位为m；E'_x为重力式挡土墙实际土压力水平分力，单位kN/m；E'_y为重力式挡土墙实际土压力竖向分力，单位kN/m；

所述第一土压力修正系数：

其中，E_x为重力式挡土墙设计土压力水平分力，单位kN/m；E_y为重力式挡土墙设计土压力竖向分力，单位kN/m。

优选的，所述抗滑移评估系数K_C2

其中，E'_y1为下墙实际土压力竖向分力，单位kN/m；θ为墙底与水平面的夹角；f为基底摩擦系数；

所述第二土压力修正系数：

优选的，

所述目标抗倾覆评估系数：

所述第一分担系数：

其中，K₀₁为原设计抗倾覆评估系数；γ₁为结构重要性系数，不小于1.1；γ₂为施工、运营过程中不确定因素放大系数，不小于1.0。

优选的，

所述目标抗滑移评估系数：

所述第二分担系数：

其中，K_c1为原设计抗滑移评估系数。

优选的，所述桩基的受力包括受到既有重力式挡土墙的合力F和合力作用点距离墙趾的竖向距离h₀：

F＝(ψ-η)E_x·l₀；h₀＝Zy；

其中，l₀为所述桩基桩中心水平间距，单位为m。

优选的，所述土压力修正系数为所述第一土压力修正系数、所述第二土压力修正系数的大值：

优选的，所述土压力分担系数为所述第一分担系数、所述第二分担系数的大值：

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法，充分考虑了既有路堑重力式挡墙仍保留的部分承载能力，通过墙后设置一排钻孔桩，减小了既有路堑重力式挡墙的土压力而提高了结构的抗滑、抗倾覆安全性，并根据既有路堑重力式挡墙和新建桩基的受力来设计桩基的尺寸，相比较于现有技术，提供了一种考虑既有路堑重力式挡墙承载作用的全新计算设计方法，避免了既有挡墙的拆除重建，减小了桩基分担的荷载，对桩基的尺寸进行了优化，从而在保证安全性的前提下，降低了工程投资，提高了经济性。并且，桩基采用机械成孔和隔桩开挖，施工方便、快捷且对既有工程的扰动小。

附图说明：

图1为本发明的步骤流程示意图。

图2所示为既有路堑重力式挡墙原设计时的受力示意图。

图3所示为既有路堑重力式挡墙施工运营后的实际受力示意图。

图4所示为加固后既有路堑重力式挡墙-桩加固结构的受力示意图。

图5所示为既有路堑重力式挡墙-钻孔桩加固结构横断面图示意图。

图6所示为既有路堑重力式挡墙-钻孔桩加固结构平面图示意图。

图7所示为既有路堑重力式挡墙实例横断面图示意图。

图中标记：1-既有路堑重力式挡墙，2-钻孔桩，3-主体结构，4-墙顶平台，5-边坡，6-地面线，7-地层分界线。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1，一种抑制既有路堑重力式挡墙1变形的方法，包括：

S100对既有路堑重力式挡墙1进行评估，得到实际抗倾覆评估系数与实际抗滑移评估系数；

S200根据既有路堑重力式挡墙1的结构受力以及实际抗倾覆评估系数、实际抗滑移评估系数，得到实际土压力；

S300假设采用桩基对既有路堑重力式挡墙1进行加固，使加固后的路堑重力式挡墙的目标抗倾覆评估系数、目标抗滑移评估系数，计算出桩基的受力情况；

S400根据桩基的受力情况，设计桩基的尺寸。

S500桩基的施工：加固后的主体结构3和地平线6的关系如图5，所述桩基布置在既有路堑重力式挡墙1墙顶处，沿既有路堑重力式挡墙1纵向布置，桩中心间距为3-10m，桩基由多个钻孔桩2组成，采用机械成孔，且采用隔桩开挖，施工方便、快捷且安全。

第一步 对既有路堑重力式挡墙1评估

根据安全评估方法和手段，对既有路堑重力式挡墙1的抗倾覆稳定性进行评估，得到实际抗倾覆评估系数K₀₂；对既有路堑重力式挡墙1的抗滑移稳定性进行评估，得到实际抗滑移评估系数K_C2；

第二步 计算挡墙实际土压力

如图2、图3，根据工程经验和土压力理论，假定土压力的作用点、作用方向不变而仅大小发生变化。由于土体破坏模式为简单的楔体破坏，既有路堑重力式挡墙1的实际土压力相对于设计时的土压力可简化为均匀变化，即(式1)所示

E'_x＝ψE_x；E'_y＝ψE_y； (式1)

式中：ψ——土压力修正系数

E_x——设计土压力水平分力(kN/m)

E_y——设计土压力竖向分力(kN/m)

E'_x——实际土压力水平分力(kN/m)

E'_y——实际土压力竖向分力(kN/m)

根据现场对既有路堑重力式挡墙1抗倾覆评估系数K₀₂，计算土压力修正系数ψ。

联立(式1)和(式2)，得到土压力修正系数ψ，如(式3)所示

式中：K₀₂——既有路堑重力式挡墙1抗倾覆稳定性的安全评估系数

W——自重重力(kN/m)

Z_w——自重重心到倾覆计算点(墙趾)的水平距离(m)

Z_x——土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离(m)

Z_y——土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离(m)

Z_x1——下墙土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离(m)

Z_y1——下墙土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离(m)

其余——见(式1)

根据现场对既有路堑重力式挡墙1抗滑移稳定性的安全评估系数K_C2，计算土压力修正系数ψ。

联立(式1)和(式4)，得到土压力修正系数ψ，如(式5)所示

式中：K_C2——既有路堑重力式挡墙抗滑移稳定性的安全评估系数

θ——墙底与水平面的夹角

f——基底摩擦系数

其余——见(式2)

取(式3)和(式5)的大值作为土压力修正系数ψ(ψ应不小于1.0)，如(式6)所示

将土压力修正系数ψ代入(式1)即可得到挡墙实际土压力水平分力E'_x、挡墙实际土压力竖向分力E'_y。

第四步 计算设置桩基后既有路堑重力式挡墙1的受力

如图4，在既有路堑重力式挡墙1设置桩基后，将导致内力重分布，挡墙分担的土压力将减小，挡墙的抗倾覆稳定性系数和抗滑移稳定性系数均提高，但挡墙的受力不得低于原设计的抗倾覆和抗滑移稳定性的要求。既有路堑重力式挡墙1的分担土压力相对于原设计时的土压力简化为均匀变化，即(式7)所示

E_xt＝ηE_x；E_yt＝ηE_y； (式7)

式中：η——挡墙土压力分担系数η

E_xt——上墙分担的土压力水平分力(kN/m)

E_yt——上墙分担的土压力竖向分力(kN/m)

其余——见(式2)

根据抗倾覆稳定性的目标安全系数K_op，计算挡墙土压力分担系数η。

K_op＝γ₁γ₂K₀₁ (式9)

式中：K_op——抗倾覆稳定性的目标安全系数；

K₀₁—抗倾覆稳定性基本安全系数；

γ₁——结构重要性系数，不小于1.1；

γ₂——施工、运营过程中不确定因素放大系数，不小于1.0

其余——见(式2)

联立(式7)、(式8)、(式9)，得到挡墙土压力分担系数η，如(式10)所示

根据抗滑移稳定性的目标安全系数K_Cp，计算挡墙土压力分担系数η。

K_p2＝γ₁γ₂K_C1 (式12)

式中：Kcp——抗滑移稳定性的目标安全系数；

K_c1——抗滑移稳定性基本安全系数；

γ₁——结构重要性系数，不小于1.1；

γ₂——施工、运营过程中不确定因素放大系数，不小于1.0

θ——既有路堑重力式挡墙墙底与水平面的夹角

f——基底摩擦系数

其余——见(式2)

联立(式7)、(式11)和(式12)，得到挡墙土压力分担系数η，如(式13)所示

取(式10)和(式13)的小值作为挡墙土压力分担系数η(η应不大于1.0)，如(式14)所示

将分担系数η代入(式7)即可得到挡墙分担的土压力。

第四步 计算桩基的受力

在既有路堑重力式挡墙1后设置桩基后，将导致内力重分布，减小了既有挡墙的土压力，剩余的土压力均由桩基承担。根据力平衡得到桩基受到既有路堑重力式挡墙1的合力F和合力作用点距离墙趾的竖向距离h₀，如(式15)所示

F＝(ψ-η)E_x·l₀；h₀＝Zy； (式15)

其中：

式中：F——桩基受到既有路堑重力式挡墙的水平推力的合力(kN)

h₀——水平推力合力作用点距离墙趾的竖向距离(m)

l₀——桩基桩中心水平间距(m)

得到桩基合力F和合力作用点距离墙趾距离h₀以后，可按照常规桩基的计算设计出桩的尺寸。

实施例2

第一步 对既有路堑重力式挡墙1评估

如图7，已知某单线I级铁路既有路堑重力式挡墙1，该挡墙墙高6.0m，埋深1.4m，具体结构尺寸如下：墙顶宽1.55m，面坡倾斜坡度为1:0.25，背坡倾斜坡度为1:-0.25，墙趾台阶宽为0.25m，墙趾台阶高为0.6m，墙趾台阶与墙面坡坡度相同，墙底倾斜坡率为0.200:1，基底摩擦系数f为0.3，具体详见图6。原设计抗倾覆稳定性安全系数为2.1847，原设计抗滑移稳定性安全系数为1.316。

根据安全评估方法和手段，对既有路堑重力式挡墙1的抗倾覆和抗滑移稳定性进行评估，分别得到抗倾覆和抗滑移评估系数K₀₂＝1.5和K_C2＝1.1。

第二步 计算既有路堑重力式挡墙1的实际土压力

根据原设计文件，得到设计的既有路堑重力式挡墙1受到挡墙自重W＝224.477kN/m、挡墙设计土压力水平分力E_x＝101.43kN/m、挡墙设计土压力竖向分力E_y＝1.706kN；既有路堑重力式挡墙1自重重心到倾覆计算点(墙趾)的水平距离Zw＝1.732m、既有路堑重力式挡墙1设计土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离Zx＝2.243m、既有路堑重力式挡墙1设计土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离Zy＝1.771m。

结合现场对既有路堑重力式挡墙1抗倾覆稳定性的安全评估系数K₀₂＝1.4，对既有路堑重力式挡墙1抗滑移稳定性的安全评估系数K_C2＝1.1，得到土压力修正系数ψ，如(式16)所示。

进一步，得到挡墙实际土压力水平分力E'_x＝148.444kN/m,挡墙实际土压力属性分力分力E'_x＝148.444kN/m

第四步 计算设置桩基后既有路堑重力式挡墙1的受力

在既有路堑重力式挡墙1后设置桩基后，将导致内力重分布，挡墙的受力需满足抗倾覆和抗滑移稳定性的基本要求。已知该铁路工程结构重要性系数γ₁＝1.1，施综合影响系数γ₂＝1.05，既有路堑重力式挡墙1抗倾覆稳定性基本安全系数K₀₁＝1.6，既有路堑重力式挡墙1抗滑移稳定性基本安全系数K_C2＝1.3。

得到既有挡墙土压力分担系数

进一步，得到挡墙分担土压力水平分力E_xt＝94.129kN/m,挡墙实际土压力属性分力E_yt＝1.583kN/m

第四步 计算桩基的受力

在既有路堑重力式挡墙1后设置桩基后，。假定该铁路工程结构重要性系数γ₁＝1.1，施综合影响系数γ₂＝1.05。桩基桩顶距离墙趾的竖向距离h＝6.0m，桩基桩中心间距l₀＝4.0m。

根据力平衡得到桩基受到既有路堑重力式挡墙1合力F和合力作用点距离墙趾的竖向距离h₀，如(式18)所示

F＝(ψ-η)E_x·l₀＝271.579kN；h₀＝Zy＝1.771m； (式18)

第五步 现场施工工艺，如图5、图6；

(1)在既有路堑重力式挡墙1墙顶紧靠挡墙采用机械成孔，然后吊装钢筋笼，浇筑混凝土，形成钻孔桩2；

(2)沿挡墙方向间隔1根桩，重复第(1)步施作下一根钻孔桩2，一直施作至加固边界；

(3)沿挡墙方向，重复第(1)和第(2)步施作间隔剩下的钻孔桩2；

(4)恢复施工过程中破坏的墙顶平台4和边坡防护5。

在常规的设计中，是不考虑既有路堑重力式挡墙1的承载作用。经对比分析，可知当不考虑既有路堑重力式挡墙1承载作用时，桩基墙趾以上部分受到的合力F’＝742.222kN；当考虑既有路堑重力式挡墙1承载作用后，桩基墙趾以上部分受到的合力F＝217.263kN，可见采用本方法后，作用力F减小了70.7％，大大减小桩基的荷载，从而减小桩基的大小和桩长，具有很好的经济性。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法，其特征在于，采用桩基对既有的路堑重力式挡墙进行加固；其中，所述桩基的参数设计包括：

引入实际抗倾覆评估系数，描述衡重式挡墙实际力矩模型中的水平受力与竖向受力的关系；其中，所述实际力矩模型中的水平受力与竖向受力，根据原设计的水平受力与竖向受力通过第一土压力修正系数修正得到；

引入实际抗滑移评估系数，描述衡重式挡墙实际受力模型中的水平受力与竖向受力的关系；其中，所述实际受力模型中的水平受力与竖向受力，根据原设计的水平受力与竖向受力通过第二土压力修正系数修正得到；

根据所述第一土压力修正系数、所述第二土压力修正系数确定土压力修正系数，通过所述土压力修正系数对所述原设计的水平受力与竖向受力进行修正，得到实际水平受力与实际竖向受力；

引入目标抗倾覆评估系数，描述加固后力矩模型中的水平受力与竖向受力的关系；其中，所述加固后力矩模型中的水平受力与竖向受力，根据原设计的水平受力与竖向受力通过第一分担系数分担得到；

引入目标抗滑移评估系数，描述加固后受力模型中的水平受力与竖向受力的关系；其中，所述加固后受力模型中的水平受力与竖向受力，根据原设计的水平受力与竖向受力通过第二分担系数分担得到；

根据所述第一分担系数、所述第二分担系数确定土压力分担系数；根据所述土压力修正系数、分担系数，计算出桩基的参数。

2.根据权利要求1所述的一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法，其特征在于，所述桩基采用机械成孔且隔桩开挖，布置在所述路堑重力式挡墙墙顶处，沿所述路堑重力式挡墙纵向布置，桩中心间距为3-10m。

3.根据权利要求2所述的一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法，其特征在于，根据现场挡墙的变形和裂缝的情况，对所述路堑重力式挡墙的抗倾覆稳定性、抗滑移稳定性分别进行评估，得到抗倾覆评估系数K₀₂、抗滑移评估系数K_C2。

4.根据权利要求3所述的一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法，其特征在于，所述实际抗倾覆评估系数K₀₂：

其中，W为自重重力，单位为kN/m；Z_w为自重重心到倾覆计算点的水平距离，单位为m；Z_x为土压力水平分力到倾覆计算点的水平距离，单位为m；Z_y为土压力竖向分力到倾覆计算点的竖向距离，单位为m；E'_x为重力式挡土墙实际土压力水平分力，单位kN/m；E'_y为重力式挡土墙实际土压力竖向分力，单位kN/m；

所述第一土压力修正系数：

其中，E_x为重力式挡土墙设计土压力水平分力，单位kN/m；E_y为重力式挡土墙设计土压力竖向分力，单位kN/m。

5.根据权利要求4所述的一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法，其特征在于，所述抗滑移评估系数K_C2

其中，E'_y1为下墙实际土压力竖向分力，单位kN/m；θ为墙底与水平面的夹角；f为基底摩擦系数；

所述第二土压力修正系数：

6.根据权利要求5所述的一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法，其特征在于，

所述目标抗倾覆评估系数：

所述第一分担系数：

其中，K₀₁为原设计抗倾覆评估系数；γ₁为结构重要性系数，不小于1.1；γ₂为施工、运营过程中不确定因素放大系数，不小于1.0。

7.根据权利要求6所述的一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法，其特征在于，

所述目标抗滑移评估系数：

所述第二分担系数：

其中，K_c1为原设计抗滑移评估系数。

8.根据权利要求7所述的一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法，其特征在于，所述桩基的受力包括受到既有重力式挡土墙的合力F和合力作用点距离墙趾的竖向距离h₀：

F＝(ψ-η)E_x·l₀；h₀＝Zy；

其中，l₀为所述桩基桩中心水平间距，单位为m。

9.根据权利要求7所述的一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法，其特征在于，所述土压力修正系数为所述第一土压力修正系数、所述第二土压力修正系数的大值：

10.根据权利要求7所述的一种抑制既有路堑重力式挡墙变形的方法，其特征在于，所述土压力分担系数为所述第一分担系数、所述第二分担系数的大值：

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