山区公路挡土墙的病害调查与成因分析

2017-01-10武可爽方俊杰

湖南交通科技 2016年4期

关键词：墙身挡土墙挡墙

武可爽，刘泽，方俊杰，林琼

(1.浙江省交通工程建设集团第三交通工程有限公司，浙江杭州 323000；2.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201)

山区公路挡土墙的病害调查与成因分析

武可爽1，刘泽2，方俊杰1，林琼1

(1.浙江省交通工程建设集团第三交通工程有限公司，浙江杭州 323000；2.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201)

挡土墙是维护山区公路路基、边坡稳定性的重要工程结构。以浙江西南山区为重点，通过现场走访、从养护部门收集体资料等方式，对浙江山区公路挡土墙的主要结构形式、病害及其成因与发育规律进行了研究，为公路挡土墙的维护、加固设计提供参考。

山区公路；挡土墙；病害；发育规律

0 引言

山区地形起伏大，沟壑纵横，使得公路建设时深挖高填现象非常普遍。为了维护路基和边坡的稳定性，挡土墙成为公路沿线最常见的构筑物。作为一种露天结构，挡土墙不仅受到长期的雨水淋滤作用，加速材料风化老化，还受到长期的交通荷载动荷载影响，致使挡土墙病害层出不穷，直接影响到道路营运的安全。

开展山区公路挡土墙病害与加固技术研究，对保障道路安全有着重意义，国内的许多学者与技术人员都投入了大量的精力。杨建国[1]分析了刚性挡墙常见病害成因及加固方法；陈华[2，3]分析了公路加筋土挡土墙、锚锭板挡土墙的病害及其整治措施；罗江波[4]研究了壁板式锚杆挡土墙的典型破坏原因与加固措施；何善国[5]分析了病险及旧挡土墙加固改造途径。一些学者还研究了挡土墙的质量检测方法[6]、安全评估方法[7]、加固设计方法[8]等，有力地促进了山区公路挡土墙维护、管理与加固技术的发展。

浙江位于我国东部沿海，多山地少平原，地质条件复杂；季风气候明显，台风、暴雨、洪灾多发；经济发达、道路交通量大、轴载重，这些特点都是挡土墙病害产生、发展、失稳的重要原因。笔者结合浙江省交通科技项目(2013H27-4)的研究，对山区公路挡土墙的常见病害进行了调研，为公路挡土墙的维护管理提供了依据。

1 山区公路挡土墙的主要结构形式

调研以浙西南山区为重点，通过现场走访、从养护部门收集资料等方式，先后对金丽温高速公路、龙丽高速公路、丽龙高速公路、330国道、333国道、49省道、52省道及丽水境内的部分县道，如云和线、平黄线、丽和线等进行了调查。调查发现，由于山岭地区石料来源广、数量多，且石料的强度较高、抗风化性能较好，故山区公路建设时重力式挡土墙是最主要的支挡结构，主要形式有：

1) 干砌片(块)石挡土墙。干砌片(块)石挡土墙是目前县乡道中最主要的结构形式(图1)。挡墙直接由块石片石搭砌而成，具有成本低，施工简单的优点，但强度低，稳定性差，也是山区公路支挡结构病害最为严重的墙型。

2) 浆砌片(块)石挡土墙。浆砌片(块)石挡土墙(图2)在国省道中应用最为广泛，结构上以衡重式挡墙为主，一般要求砂浆标号为M7.5，石料抗压强度应大于30 MPa，墙高一般为5～15 m。在县乡道修复工程中，浆砌片石挡土墙已开始取代干砌片石挡土墙。

3) 柔性生态加筋土挡墙。随着工程建设对生态环境的重视，近年来柔性生态加筋土挡墙在浙江高速公路建设中得到大力推广。这种挡墙将加筋土技术与生态护坡技术结合在一起，不仅施工简单、工效高，而且生态效果好，常用的结构形式有绿色加筋格宾挡墙(图3)、土工格栅包生态袋挡墙、吉奥挡墙(图4)等。

4) 其它形式的挡墙(如混凝土挡墙、锚杆挡墙锚碇板挡墙等)在浙江山区公路建设中稍有尝试，应用较少。

图1 干砌挡土墙

图2 浆砌挡土墙

图3 绿色加筋格宾挡墙

图4 吉奥挡墙

2 山区公路挡土墙的主要病害形式

从调研结果可以看到，浙江山区公路挡土墙可分为圬工(浆砌干砌)挡土墙和生态加筋土挡墙两类，其病害也可以按这一分类方法分别讨论。

2.1 圬工挡土墙的主要病害

调研结果表明，在山区公路建设中以干砌、浆砌方式建造的圬工挡土墙应用最为广泛。主要原因在于很多山区公路建设时间较早、设计标准低，而山岭地区石料来源广，强度高，便于就地取材、降低工程造价，但石料一般采用爆破方式开采，多呈不规则状，难以机械化施工，而且单体重量大，造成挡土墙施工时工人工作环境差、劳动强度大、工艺性强、因而实际工程中挡墙的病害也很多。

2.1.1 挡土墙倒塌

挡土墙倒塌严重威胁路基和边坡的稳定性，造成交通中断，甚至可能引发重大交通事故(图5)。现场调查和资料统计表明，山区公路挡土墙倒塌多发生在暴雨期间或连续降雨之后。

2.1.2 墙体外倾

墙体外倾表现为墙体绕墙趾转动。通常在伸缩、沉降缝处可观察到相邻挡土墙间产生相对错动，位移呈上大下小的楔形，如图6所示。墙体外倾主要发生在整体性较好的浆砌挡土墙、混凝土挡墙上，干砌挡土墙一般不会出现。

2.1.3 整体滑移

挡土墙随墙后土体整体发生滑移或下沉，路面或墙后土体出现纵向裂缝。如图7所示。

2.1.4 墙身外臌

由于墙身质量差，抗剪强度不足，使墙身中部或中下部向外臌出(图8)。墙身外臌主要发生在干砌挡土墙和浆砌挡墙上。

2.1.5 墙体断裂

墙体产生贯穿性纵向或横向裂缝。纵向(沿墙高方向)裂缝将一段挡墙分割成若干段，通常是由于沉降缝、伸缩缝设置不合理或数量不够，受地基沉降、温度变化的影响时，墙体变形受限而被挤裂或拉开；而横向(沿路线方向)裂缝将一段挡墙沿墙高分割成若干块，使浆砌挡土墙变成了干砌式(图9)。

2.1.6 墙土差异沉降

挡土墙与墙后土体沉降不一致使得墙土交接处形成一条沿路线方向的裂缝(图10)，为路面积水提供了通往路基内部的通道。

图5 挡墙倒塌

图6 挡墙外倾

图7 整体滑移

图8 墙体外臌

2.1.7 砂浆料石脱落

墙面勾缝砂浆随时间风化，成块状或条状脱落或在雨水、地表径流作用下，砂浆被冲刷散失，混凝土预制块或片(块)石砌缝外露。浆砌挡土墙施工后如果养护不及时也可能使砂浆烧坏，呈粉砂状脱落。墙面外层石块风化、或因砂浆失效、或受外力作用而脱落(图11)。

2.1.8 基础掏空

山区沿溪河挡土墙或处于库水涨落范围内的挡土墙，受水流长期冲刷作用，使挡土墙基底材料被冲蚀、流失，随着冲刷深度和范围的增大，基础逐渐脱空(图12)。

图9 墙身断裂

图10 墙土差异沉降

图11 墙面块石脱落

图12 墙基础被掏空

2.1.9 泄水孔被堵塞或位置不当

挡土墙设有泄水孔，但水从块石周围缝隙或伸缩缝渗出，泄水孔不出水，形同虚设。此时，墙背填土饱和，墙内积水无法及时排出，挡墙受附加静水压力作用，稳定性必然下降。

2.2 生态加筋土挡墙的主要病害

在浙江省得到广泛应用的加筋土挡墙主要是无面板的土工格栅包生态袋挡墙、绿色加筋格宾挡墙、吉奥挡墙等，其中土工格栅包生态袋挡墙应用最多，因此调研中看到的病害也多为这种结构挡墙的病害。主有以下几种：

2.2.1 挡土墙外臌变形

主要表现为加筋土挡墙的中下部向外臌出，呈“臌肚”状，臌出部分筋材被绷紧，受力较大(图13)。当墙面绿化覆盖率较低，臌胀部分的外包土工格栅将长时间接受阳光辐射，老化加速，强度降低而被拉断，使墙面填料失去约束而溜滑，有可能进一步引起挡墙失稳滑塌，使路面开裂、路基失稳(图14)。

2.2.2 生态袋过早老化，墙面填料流失

为了能进行生态绿化又避免填土从筋材网孔中漏出，生态型加筋土挡墙一般采用生态袋充填营养土或耕植土，再码砌在挡墙外侧并通过筋材反包构成墙面。生态袋一般要求采用可降解的专用植生袋，工程中有的施工单位为降低成本而采用普通化纤编织袋。这种编织袋表面致密，植物难以从袋中长出，而且耐久性很差，在阳光辐射下只需数星期时间就会完全老化溃烂，使袋内填料失去约束。若墙面绿化不到位，受降雨和路面汇集水冲刷作用时，袋内填料就会从土工格栅的网孔间流出(图15)，造成墙面反包筋材架空，挡墙局部失稳；在雨季局部失稳可能进一步发展，引发加筋体滑移失稳。

2.2.3 筋材破损老化

筋材破损老化包括两方面：一是机械损伤。受施工机械、人畜活动等影响，挡墙表层的筋材被破坏(图16)。二是墙面或顶层、分级台阶上的反包筋材没有得到应的防护而长期裸露在阳光下，受到光热的辐射而加速老化。

2.2.4 墙面植被绿化不到位

土工合成材料一般以高分子聚合物为原料，材料老化、强度下降是不可避免的，其老化速率与光热辐射强度最为敏感。因此，无面板生态型加筋土挡墙应在施工后及时对挡墙进行植生绿化。但受绿化施工方法、植物种类、养护以及气候等因素的影响，部分挡墙墙面长期不能形成有效的绿化植被，直接影响挡墙的耐久性和墙面抗冲刷能力。

图13 墙身膨胀变形

图14 路面开裂

图15 填土流失

图16 筋材被破坏

3 山区挡土墙病害成因与分类

山区公路挡墙的病害与墙型、墙身质量、水文地质条件、外部荷载等因素都有关系。结合调研结果分析，山区公路挡土墙的致害原因主要有以下几种。

3.1 洪涝灾害造成的水毁

洪涝灾害是引发山区、沿溪河公路挡土墙失稳破坏的首要原因。浙江地处东部沿海地带，年降雨量大，特别在夏秋季节，台风、暴雨频繁，造成山区河流暴涨暴落，且因山区地形变化大，汇水面积大，水流落差大，流速急，对路基挡土墙产生很大冲击，使墙前堆积体甚至挡土墙地基土体、石块被冲蚀流走，而墙后填料进水，重度增加，水土压力变大，造成挡土墙甚至整个路基倒塌(图17)。从调研结果可看到大部分路基、挡土墙的失稳破坏都是水毁。据浙江省国土资源厅公布的地质环境公报，浙江省的地质灾害主要发生在2～3月持续降雨期、6月梅雨期和8月台风期间，滑坡位于各类地质灾害之首，其中就包括大量的支挡结构损毁。

3.2 长期浸水

由于山区公路往往依山傍水沿河库而建，公路挡土墙就是河库岸的一部分，既使没有降雨影响，长期的溪流冲淘使挡土墙基础被掏空，库水位的波动在墙内引起反复渗流，动水压力使得挡土墙受到附加作用力、填料中的细颗粒流失。特别随着山区水电建设的发展，我省一些河流被层层截断蓄水发电，使大量沿河路基挡土墙由非浸水挡土墙变为长期浸水挡土墙，不仅改变了挡土墙的受力体系，降低地基及墙后岩土体强度，而且库水位的调节和河水位的周期性变化将引起地下及墙后水位的变化，潜流水位上升，水力梯度增大，潜流水的淘蚀范围增加，从而使挡土墙倾覆变形、路基不均匀沉降、路面出现纵向裂纹。近年来330国道沿开潭、五里亭电站、外雄等水库的浆砌衡重挡土墙和路基病害基本上都与水电站建、路基挡土墙由非浸水挡土墙变为浸水挡土墙有关(图18、图19)。

3.3 路基超载

随着国民经济的不断发展，作用在路面的交通荷载也在不断增长。大量超长超重车辆昼夜不停行驶在各级公路上，使实际交通荷载远远超过原有设计值，不仅使挡土墙受到土压力增加，更使路基、挡土墙受到长期高水平动应力作用，塑性变形累积，疲劳效应明显，使路面开裂、路基沉降增加，挡土墙逐渐外倾、臌胀变形。

3.4 墙身质量差

由调研结果可以看到，低等级山区公路挡土墙因设计等级低、建设早多采用干砌片石挡土墙，墙身靠块石间的相互咬合作用传递荷载，整体性差；并受长期风雨侵蚀作用，一些块石风化瓦解，块石间间隙增大。既使采用浆砌挡土墙，也因砌筑工艺要求高，工人劳动强度大，偷工减料现象严重，墙体座浆率低、空洞大(图20)、强度低，使浆砌挡土墙变成了干砌挡土墙，甚至由于片石、块石随机堆放，其质量要比干砌挡土墙还差，这也是造成墙身臌胀、倒塌的主要原因。一些工程还因工期紧，混凝土强度尚未达到要求就开始下一工序施工，造成混凝土与块石的粘接破坏，为挡墙病害的发展埋下了隐患。

图17 挡土墙水毁

图18 挡土墙垮塌

图19 挡土墙外倾

图20 墙身座浆率不足

3.5 地基承载力不足

由于山区地形变化大、地质条件复杂，施工难度大，路基挡土墙(特别低等级公路)基础大多位于堆积体上，基础埋置浅、地基承载力小，使挡土墙趾部下沉、墙身倾覆变位、水平推力变大，造成挡墙滑动甚至垮塌，有时也随边坡、地基整体滑动失稳。

3.6 挡土墙排水不良

挡土墙的排水条件对其稳定性影响很大。尽管山区地形变化大，地面积水少，但大气降雨、墙前水位上涨、路面积水、山体涌水等都很容易进入路基，若挡墙排水不良，使墙背填土和地基土的含水量增加，增大土体重度，降低其抗剪强度和地基承载力，并产生附加静水压力、土体膨胀压力，增加挡墙失稳机率。

除了墙体内的水应及时排除外，还应做好路面积水的疏排，避免路面积水渗入路基以及对挡墙墙面冲刷。这对于无面板生态加筋土挡墙而言更为重要，图21为有集水沟和无集水沟对生态型加筋土挡墙影响的对比。可见，无集水沟时，路面汇集的雨水会对挡墙坡面形成冲刷，使墙顶填土流失，顶层反包层的土工格栅裸露出来，加速筋材老化、引起挡墙局部失稳。

a) 无集水沟 b) 有集水沟

3.7 勘察、设计、施工不到位

山区公路等级往往较低，勘察、设计、施工要求被放松，特别是早期建设低等级公路挡土墙，可能必要的勘察工作都没有，水文地质条件没有查明，设计时参数选择不当，挡墙设计尺寸过小，施工时砌石挤浆不够密实，回填土不符合要求，压实不足等，都会造成墙身剪切破坏、外凸变形、勾缝脱落、石块松动等病害。

3.8 维护不及时

在病害发生初期，若不认真检查就很难及时发现，也就不能及时进行养护、修补；或者发现后，未能找出病害原因，采取的处治方法不适当，贻误时机，导致病害恶化。

结合调研和病害成因分析，可将山区公路挡墙的病害分为三类：一是单纯性病害。这类病害主要是由于挡土墙自身能力不足引起的病害，如墙身质量差、抗剪强度低、墙身抗滑移抗倾覆能力不够，病害主要由挡土墙设计、施工、材料老化等因素造成。二是间接性病害。挡土墙位于斜坡地形或软土地基时，病害多因边坡滑动、地基承载力不足而造成，通常发生挡土墙随边坡、地基整体滑移失稳。坡间挡土墙、软土地基挡土墙多发生这种病害。三是水害水毁，主要指挡土墙受山洪冲击、墙前水位骤变或者受水流长期冲淘作用而引发的病害失稳，山区沿河沿库公路挡土墙多发生这类病害。这三类挡土墙病害的致害原因不同，加固设计、稳定性分析方法等也应不同。