挡墙失稳原因及判别方法浅析

2017-08-16朱冬舟

黑龙江水利科技 2017年7期

关键词：墙身挡墙巡查

朱冬舟

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

挡墙失稳原因及判别方法浅析

朱冬舟

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

文章以拦路港重力式挡墙为例，阐述了一般挡墙破坏型式以不均匀下沉破坏为主，通过受力分析，明确各个作用力对挡墙稳定所起的作用，提出各个作用力的两面性，尤其是在挡墙发生细微倾斜下的变化，再通过挡墙失稳原因分析，将失稳原因直接反应至某个作用力上，分析其影响途径及结果。最

自力式挡墙；挡墙失稳；挡墙破坏；受力分析；判别方法

1 概述

挡墙作为主要承受土压力，防止土体塌滑的挡土建筑物，在水利、公路、建筑物、铁路等工程中应用广泛，文章主要以水利工程重力式挡墙为例，分析挡墙失稳的原因及判别方法。重力式挡墙是依靠墙身自重抵抗土体侧压力的挡墙，一般可用块石、片石、混凝土预制块作为砌体，或采用片石混凝土、混凝土进行整体浇筑。由于重力式挡墙靠自重维持平衡稳定，因此，体积、重量都大，在软弱地基或有软弱下卧层的地基上修建挡墙，在运行期往往存在安全隐患。

上海市拦路港两岸挡墙均为2004年前后实施完成，其受当年使用工况、经济条件等因素影响，基本采用性价比较高的毛石混凝土重力式挡墙，大部分采用天然地基，局部采用塘渣回填挤淤或方桩基础。挡墙建成后，为两岸防洪工程发挥了巨大的防洪减灾效益。

现拦路港作为苏申外港线航道整治工程的一部分，按Ⅲ级航道标准建设运行。近几年，受航道通航影响，各段墙前泥面刷深不一，每年都出现外倾明显但尚未倒塌的挡墙，为了防汛安全，陆续对受损挡墙进行专项维修，但挡墙外倾多少就需维修，目前没有明确的标准，这对如何及时针对性维修加固拦路港两岸48km挡墙来说，具有很大的挑战。从经济角度，原挡墙仍能发挥防洪效益，只是略有倾斜的话，直接维修加固也不经济，因此，上海市每年都希望对急需加固岸段进行专项维修，将有限资金价值发挥最大。按照现行规范，对挡墙进行安全鉴定最为常用，但需要大量的时间和精力，每年做一次安全鉴定也不现实。目前上海市挡墙各岸段均有专门巡查员，如何利用巡查员日常巡查外观变形，初判挡墙安全性尤为重要。但巡查员并非专业技术人员，无法从理论角度评判挡墙是否已失稳。通过与巡查员的多次接触，通过挡墙顶部错缝进行判断最方便，此种方法虽然较直接，但错缝多少并无量化指标，而且如果相邻伸缩缝挡墙同时外倾并没有错缝，就无法通过肉眼发现挡墙已经存在失稳风险，因此，文章主要分析更为容易操作的挡墙失稳评判方法。

2 挡墙破坏型式

为了更好的分析挡墙失稳，应先了解其破坏的主要型式。由于重力式挡墙材料强度较高，其破坏基本体现在整体稳定上，主要包括滑动破坏、倾覆破坏和不均匀下沉破坏3种。

滑动破坏分为3类：沿基底的滑动破坏，沿基础表面或沿紧临基底表面土层中剪切破坏而产生滑动；浅层剪切滑动破坏，当地基中某一曲面上剪应力过大时，可能在地基中产生浅层滑弧滑动；深层剪切滑动破坏，由于地基中某一曲面上剪应力过大而产生。一般沿基底的滑动破坏为主要控制型式。

倾覆破坏是由于挡墙绕其前趾产生过大的前倾和破坏。对土基抗倾稳定验算不是控制条件，因为土基上产生倾覆破坏时，必然伴随前趾基底应力过大，而应力比在地基应力验算中已受严格控制，在岩基上，由于应力比要求放宽，可能会出现倾覆破坏。

地基下沉破坏，在各种力系的作用下，基底将承受压力，通常假定此压力按直线分布，而地基土承受压力的能力是有限的，当基底压力大过地基承载能力时，会产生地基下沉，进而导致挡墙下沉破坏。这种下沉破坏是不均匀的，由于前趾应力大于后趾应力，大多出现前倾下沉。

拦路港沿线属长江三角洲冲积平原，主要不良地质条件有厚填土、明浜、浅部淤泥质土等。厚填土，以黏性土为主，夹植物根、有机质，夹少量碎石、碎砖等，土质松散不均，呈欠固结状态，渗透性较强，对堤防稳定很不利；明浜，河底分布淤泥，含有机质、碎石、腐殖物及少量生活垃圾，工程性质极差；浅部淤泥质土，为软弱土层，承载力低。根据挡墙破坏型式及地基土情况，结合巡查人员反馈巡查信息，拦路港沿线挡墙破坏应以不均匀下沉破坏为主。

3 挡墙受力分析

挡墙主要承受以下作用力：自重、附加荷载、土压力、水重、静水压力、扬压力、淤沙压力、风浪压力、冰压力、土的冻胀力及地震荷载等。

一般挡墙损坏发生在正常挡水工况、施工工况。拦路港沿线根据巡查结果，挡墙失稳大部分发生在正常挡水工况，其主要需考虑作用力包含：自重、附加荷载、土压力、水重、静水压力、扬压力。拦路港作为通航河道，主要受船行波影响，因此淤沙压力基本不考虑；河道风区长度较短，风浪压力也较小，可忽略。

自重主要包括挡墙底板、墙身自重及底板上部填土重量；附加荷载主要包括墙后人行、车行荷载，墙前船舶撞击力等；土压力主要包括墙前、墙后回填土侧向土压力及墙后荷载引起的侧向土压力；水重主要包括墙前水体自重，墙后底板以上地下水自重；静水压力主要包括墙前静水压力，墙后地下水静水压力；扬压力主要包括底板下浮托力及渗透压力。挡墙上各个作用力基本都具有两面性，一方面对结构起有利作用，另一方面也伴随不利影响，如自重，其为挡墙稳定提供阻滑力，但自重对于底板很难做到居中，稍向外河偏移，就产生倾覆力矩，使前趾压应力增加；再如墙后侧向土压力，其为挡墙提供滑动力，但通过侧墙倾角的设置，将部分力分解至垂直向，其又可作为阻滑力的一部分，因此，挡墙很难在结构拟定时对不利荷载进行消除，只能通过合理布置，降低不利影响，提高有利因素，在有利和不利之间达到性价比最高的挡墙结构尺寸。

4 挡墙失稳原因分析

挡墙在多年运行下，或多或少会产生部分失稳现象，现以拦路港为例，主要失稳原因分析如下。

1)墙前泥面刷深，降低墙前被动土压力。

拦路港河道口宽119-180m，河底高程为-3.60m，原河道设计断面为：防汛墙墙前在高程2.60m处设置一平台，平台宽度为2.50m，河道平台前边坡为1∶3.25或1∶5至河底高程。现拦路港作为Ⅲ级航道，航运繁忙，船舶吨位多有超标，并在船舶运行搁浅、掉头等特殊情况影响下，墙前泥面均有不同程度的刷深，大部分接近允许冲刷高程，局部刷深超过3m以上，墙前填土提供的被动土压力被降低，相当于增加了墙后侧向土压力，对挡墙稳定不利[1]。

2)墙身老化、破损、止水老化，导致墙后土体松散，增加墙后主动土压力。

拦路港挡墙大部分采用浆砌块石或毛石混凝土结构，所用混凝土强度等级一般为C15、C20，强度等级较低，用量小，结构耐久性及抗老化能力低，经过多年的风雨侵蚀，结构内的混凝土或砂浆已疏松、脱落，墙后土体流失严重，土体处于松散状态；部分止水带老化或因轻微沉降、前倾、错位发生撕裂，导致墙后土体进一步土体流失，降低了填土黏聚力，提高了主动土压力。

3)墙身多次加固，墙体断面已成畸形，受力复杂。

以往堤防维修偏向于在原工程暴露出来的问题进行加固处理，常水位以下结构问题可能并未全部暴露；在此基础上，经多次加固后，挡墙断面已成畸形，断面连接处多成薄弱点，新老结构接触面脱开、渗漏、浆砌块石脱落等，这给挡墙结构受力带来不确定性。

4)其他因素：

拦路港沿线基础中普遍存在淤泥质土，有的基础即使在①素填土、②粉质黏土层上，但其厚度较薄，在下卧淤泥质软土层影响下，也极易引起挡墙在极小的干扰下，发生失稳。

拦路港挡墙后均建有宽度为3-6m的防汛通道，道路结构基本为硬质的混凝土路面或沥青路面，这为墙后运行荷载增加提供了可能，实际上，防汛通道的汽车通行量也不小，接近乡村道路，局部时段作为施工进场道路使用，因此他的墙后荷载很难维持在原设计的2kN/m2，挡墙的运行荷载提高后，极易引起挡墙的失稳。

拦路港挡墙后绿化标准较高，在美化环境的同时，也为挡墙的运行带来新的安全隐患。挡墙竣工后的小树木经过接近20a的成长，很多枝干已经初具规模，其不仅增加了墙后永久荷载，而且增加了大风影响下的偶然荷载。

5 挡墙失稳判别方法

拦路港沿线挡墙破坏多以不均匀下沉破坏为主，此类破坏型式表现最多的特征为墙身错缝、倾斜，错缝可以采用水平位移进行量化，倾斜可以采用倾角进行量化。不管是水平位移还是倾角，目前均无较为认可的计算方法，为此，笔者提出水平位移采用经验判别法，通过对较为成熟的桩基泥面处水平位移控制方法进行类推；倾角提出受力分析计算法，通过受力分析，引入倾角变量，对原各个作用力进行分解，计算出不同倾角下的安全系数。

5.1 经验判别法

因此，根据经验判别法，拦路港基础无桩挡墙墙顶错缝超过2.5cm，通过定期监测，并有持续发展趋势的，均可判别为挡墙即将失稳，需要尽快进行专项维修。

5.2 受力分析法

以拦路港较为常见原浆砌石挡墙为例，为了计算方便，本次对挡墙相关参数进行简化：①墙前填土按与底板面高程齐平考虑；②墙后填土按无黏性土考虑；③墙后填土只算至底板面高程。挡墙受力分析见图2。

图1 经验判别法水平位移相似关系图

受力分析法假设挡墙墙身倾斜角度θ，自重G1、G2、G3、G4、G5垂直力基本不变，但力臂有变化；土压力(Ea1、Ea2)、水压力P1、扬压力(U1、U2)的垂直分力及力臂均有变化；土压力(Ea1、Ea2)、水压力P1、扬压力(U1、U2)的水平分力及力臂也均有变化，在不同的θ值下，挡墙抗滑稳定及基底应力见表1。

图2 挡墙受力分析简化图

θ/°抗滑稳定安全系数K偏心距e/m最大应力δmax/kN最小应力δmin/kN应力比δmax/δmin平均应力δ/kN01.280.15783.9033.562.5058.7311.270.17486.7130.982.8058.8521.270.19089.5828.353.1658.9631.270.20792.4825.683.6059.0841.270.22495.4322.964.1659.1951.270.24298.4220.194.8759.3161.260.259101.4617.385.8459.4271.260.277104.5314.527.2059.5381.260.295107.6511.639.2659.64

(注：本表结果由于未考虑墙前土压力及填土黏聚力等，数据偏保守，本次只分析相对趋势，因此基本不影响结论评判。)

拦路港堤防由于1997年12月即完成初设设计，当时《堤防工程设计规范》(GB50286-98)、《水工挡墙设计规范》(SL379-2007)均未发布实施，挡墙的抗滑稳定系数、应力比等均未有明确规范规定，只能根据相关设计手册进行取值评判。根据《水工挡墙设计》(中国水利水电出版社1996年11月第一版)显示，3级建筑物基本组合抗滑稳定安全系数要求≥1.25；基底应力比容许值基本荷载组合中等坚硬、紧密土层≥2.50。

拦路港挡墙原规模论证为3级建筑物，其基础基本座落于①素填土、②粉质黏土，局部坐落于③淤泥质粉质黏土上，①层、②层承载力在60-80kN左右，③层50kN左右。原设计底板在①层、②层的，基本采用原状基础；底板在③层的，采用回填塘渣挤淤，局部采用预制桩基础。由表1(θ=0°)计算结果，挡墙基本组合抗滑稳定安全系数k=1.28>1.25；平均应力δ=58.73kPa<(60-80)kPa，基底应力比δmax/δmin= 2.50≤2.50，均满足设计要求。

进一步分析表1计算结果显示，当挡墙因相关原因发生向墙前倾斜θ后，随着θ角度越来越大，抗滑稳定安全系数k变化不大，并未因为发生倾斜而出现抗滑稳定问题，这与现状较为相符；偏心距e、基底应力比δmax/δmin随着θ增大，均增加明显，但平均应力δ变化不大。随着挡墙前趾应力增加、后趾应力降低，前趾应力接近或超过地基土允许承载力时，挡墙破底板会发生不均匀下沉，它的表现型式为墙身发生倾斜。根据图2受力分析，挡墙具体失稳角度跟挡墙挡土具体尺寸、地基承载力有直接关系，无法定性给出唯一失稳倾斜角度。从表1来看，挡墙在倾斜1°的情况，挡墙已经要出现失稳的情况。

5.3 方法对比

采用经验判别法，文章挡墙案例失稳条件为错缝值达2.5cm，折算到受力分析法，挡墙墙身倾斜角度在0.55°，由表1显示，挡墙基本属于临界状态，稍微倾斜一点，就有可能发生失稳，应该来说，理想状况下，判别结果基本一致。

经验判别法偏向与类比经验，实际依据并不充足，唯一影响因素只考虑挡土高度，显然很难有说服力；同时，此法需要有现场参照，当挡墙同时发生大小不一的倾斜，结果更易失真，但是在实际管理养护过程中又很直观，现状肉眼即可判断挡墙的运行状况，巡查人员基本采用此法进行判别。

受力分析法较为客观，通过对不同倾斜角度下挡墙的实际受力分析，计算出挡墙失稳的边界条件，结论有一定的说服力，但在实际管理养护过程中，非专业人士很难现场测量墙身倾角，这样为判别失稳带来一定的不确定性。

综上所述，经验判别法准确度不高，但却实用方便；受力分析法较为客观，但实际操作不方便。因此，笔者建议，在挡墙设计的过程中，设计人员通过受力分析法，计算出挡墙失稳的临界角度，并推算出墙顶的水平位移，在设计图纸中明确这一数值；管理人员巡查过程中，利用经验判别法进行实地水平位移与临界水平位移对比初判，为后期维修加固程序提供原始依据。