某加建挡土墙垮塌原因分析及稳定性计算

杨 成，朱国良，靳才宇，高文艺

（贵州中建建筑科研设计院有限公司（贵州省建筑科学研究检测中心），贵州 贵阳 550006）

0 引言

挡土墙是支撑路基填土或山坡土体、防止填土或土体变形失稳的构造物。由于对挡土墙的安全重视不够，挡土墙的设计与施工水平有限，在原有挡土墙上加建挡土墙将会对原有挡土墙产生作用力，加之墙后继续填土，容易造成原有或加建挡土墙墙体出现裂缝，墙身发生变形，若两者结合处未处置好，将会造成垮塌事故，危及相邻建筑物安全［1］，造成不必要的损失。

本文根据对某加建挡土墙垮塌事故的分析，对加建挡土墙的稳定性进行计算，建立FLAC3D模型，分析挡土墙受力情况，以期对类似工程有一定的警示与借鉴作用。

1 工程概况

某重力式挡土墙墙身最大高度13m，修建于2013年，现墙身埋入地坪约8m。因平整场地需要，建设方于2017年7月在墙顶对其加建（有设计施工图），加建高度2～3m，加建工程于当月完成。随后建设方在挡土墙背填土施工。2017年8月20日，该挡土墙原建部分局部垮塌（见图1），之后建设方将加建部分全部拆除。

2 现场检测

2.1 挡土墙基础检测

图1 挡土墙垮塌实景

本次基础检查中对挡土墙基础进行开挖探井检测，结合委托方提供资料显示，挡土墙基础为浆砌块石扩展基础，墙趾宽0.34m，高0.8m。

2.2 外观质量

主要通过对挡土墙砌筑砂浆的饱满度、墙面砌筑的平整度、泄水孔、沉降缝、勾缝情况等进行外观检查，另外对砂浆的饱满程度进行抽样检查，检测结果如下。

1）该挡土墙均为浆砌块石挡墙，受检部位挡土墙砌筑石材质地坚实，无明显风化剥落。挡土墙墙身局部位置沿灰缝出现竖向裂缝，部分挡墙段墙顶出现水平裂缝，最大裂缝宽145mm。

2）该挡土墙砌块大部分错缝砌筑，砌块之间相互咬紧，局部未错缝砌筑，剔除表面勾缝砂浆后，大部分抽检部位发现较大空洞现象，检查中发现偶有松动砌块，局部位置砌筑砂浆可用手指扣动。

3）该挡土墙墙面部位的砌筑石料大小级配较好，墙面平整度较好，墙面有勾缝。

4）该挡土墙泄水孔设置部分大于设计要求的泄水孔间距（泄水孔设计间距2.0～3.0m，实际水平间距2.0～3.5m，垂直间距2.5～3.3m）；从目前所设置泄水孔的工作情况来看，大部分泄水孔未见泄水痕迹。

5）该挡土墙已按设计要求设置沉降缝，所检查沉降缝间距为12.5，9.6，8.7，10.1，9.8，10.2，10.2，9.9，10.6，6.7m，基本满足设计中沉降缝间距为10～15m的要求，沉降缝整齐垂直，沉降缝缝宽4.0～5.5cm，大于设计3cm的要求，沉降缝内表面为木板或未填塞，未见设计要求缝中塞满沥青麻筋。

2.3 挡土墙外观尺寸量测

由于本次挡土墙尺寸测量是在挡土墙竣工后进行的，故墙背、墙踵、墙趾各细部尺寸无法测量，本次检测主要对挡土墙的外观主要尺寸（墙身高度、墙顶宽度、沉降缝间距、泄水孔间距）进行量测，结果显示：挡土墙主要外观尺寸满足设计及图集要求。

2.4 砌筑砂浆强度

挡土墙砌筑砂浆强度的测定，在现场对挡土墙随机选取18个约4.5m×4.5m的测位，剔除表面勾缝砂浆，每个测位内均布16个测试点（相邻测点水平间距不小于240mm），采用砂浆贯入仪测取砌筑砂浆强度，推断砂浆强度等级。

经检测，挡土墙的砂浆抗压强度介于3.2～5.1MPa。砌筑砂浆抗压强度不满足设计砌筑砂浆强度（M10）的要求。

2.5 砌筑石材强度

根据GB／T50266—2013《工程岩体试验方法标准》，在对挡土墙的砌筑材料（石料）强度等级评定时，采用现场取样，室内制成标准试样，进行单轴抗压强度试验。本次检测中挡土墙每段（2个伸缩缝之间为1段，共10段，正对挡墙从左往右依次编为①～⑩）分别钻取芯样1～2个，共10个芯样。试验采用圆柱体，直径为54mm，按高径比2.0制作标准试件，饱水24h后进行抗压强度试验。试验结果表明，抽检的试样单轴饱和抗压强度平均值为96.91MPa（最小值为64.34MPa），满足设计要求。

2.6 地质雷达探测挡墙情况

根据现场情况，布置测线1（方向正对挡墙从右往左，高度离地坪约1.0m）和测线2（方向正对挡墙从右往左，高度离地坪约1.0m），探测结果如表1与图2所示。

3 挡土墙稳定性计算分析

根据资料显示，加建第二阶挡土墙继续进行填土，之后挡土墙局部位置发生垮塌事故。原挡土墙（包含第二阶）墙后回填土坡度为1∶1.15。

3.1 理论计算

原挡土墙为2013年修建，加建挡土墙为2017年7月份修建。资料显示，垮塌位置处加建挡土墙高2.0m，与原挡土墙作为一个整体，原挡土墙墙身主要尺寸为：墙身高13m（墙身埋入地坪约8m，实际计算高度为6m，其中1m为基础），墙顶宽1.2m，面坡倾斜坡度1∶0.25，上墙背坡倾斜坡度1∶0.8，下墙背坡倾斜坡度1∶0.25，采用1m浆砌块石基础。根据场地平整的详细勘察钻孔资料，得到挡土墙与土体材料参数如表2所示。

表1 挡土墙探测结果

依据规范及挡土墙检测结果，结合详细勘察钻孔资料得到的土体材料参数，采用北京理正5.11岩土软件计算边坡稳定性如下。

1）滑动稳定性验算 滑移验算满足：Kc＝2.139＞1.300。

2）倾覆稳定性验算 倾覆验算满足：K0＝4.989＞1.500。

3）地基应力及偏心距验算 ①作用于基底的合力偏心距验算满足（e＝0.032m＜1.619m）；②墙趾处地基承载力验算满足（压应力＝208.928kPa＜600.000kPa）；③墙踵处地基承载力验算满足（压应力 ＝196.747kPa＜650.000kPa）；④地基平均承载力验算满足（压应力＝202.837kPa＜500.000kPa）。

4）基础强度验算 基础为天然地基，不作强度验算。

5）上墙截面强度验算 ①截面上偏心距验算满足（e1＝0.946m＜1.943m）；②压应力验算满足（计算值＝199.140kPa ＜2100.000kPa）；③剪应力验算满足（计算值＝0.154kPa ＜50.000kPa）；④斜剪应力验算不满足（计算值＝63.441kPa＞50.000kPa）。

6）墙底截面强度验算 ①截面上偏心距验算满足（e1＝0.032m＜1.943m）；②压应力验算满足（计算值＝208.928kPa＜2100.000kPa）；③剪应力验算满足（计算值＝－33.713kPa＜50.000kPa）。

经验算，挡土墙的滑动稳定性、倾覆稳定性满足设计要求，但原挡土墙上墙背坡倾斜坡度1∶0.8处截面斜剪应力验算不满足。

3.2 原因分析

1）从挡土墙垮塌部位来看，砌石块间有空隙、孔洞、砂浆不饱满，小块石多且集中堆放，未分散填塞于大块石周围，未发现有拉结石砌块，垮塌部位砂浆部分可用手指扣动，墙体未按规范及设计要求施工；砂浆强度等级、砂浆饱满度不满足设计要求。

2）通过开挖原挡土墙垮塌部位墙背，未见反滤体或反滤层，墙背探井底部填土湿润，含水率较高。结合现场泄水孔工作情况，水不能有效地从挡土墙泄水孔中排出，使得墙后填土抗剪强度降低，导致土压力增加。

3）加建挡土墙直接修建在原挡土墙上，通过开挖探井检查垮塌后墙背情况，发现有相当大面积的水泥砂浆呈粉末状，通过分析为砌筑加建挡土墙砌前块石和基面未洒水湿润，砌后未充分浇水养护所致。

4）现场实测挡土墙垮塌部位墙顶宽度为1.2m，根据委托方提供资料显示加建挡土墙墙底宽度为1.61m。上下阶挡土墙连接处做法为：加建挡土墙修建在原挡土墙之上，原挡土墙靠回填土层基槽开挖深0.9m，上宽1.8m，采用毛石回填。由于原挡土墙的上墙、加建挡土墙基础连接位置处不满足设计要求，二者未连接为一个有效整体，使该组合挡土墙为变截面挡土墙，导致原挡土墙上墙部位应力集中。

5）从委托方提供的部分资料及现有破坏现场的查勘情况分析，挡土墙垮塌不符合倾覆或滑移破坏形态，属于墙身鼓曲破坏。按照委托方提供的加建挡土墙实际施工信息，将加建挡土墙作为集中力作用在下一阶挡土墙墙顶。经过验算，挡土墙抗倾覆、抗滑移稳定性验算满足要求，但上墙截面（原挡土墙上墙背坡倾斜坡度1∶0.8处截面）强度验算不满足要求。理论计算与挡土墙垮塌部位破坏形态相符。

4 FLAC3D分析

根据现场情况建立模型及网格划分，如图3所示，模型计算的物理力学参数指标采用表2数据，计算中对模型y方向宽度为1m，力学边界条件为下部fix，左右两侧为水平fix，上部free。

表2 挡土墙与土体材料参数

从图4，5可看出其变形破坏模式与破坏面，主要塑性区发生在挡土墙与填土交界处，破坏面在原挡土墙上墙背坡倾斜坡度1∶0.8处截面，该位置处的剪应力最大，加之该位置处挡土墙施工质量不满足设计要求，造成了工程质量事故，FLAC3D结果与上述理正岩土计算结果及原因分析一致。

图3 FLAC3D模型网格划分

图4 最大剪应变增量云图

图5 最大剪应力云图

5 结语

根据对垮塌部位挡土墙进行的施工质量检测结果，利用北京理正岩土软件计算边坡稳定性，建立挡土墙FLAC3D模型，分析挡土墙受力情况，得出如下结论。

1）理正岩土软件计算结果与FLAC3D计算结果一致，共同得出加建挡土墙受力最大的位置为原挡土墙上墙背坡倾斜坡度1∶0.8处截面。说明在类似工程分析过程中，可采用多个软件分析，相互印证。

2）通过理论分析结合现场检测结果，挡土墙垮塌的主要原因为：①原挡土墙垮塌部位施工质量不满足设计及规范要求；②加建挡土墙基础及连接不符合设计要求，对原挡土墙产生不利影响。

3）加建挡土墙施工过程中应严格按照设计单位设计要求施工，以免造成工程事故。