擋墻失穩(wěn)原因及判別方法淺析

朱冬舟

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

擋墻失穩(wěn)原因及判別方法淺析

朱冬舟

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

文章以攔路港重力式擋墻為例，闡述了一般擋墻破壞型式以不均勻下沉破壞為主，通過受力分析，明確各個(gè)作用力對(duì)擋墻穩(wěn)定所起的作用，提出各個(gè)作用力的兩面性，尤其是在擋墻發(fā)生細(xì)微傾斜下的變化，再通過擋墻失穩(wěn)原因分析，將失穩(wěn)原因直接反應(yīng)至某個(gè)作用力上，分析其影響途徑及結(jié)果。最

自力式擋墻；擋墻失穩(wěn)；擋墻破壞；受力分析；判別方法

1 概 述

擋墻作為主要承受土壓力，防止土體塌滑的擋土建筑物，在水利、公路、建筑物、鐵路等工程中應(yīng)用廣泛，文章主要以水利工程重力式擋墻為例，分析擋墻失穩(wěn)的原因及判別方法。重力式擋墻是依靠墻身自重抵抗土體側(cè)壓力的擋墻，一般可用塊石、片石、混凝土預(yù)制塊作為砌體，或采用片石混凝土、混凝土進(jìn)行整體澆筑。由于重力式擋墻靠自重維持平衡穩(wěn)定，因此，體積、重量都大，在軟弱地基或有軟弱下臥層的地基上修建擋墻，在運(yùn)行期往往存在安全隱患。

上海市攔路港兩岸擋墻均為2004年前后實(shí)施完成，其受當(dāng)年使用工況、經(jīng)濟(jì)條件等因素影響，基本采用性價(jià)比較高的毛石混凝土重力式擋墻，大部分采用天然地基，局部采用塘渣回填擠淤或方樁基礎(chǔ)。擋墻建成后，為兩岸防洪工程發(fā)揮了巨大的防洪減災(zāi)效益。

現(xiàn)攔路港作為蘇申外港線航道整治工程的一部分，按Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)運(yùn)行。近幾年，受航道通航影響，各段墻前泥面刷深不一，每年都出現(xiàn)外傾明顯但尚未倒塌的擋墻，為了防汛安全，陸續(xù)對(duì)受損擋墻進(jìn)行專項(xiàng)維修，但擋墻外傾多少就需維修，目前沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)如何及時(shí)針對(duì)性維修加固攔路港兩岸48km擋墻來說，具有很大的挑戰(zhàn)。從經(jīng)濟(jì)角度，原擋墻仍能發(fā)揮防洪效益，只是略有傾斜的話，直接維修加固也不經(jīng)濟(jì)，因此，上海市每年都希望對(duì)急需加固岸段進(jìn)行專項(xiàng)維修，將有限資金價(jià)值發(fā)揮最大。按照現(xiàn)行規(guī)范，對(duì)擋墻進(jìn)行安全鑒定最為常用，但需要大量的時(shí)間和精力，每年做一次安全鑒定也不現(xiàn)實(shí)。目前上海市擋墻各岸段均有專門巡查員，如何利用巡查員日常巡查外觀變形，初判擋墻安全性尤為重要。但巡查員并非專業(yè)技術(shù)人員，無法從理論角度評(píng)判擋墻是否已失穩(wěn)。通過與巡查員的多次接觸，通過擋墻頂部錯(cuò)縫進(jìn)行判斷最方便，此種方法雖然較直接，但錯(cuò)縫多少并無量化指標(biāo)，而且如果相鄰伸縮縫擋墻同時(shí)外傾并沒有錯(cuò)縫，就無法通過肉眼發(fā)現(xiàn)擋墻已經(jīng)存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，因此，文章主要分析更為容易操作的擋墻失穩(wěn)評(píng)判方法。

2 擋墻破壞型式

為了更好的分析擋墻失穩(wěn)，應(yīng)先了解其破壞的主要型式。由于重力式擋墻材料強(qiáng)度較高，其破壞基本體現(xiàn)在整體穩(wěn)定上，主要包括滑動(dòng)破壞、傾覆破壞和不均勻下沉破壞3種。

滑動(dòng)破壞分為3類：沿基底的滑動(dòng)破壞，沿基礎(chǔ)表面或沿緊臨基底表面土層中剪切破壞而產(chǎn)生滑動(dòng)；淺層剪切滑動(dòng)破壞，當(dāng)?shù)鼗心骋磺嫔霞魬?yīng)力過大時(shí)，可能在地基中產(chǎn)生淺層滑弧滑動(dòng)；深層剪切滑動(dòng)破壞，由于地基中某一曲面上剪應(yīng)力過大而產(chǎn)生。一般沿基底的滑動(dòng)破壞為主要控制型式。

傾覆破壞是由于擋墻繞其前趾產(chǎn)生過大的前傾和破壞。對(duì)土基抗傾穩(wěn)定驗(yàn)算不是控制條件，因?yàn)橥粱袭a(chǎn)生傾覆破壞時(shí)，必然伴隨前趾基底應(yīng)力過大，而應(yīng)力比在地基應(yīng)力驗(yàn)算中已受嚴(yán)格控制，在巖基上，由于應(yīng)力比要求放寬，可能會(huì)出現(xiàn)傾覆破壞。

地基下沉破壞，在各種力系的作用下，基底將承受壓力，通常假定此壓力按直線分布，而地基土承受壓力的能力是有限的，當(dāng)基底壓力大過地基承載能力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生地基下沉，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)鯄ο鲁疗茐?。這種下沉破壞是不均勻的，由于前趾應(yīng)力大于后趾應(yīng)力，大多出現(xiàn)前傾下沉。

攔路港沿線屬長江三角洲沖積平原，主要不良地質(zhì)條件有厚填土、明浜、淺部淤泥質(zhì)土等。厚填土，以黏性土為主，夾植物根、有機(jī)質(zhì)，夾少量碎石、碎磚等，土質(zhì)松散不均，呈欠固結(jié)狀態(tài)，滲透性較強(qiáng)，對(duì)堤防穩(wěn)定很不利；明浜，河底分布淤泥，含有機(jī)質(zhì)、碎石、腐殖物及少量生活垃圾，工程性質(zhì)極差；淺部淤泥質(zhì)土，為軟弱土層，承載力低。根據(jù)擋墻破壞型式及地基土情況，結(jié)合巡查人員反饋巡查信息，攔路港沿線擋墻破壞應(yīng)以不均勻下沉破壞為主。

3 擋墻受力分析

擋墻主要承受以下作用力：自重、附加荷載、土壓力、水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、淤沙壓力、風(fēng)浪壓力、冰壓力、土的凍脹力及地震荷載等。

一般擋墻損壞發(fā)生在正常擋水工況、施工工況。攔路港沿線根據(jù)巡查結(jié)果，擋墻失穩(wěn)大部分發(fā)生在正常擋水工況，其主要需考慮作用力包含：自重、附加荷載、土壓力、水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力。攔路港作為通航河道，主要受船行波影響，因此淤沙壓力基本不考慮；河道風(fēng)區(qū)長度較短，風(fēng)浪壓力也較小，可忽略。

自重主要包括擋墻底板、墻身自重及底板上部填土重量；附加荷載主要包括墻后人行、車行荷載，墻前船舶撞擊力等；土壓力主要包括墻前、墻后回填土側(cè)向土壓力及墻后荷載引起的側(cè)向土壓力；水重主要包括墻前水體自重，墻后底板以上地下水自重；靜水壓力主要包括墻前靜水壓力，墻后地下水靜水壓力；揚(yáng)壓力主要包括底板下浮托力及滲透壓力。擋墻上各個(gè)作用力基本都具有兩面性，一方面對(duì)結(jié)構(gòu)起有利作用，另一方面也伴隨不利影響，如自重，其為擋墻穩(wěn)定提供阻滑力，但自重對(duì)于底板很難做到居中，稍向外河偏移，就產(chǎn)生傾覆力矩，使前趾壓應(yīng)力增加；再如墻后側(cè)向土壓力，其為擋墻提供滑動(dòng)力，但通過側(cè)墻傾角的設(shè)置，將部分力分解至垂直向，其又可作為阻滑力的一部分，因此，擋墻很難在結(jié)構(gòu)擬定時(shí)對(duì)不利荷載進(jìn)行消除，只能通過合理布置，降低不利影響，提高有利因素，在有利和不利之間達(dá)到性價(jià)比最高的擋墻結(jié)構(gòu)尺寸。

4 擋墻失穩(wěn)原因分析

擋墻在多年運(yùn)行下，或多或少會(huì)產(chǎn)生部分失穩(wěn)現(xiàn)象，現(xiàn)以攔路港為例，主要失穩(wěn)原因分析如下。

1)墻前泥面刷深，降低墻前被動(dòng)土壓力。

攔路港河道口寬119-180m，河底高程為-3.60m，原河道設(shè)計(jì)斷面為：防汛墻墻前在高程2.60m處設(shè)置一平臺(tái)，平臺(tái)寬度為2.50m，河道平臺(tái)前邊坡為1∶3.25或1∶5至河底高程。現(xiàn)攔路港作為Ⅲ級(jí)航道，航運(yùn)繁忙，船舶噸位多有超標(biāo)，并在船舶運(yùn)行擱淺、掉頭等特殊情況影響下，墻前泥面均有不同程度的刷深，大部分接近允許沖刷高程，局部刷深超過3m以上，墻前填土提供的被動(dòng)土壓力被降低，相當(dāng)于增加了墻后側(cè)向土壓力，對(duì)擋墻穩(wěn)定不利[1]。

2)墻身老化、破損、止水老化，導(dǎo)致墻后土體松散，增加墻后主動(dòng)土壓力。

攔路港擋墻大部分采用漿砌塊石或毛石混凝土結(jié)構(gòu)，所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般為C15、C20，強(qiáng)度等級(jí)較低，用量小，結(jié)構(gòu)耐久性及抗老化能力低，經(jīng)過多年的風(fēng)雨侵蝕，結(jié)構(gòu)內(nèi)的混凝土或砂漿已疏松、脫落，墻后土體流失嚴(yán)重，土體處于松散狀態(tài)；部分止水帶老化或因輕微沉降、前傾、錯(cuò)位發(fā)生撕裂，導(dǎo)致墻后土體進(jìn)一步土體流失，降低了填土黏聚力，提高了主動(dòng)土壓力。

3)墻身多次加固，墻體斷面已成畸形，受力復(fù)雜。

以往堤防維修偏向于在原工程暴露出來的問題進(jìn)行加固處理，常水位以下結(jié)構(gòu)問題可能并未全部暴露；在此基礎(chǔ)上，經(jīng)多次加固后，擋墻斷面已成畸形，斷面連接處多成薄弱點(diǎn)，新老結(jié)構(gòu)接觸面脫開、滲漏、漿砌塊石脫落等，這給擋墻結(jié)構(gòu)受力帶來不確定性。

4)其他因素：

攔路港沿線基礎(chǔ)中普遍存在淤泥質(zhì)土，有的基礎(chǔ)即使在①素填土、②粉質(zhì)黏土層上，但其厚度較薄，在下臥淤泥質(zhì)軟土層影響下，也極易引起擋墻在極小的干擾下，發(fā)生失穩(wěn)。

攔路港擋墻后均建有寬度為3-6m的防汛通道，道路結(jié)構(gòu)基本為硬質(zhì)的混凝土路面或?yàn)r青路面，這為墻后運(yùn)行荷載增加提供了可能，實(shí)際上，防汛通道的汽車通行量也不小，接近鄉(xiāng)村道路，局部時(shí)段作為施工進(jìn)場(chǎng)道路使用，因此他的墻后荷載很難維持在原設(shè)計(jì)的2kN/m2，擋墻的運(yùn)行荷載提高后，極易引起擋墻的失穩(wěn)。

攔路港擋墻后綠化標(biāo)準(zhǔn)較高，在美化環(huán)境的同時(shí)，也為擋墻的運(yùn)行帶來新的安全隱患。擋墻竣工后的小樹木經(jīng)過接近20a的成長，很多枝干已經(jīng)初具規(guī)模，其不僅增加了墻后永久荷載，而且增加了大風(fēng)影響下的偶然荷載。

5 擋墻失穩(wěn)判別方法

攔路港沿線擋墻破壞多以不均勻下沉破壞為主，此類破壞型式表現(xiàn)最多的特征為墻身錯(cuò)縫、傾斜，錯(cuò)縫可以采用水平位移進(jìn)行量化，傾斜可以采用傾角進(jìn)行量化。不管是水平位移還是傾角，目前均無較為認(rèn)可的計(jì)算方法，為此，筆者提出水平位移采用經(jīng)驗(yàn)判別法，通過對(duì)較為成熟的樁基泥面處水平位移控制方法進(jìn)行類推；傾角提出受力分析計(jì)算法，通過受力分析，引入傾角變量，對(duì)原各個(gè)作用力進(jìn)行分解，計(jì)算出不同傾角下的安全系數(shù)。

5.1 經(jīng)驗(yàn)判別法

因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判別法，攔路港基礎(chǔ)無樁擋墻墻頂錯(cuò)縫超過2.5cm，通過定期監(jiān)測(cè)，并有持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)的，均可判別為擋墻即將失穩(wěn)，需要盡快進(jìn)行專項(xiàng)維修。

5.2 受力分析法

以攔路港較為常見原漿砌石擋墻為例，為了計(jì)算方便，本次對(duì)擋墻相關(guān)參數(shù)進(jìn)行簡化：①墻前填土按與底板面高程齊平考慮；②墻后填土按無黏性土考慮；③墻后填土只算至底板面高程。擋墻受力分析見圖2。

圖1 經(jīng)驗(yàn)判別法水平位移相似關(guān)系圖

受力分析法假設(shè)擋墻墻身傾斜角度θ，自重G1、G2、G3、G4、G5垂直力基本不變，但力臂有變化；土壓力(Ea1、Ea2)、水壓力P1、揚(yáng)壓力(U1、U2)的垂直分力及力臂均有變化；土壓力(Ea1、Ea2)、水壓力P1、揚(yáng)壓力(U1、U2)的水平分力及力臂也均有變化，在不同的θ值下，擋墻抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力見表1。

圖2 擋墻受力分析簡化圖

θ/°抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K偏心距e/m最大應(yīng)力δmax/kN最小應(yīng)力δmin/kN應(yīng)力比δmax/δmin平均應(yīng)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：本表結(jié)果由于未考慮墻前土壓力及填土黏聚力等，數(shù)據(jù)偏保守，本次只分析相對(duì)趨勢(shì)，因此基本不影響結(jié)論評(píng)判。)

攔路港堤防由于1997年12月即完成初設(shè)設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-98)、《水工擋墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL379-2007)均未發(fā)布實(shí)施，擋墻的抗滑穩(wěn)定系數(shù)、應(yīng)力比等均未有明確規(guī)范規(guī)定，只能根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行取值評(píng)判。根據(jù)《水工擋墻設(shè)計(jì)》(中國水利水電出版社1996年11月第一版)顯示，3級(jí)建筑物基本組合抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求≥1.25；基底應(yīng)力比容許值基本荷載組合中等堅(jiān)硬、緊密土層≥2.50。

攔路港擋墻原規(guī)模論證為3級(jí)建筑物，其基礎(chǔ)基本座落于①素填土、②粉質(zhì)黏土，局部坐落于③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土上，①層、②層承載力在60-80kN左右，③層50kN左右。原設(shè)計(jì)底板在①層、②層的，基本采用原狀基礎(chǔ)；底板在③層的，采用回填塘渣擠淤，局部采用預(yù)制樁基礎(chǔ)。由表1(θ=0°)計(jì)算結(jié)果，擋墻基本組合抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)k=1.28>1.25；平均應(yīng)力δ=58.73kPa<(60-80)kPa，基底應(yīng)力比δmax/δmin= 2.50≤2.50，均滿足設(shè)計(jì)要求。

進(jìn)一步分析表1計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)擋墻因相關(guān)原因發(fā)生向墻前傾斜θ后，隨著θ角度越來越大，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)k變化不大，并未因?yàn)榘l(fā)生傾斜而出現(xiàn)抗滑穩(wěn)定問題，這與現(xiàn)狀較為相符；偏心距e、基底應(yīng)力比δmax/δmin隨著θ增大，均增加明顯，但平均應(yīng)力δ變化不大。隨著擋墻前趾應(yīng)力增加、后趾應(yīng)力降低，前趾應(yīng)力接近或超過地基土允許承載力時(shí)，擋墻破底板會(huì)發(fā)生不均勻下沉，它的表現(xiàn)型式為墻身發(fā)生傾斜。根據(jù)圖2受力分析，擋墻具體失穩(wěn)角度跟擋墻擋土具體尺寸、地基承載力有直接關(guān)系，無法定性給出唯一失穩(wěn)傾斜角度。從表1來看，擋墻在傾斜1°的情況，擋墻已經(jīng)要出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。

5.3 方法對(duì)比

采用經(jīng)驗(yàn)判別法，文章?lián)鯄Π咐Х€(wěn)條件為錯(cuò)縫值達(dá)2.5cm，折算到受力分析法，擋墻墻身傾斜角度在0.55°，由表1顯示，擋墻基本屬于臨界狀態(tài)，稍微傾斜一點(diǎn)，就有可能發(fā)生失穩(wěn)，應(yīng)該來說，理想狀況下，判別結(jié)果基本一致。

經(jīng)驗(yàn)判別法偏向與類比經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際依據(jù)并不充足，唯一影響因素只考慮擋土高度，顯然很難有說服力；同時(shí)，此法需要有現(xiàn)場(chǎng)參照，當(dāng)擋墻同時(shí)發(fā)生大小不一的傾斜，結(jié)果更易失真，但是在實(shí)際管理養(yǎng)護(hù)過程中又很直觀，現(xiàn)狀肉眼即可判斷擋墻的運(yùn)行狀況，巡查人員基本采用此法進(jìn)行判別。

受力分析法較為客觀，通過對(duì)不同傾斜角度下?lián)鯄Φ膶?shí)際受力分析，計(jì)算出擋墻失穩(wěn)的邊界條件，結(jié)論有一定的說服力，但在實(shí)際管理養(yǎng)護(hù)過程中，非專業(yè)人士很難現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量墻身傾角，這樣為判別失穩(wěn)帶來一定的不確定性。

綜上所述，經(jīng)驗(yàn)判別法準(zhǔn)確度不高，但卻實(shí)用方便；受力分析法較為客觀，但實(shí)際操作不方便。因此，筆者建議，在擋墻設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員通過受力分析法，計(jì)算出擋墻失穩(wěn)的臨界角度，并推算出墻頂?shù)乃轿灰?，在設(shè)計(jì)圖紙中明確這一數(shù)值；管理人員巡查過程中，利用經(jīng)驗(yàn)判別法進(jìn)行實(shí)地水平位移與臨界水平位移對(duì)比初判，為后期維修加固程序提供原始依據(jù)。

6 總 結(jié)

1)擋墻破壞基本體現(xiàn)在整體穩(wěn)定上，主要包括滑動(dòng)破壞、傾覆破壞和不均勻下沉破壞3種，從攔路港所處環(huán)境及運(yùn)行工況等方面分析得出，一般以不均勻下沉破壞為主。

2)對(duì)擋墻進(jìn)行詳細(xì)的受力分析，明確各個(gè)作用力對(duì)擋墻穩(wěn)定所起的作用，辯證分析了擋墻發(fā)生細(xì)微傾斜后，各個(gè)作用力對(duì)穩(wěn)定的兩面性。

3)不同的擋墻失穩(wěn)原因，最終都可反應(yīng)到某個(gè)作用力上，為擋墻失穩(wěn)的受力分析法提供依據(jù)。

4)擋墻失穩(wěn)可用經(jīng)驗(yàn)判別法與受力分析法進(jìn)行判別，兩種方法各有利弊，建議設(shè)計(jì)人員采用受力分析法提出擋墻失穩(wěn)的臨界判別參數(shù)，運(yùn)行管理人員在日常巡查過程中，利用設(shè)計(jì)人員提供的參數(shù)，通過經(jīng)驗(yàn)判別法進(jìn)行擋墻失穩(wěn)的日常判別。

[1]中華人民共和國水利部.GB50286—2013堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2013.

1007-7596(2017)07-0125-04

2017-06-26

朱冬舟(1985-)，男，江蘇濱海人，工程師，研究方向?yàn)樗こ獭?/p>

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