擋墻失穩原因及判別方法淺析

朱冬舟

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

擋墻失穩原因及判別方法淺析

朱冬舟

(上海勘測設計研究院有限公司，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，明確各個作用力對擋墻穩定所起的作用，提出各個作用力的兩面性，尤其是在擋墻發生細微傾斜下的變化，再通過擋墻失穩原因分析，將失穩原因直接反應至某個作用力上，分析其影響途徑及結果。最

自力式擋墻；擋墻失穩；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壓力的擋墻，一般可用塊石、片石、混凝土預制塊作為砌體，或采用片石混凝土、混凝土進行整體澆筑。由于重力式擋墻靠自重維持平衡穩定，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年前后實施完成，其受當年使用工況、經濟條件等因素影響，基本采用性價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。擋墻建成后，為兩岸防洪工程發揮了巨大的防洪減災效益。

現攔路港作為蘇申外港線航道整治工程的一部分，按Ⅲ級航道標準建設運行。近幾年，受航道通航影響，各段墻前泥面刷深不一，每年都出現外傾明顯但尚未倒塌的擋墻，為了防汛安全，陸續對受損擋墻進行專項維修，但擋墻外傾多少就需維修，目前沒有明確的標準，這對如何及時針對性維修加固攔路港兩岸48km擋墻來說，具有很大的挑戰。從經濟角度，原擋墻仍能發揮防洪效益，只是略有傾斜的話，直接維修加固也不經濟，因此，上海市每年都希望對急需加固岸段進行專項維修，將有限資金價值發揮最大。按照現行規范，對擋墻進行安全鑒定最為常用，但需要大量的時間和精力，每年做一次安全鑒定也不現實。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。但巡查員并非專業技術人員，無法從理論角度評判擋墻是否已失穩。通過與巡查員的多次接觸，通過擋墻頂部錯縫進行判斷最方便，此種方法雖然較直接，但錯縫多少并無量化指標，而且如果相鄰伸縮縫擋墻同時外傾并沒有錯縫，就無法通過肉眼發現擋墻已經存在失穩風險，因此，文章主要分析更為容易操作的擋墻失穩評判方法。

2 擋墻破壞型式

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

滑動破壞分為3類：沿基底的滑動破壞，沿基礎表面或沿緊臨基底表面土層中剪切破壞而產生滑動；淺層剪切滑動破壞，當地基中某一曲面上剪應力過大時，可能在地基中產生淺層滑弧滑動；深層剪切滑動破壞，由于地基中某一曲面上剪應力過大而產生。一般沿基底的滑動破壞為主要控制型式。

傾覆破壞是由于擋墻繞其前趾產生過大的前傾和破壞。對土基抗傾穩定驗算不是控制條件，因為土基上產生傾覆破壞時，必然伴隨前趾基底應力過大，而應力比在地基應力驗算中已受嚴格控制，在巖基上，由于應力比要求放寬，可能會出現傾覆破壞。

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，當基底壓力大過地基承載能力時，會產生地基下沉，進而導致擋墻下沉破壞。這種下沉破壞是不均勻的，由于前趾應力大于后趾應力，大多出現前傾下沉。

攔路港沿線屬長江三角洲沖積平原，主要不良地質條件有厚填土、明浜、淺部淤泥質土等。厚填土，以黏性土為主，夾植物根、有機質，夾少量碎石、碎磚等，土質松散不均，呈欠固結狀態，滲透性較強，對堤防穩定很不利；明浜，河底分布淤泥，含有機質、碎石、腐殖物及少量生活垃圾，工程性質極差；淺部淤泥質土，為軟弱土層，承載力低。根據擋墻破壞型式及地基土情況，結合巡查人員反饋巡查信息，攔路港沿線擋墻破壞應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、揚壓力、淤沙壓力、風浪壓力、冰壓力、土的凍脹力及地震荷載等。

一般擋墻損壞發生在正常擋水工況、施工工況。攔路港沿線根據巡查結果，擋墻失穩大部分發生在正常擋水工況，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；河道風區長度較短，風浪壓力也較小，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、墻后回填土側向土壓力及墻后荷載引起的側向土壓力；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；揚壓力主要包括底板下浮托力及滲透壓力。擋墻上各個作用力基本都具有兩面性，一方面對結構起有利作用，另一方面也伴隨不利影響，如自重，其為擋墻穩定提供阻滑力，但自重對于底板很難做到居中，稍向外河偏移，就產生傾覆力矩，使前趾壓應力增加；再如墻后側向土壓力，其為擋墻提供滑動力，但通過側墻傾角的設置，將部分力分解至垂直向，其又可作為阻滑力的一部分，因此，擋墻很難在結構擬定時對不利荷載進行消除，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到性價比最高的擋墻結構尺寸。

4 擋墻失穩原因分析

擋墻在多年運行下，或多或少會產生部分失穩現象，現以攔路港為例，主要失穩原因分析如下。

1)墻前泥面刷深，降低墻前被動土壓力。

攔路港河道口寬119-180m，河底高程為-3.60m，原河道設計斷面為：防汛墻墻前在高程2.60m處設置一平臺，平臺寬度為2.50m，河道平臺前邊坡為1∶3.25或1∶5至河底高程?，F攔路港作為Ⅲ級航道，航運繁忙，船舶噸位多有超標，并在船舶運行擱淺、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土壓力被降低，相當于增加了墻后側向土壓力，對擋墻穩定不利[1]。

2)墻身老化、破損、止水老化，導致墻后土體松散，增加墻后主動土壓力。

攔路港擋墻大部分采用漿砌塊石或毛石混凝土結構，所用混凝土強度等級一般為C15、C20，強度等級較低，用量小，結構耐久性及抗老化能力低，經過多年的風雨侵蝕，結構內的混凝土或砂漿已疏松、脫落，墻后土體流失嚴重，土體處于松散狀態；部分止水帶老化或因輕微沉降、前傾、錯位發生撕裂，導致墻后土體進一步土體流失，降低了填土黏聚力，提高了主動土壓力。

3)墻身多次加固，墻體斷面已成畸形，受力復雜。

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

4)其他因素：

攔路港沿線基礎中普遍存在淤泥質土，有的基礎即使在①素填土、②粉質黏土層上，但其厚度較薄，在下臥淤泥質軟土層影響下，也極易引起擋墻在極小的干擾下，發生失穩。

攔路港擋墻后均建有寬度為3-6m的防汛通道，道路結構基本為硬質的混凝土路面或瀝青路面，這為墻后運行荷載增加提供了可能，實際上，防汛通道的汽車通行量也不小，接近鄉村道路，局部時段作為施工進場道路使用，因此他的墻后荷載很難維持在原設計的2kN/m2，擋墻的運行荷載提高后，極易引起擋墻的失穩。

攔路港擋墻后綠化標準較高，在美化環境的同時，也為擋墻的運行帶來新的安全隱患。擋墻竣工后的小樹木經過接近20a的成長，很多枝干已經初具規模，其不僅增加了墻后永久荷載，而且增加了大風影響下的偶然荷載。

5 擋墻失穩判別方法

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

5.1 經驗判別法

因此，根據經驗判別法，攔路港基礎無樁擋墻墻頂錯縫超過2.5cm，通過定期監測，并有持續發展趨勢的，均可判別為擋墻即將失穩，需要盡快進行專項維修。

5.2 受力分析法

以攔路港較為常見原漿砌石擋墻為例，為了計算方便，本次對擋墻相關參數進行簡化：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 經驗判別法水平位移相似關系圖

受力分析法假設擋墻墻身傾斜角度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，擋墻抗滑穩定及基底應力見表1。

圖2 擋墻受力分析簡化圖

θ/°抗滑穩定安全系數K偏心距e/m最大應力δmax/kN最小應力δmin/kN應力比δmax/δmin平均應力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：本表結果由于未考慮墻前土壓力及填土黏聚力等，數據偏保守，本次只分析相對趨勢，因此基本不影響結論評判。)

攔路港堤防由于1997年12月即完成初設設計，當時《堤防工程設計規范》(GB50286-98)、《水工擋墻設計規范》(SL379-2007)均未發布實施，擋墻的抗滑穩定系數、應力比等均未有明確規范規定，只能根據相關設計手冊進行取值評判。根據《水工擋墻設計》(中國水利水電出版社1996年11月第一版)顯示，3級建筑物基本組合抗滑穩定安全系數要求≥1.25；基底應力比容許值基本荷載組合中等堅硬、緊密土層≥2.50。

攔路港擋墻原規模論證為3級建筑物，其基礎基本座落于①素填土、②粉質黏土，局部坐落于③淤泥質粉質黏土上，①層、②層承載力在60-80kN左右，③層50kN左右。原設計底板在①層、②層的，基本采用原狀基礎；底板在③層的，采用回填塘渣擠淤，局部采用預制樁基礎。由表1(θ=0°)計算結果，擋墻基本組合抗滑穩定安全系數k=1.28>1.25；平均應力δ=58.73kPa<(60-80)kPa，基底應力比δmax/δmin= 2.50≤2.50，均滿足設計要求。

進一步分析表1計算結果顯示，當擋墻因相關原因發生向墻前傾斜θ后，隨著θ角度越來越大，抗滑穩定安全系數k變化不大，并未因為發生傾斜而出現抗滑穩定問題，這與現狀較為相符；偏心距e、基底應力比δmax/δmin隨著θ增大，均增加明顯，但平均應力δ變化不大。隨著擋墻前趾應力增加、后趾應力降低，前趾應力接近或超過地基土允許承載力時，擋墻破底板會發生不均勻下沉，它的表現型式為墻身發生傾斜。根據圖2受力分析，擋墻具體失穩角度跟擋墻擋土具體尺寸、地基承載力有直接關系，無法定性給出唯一失穩傾斜角度。從表1來看，擋墻在傾斜1°的情況，擋墻已經要出現失穩的情況。

5.3 方法對比

采用經驗判別法，文章擋墻案例失穩條件為錯縫值達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，稍微傾斜一點，就有可能發生失穩，應該來說，理想狀況下，判別結果基本一致。

經驗判別法偏向與類比經驗，實際依據并不充足，唯一影響因素只考慮擋土高度，顯然很難有說服力；同時，此法需要有現場參照，當擋墻同時發生大小不一的傾斜，結果更易失真，但是在實際管理養護過程中又很直觀，現狀肉眼即可判斷擋墻的運行狀況，巡查人員基本采用此法進行判別。

受力分析法較為客觀，通過對不同傾斜角度下擋墻的實際受力分析，計算出擋墻失穩的邊界條件，結論有一定的說服力，但在實際管理養護過程中，非專業人士很難現場測量墻身傾角，這樣為判別失穩帶來一定的不確定性。

綜上所述，經驗判別法準確度不高，但卻實用方便；受力分析法較為客觀，但實際操作不方便。因此，筆者建議，在擋墻設計的過程中，設計人員通過受力分析法，計算出擋墻失穩的臨界角度，并推算出墻頂的水平位移，在設計圖紙中明確這一數值；管理人員巡查過程中，利用經驗判別法進行實地水平位移與臨界水平位移對比初判，為后期維修加固程序提供原始依據。

6 總 結

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

2)對擋墻進行詳細的受力分析，明確各個作用力對擋墻穩定所起的作用，辯證分析了擋墻發生細微傾斜后，各個作用力對穩定的兩面性。

3)不同的擋墻失穩原因，最終都可反應到某個作用力上，為擋墻失穩的受力分析法提供依據。

4)擋墻失穩可用經驗判別法與受力分析法進行判別，兩種方法各有利弊，建議設計人員采用受力分析法提出擋墻失穩的臨界判別參數，運行管理人員在日常巡查過程中，利用設計人員提供的參數，通過經驗判別法進行擋墻失穩的日常判別。

[1]中華人民共和國水利部.GB50286—2013堤防工程設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

1007-7596(2017)07-0125-04

2017-06-26

朱冬舟(1985-)，男，江蘇濱海人，工程師，研究方向為水利工程。

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