淺談既有重力式擋土墻安全評估

張翔宇， 毛 可， 劉紅森

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

重力式擋土墻作為一種依靠墻身自重來承受土壓力的支擋結(jié)構(gòu)，被大量使用于邊坡支護(hù)工程中[1]。隨著擋土墻使用年限的增長，各種病害和不同程度的失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生在重力式擋土墻身上；并且隨著我國鐵路運(yùn)行車輛軸重的增加、速度的提升[2]和近年來自然災(zāi)害的頻發(fā)，這些外在因素都在一定程度上改變了既有重力式擋土墻受力情況，危害擋土墻的正常使用，使鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩貌坏奖ＷC。因此評估既有重力式擋土墻安全性，確定它的安全狀態(tài)和等級，并針對不穩(wěn)定、不安全的擋土墻提出相應(yīng)的維修或加固措施顯得尤為迫切和重要[3,4]。

當(dāng)前，國內(nèi)外科研工作者對各類工程安全評估進(jìn)行研究，并取得了一定成果。但目前對既有重力式擋土墻安全評估方法的研究工作開展尚少，并且研究出的評估方法不具系統(tǒng)性。因此，本文在對重力式擋土墻結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行分類和分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合安全系數(shù)方法，建立了包括總體評估與細(xì)部評估的安全評估體系，并針對該體系提出具體的評估方法和評估標(biāo)準(zhǔn)。該安全系數(shù)評估方法對明確既有重力式擋土墻的安全狀態(tài)、保證整個(gè)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的安全具有重大意義。

1 既有重力式擋土墻的結(jié)構(gòu)病害

根據(jù)重力式擋土墻的破壞形式可將既有重力式擋土墻結(jié)構(gòu)病害概括為以下四類[5-6]：

(1)穩(wěn)定性破壞，包含基礎(chǔ)滑動破壞和傾覆破壞兩種破壞形式。

(2)基礎(chǔ)不均勻沉降破壞。

(3)墻體自身破壞。

(4)沿軟弱層破裂面滑動。

1.1 穩(wěn)定性破壞

1.1.1 基礎(chǔ)滑動破壞

既有重力式擋土墻的抗滑能力不足是導(dǎo)致?lián)鯄Πl(fā)生基礎(chǔ)滑動破壞的原因。擋土墻破壞的表現(xiàn)形式為既有重力式擋土墻整體移動，位移量在墻頂和墻底差別不多。隨著擋土墻縱向位置的不同，縱向位移量也不同，因此豎向錯斷裂面會出現(xiàn)在不同位移量分界處，或者錯位發(fā)生在擋墻伸縮縫處。邊坡體會在移動量比較大時(shí)形成與擋墻方向一致的張開裂縫，裂縫經(jīng)常伴隨下滑現(xiàn)象。

1.1.2 傾覆破壞

既有重力式擋土墻的抗傾覆力矩不足是導(dǎo)致?lián)鯄A覆破壞的原因。

其破壞的表現(xiàn)形式是擋土墻發(fā)生轉(zhuǎn)動，位移在擋土墻底部與擋土墻頂部有一定差別，一般是底部小于頂部。因?yàn)橥饨缈v向受力等情況的不同，導(dǎo)致在不同縱向轉(zhuǎn)動量的截面處開裂形成豎向斷裂面，或者錯開裂縫出現(xiàn)在墻體伸縮縫處；一般情況下，裂縫的錯距在墻體上部與下部裂縫有一定差別，且墻體上部大于墻體下部；邊坡體會在轉(zhuǎn)動量較大時(shí)出現(xiàn)與擋土墻方向一致的張開裂縫，并可能同時(shí)發(fā)生下沉現(xiàn)象，但在裂縫形成的早期下層量不明顯。

1.2 基礎(chǔ)不均勻沉降破壞

既有重力式擋土墻基底的豎向承載力不足是導(dǎo)致?lián)跬翂A(chǔ)不均勻沉降的原因。其破壞的表現(xiàn)形式為擋土墻整體發(fā)生傾斜，墻趾發(fā)生下沉，并且擋土墻墻體上還可能出現(xiàn)傾覆破壞類似的裂縫；傾覆破壞和基礎(chǔ)不均勻沉降破壞的不同點(diǎn)在于基礎(chǔ)是否有沉降變形。

1.3 墻體自身破壞

既有重力式擋土墻墻體所用材料強(qiáng)度不足是導(dǎo)致?lián)跬翂w自身破壞的主要原因。其破壞的表現(xiàn)形式為受荷載作用下，擋土墻墻體會在墻體自身材料的容許應(yīng)力小于截面的法向應(yīng)力時(shí)被壓裂、壓碎；墻身在受到過大的剪應(yīng)力時(shí)會發(fā)生剪切破壞，擋墻在剪切位移較大時(shí)會產(chǎn)生與擋土墻方向一致的張開裂縫。

1.4 沿軟弱層破裂面滑動破壞

既有重力式擋土墻基底以下巖體的剪切強(qiáng)度不足或者存在軟弱夾層是導(dǎo)致?lián)跬翂ρ剀浫鯇悠屏衙婊瑒悠茐牡闹饕颉?/p>

其破壞的表現(xiàn)形式是擋土墻整體“坐船”，擋土墻墻體本身沒有產(chǎn)生裂縫，但是沿軟弱層破裂面滑動破壞具有邊坡滑移破壞的特征。

2 既有重力式擋土墻安全評估

本文建立包括總體評估與細(xì)部評估的安全評估體系，總體評估能夠從整體上對既有重力式擋土墻的安全狀況進(jìn)行評估，細(xì)部評估對擋土墻各細(xì)部構(gòu)造的安全狀況進(jìn)行評價(jià)。

2.1 既有重力式擋土墻總體評估

2.1.1 評估方法

既有重力式擋土墻總體安全評估，就是根據(jù)擋土墻各組成部分的病害對其所處的安全狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)第1章對擋土墻結(jié)構(gòu)病害的分類及分析，將評估組成部分劃分為墻體強(qiáng)度、墻體穩(wěn)定性(抗滑、抗傾覆)、地基承載力。

對既有重力式擋土墻進(jìn)行總體安全評估時(shí)，首先確定各組成部件的安全等級即評估標(biāo)度，本文參照《邊坡病害及治理效果評價(jià)》中對擋土墻安全等級劃分，將既有重力式擋土墻的安全評估等級劃分為六個(gè)等級，并對應(yīng)六種評估標(biāo)度，具體劃分情況見表1；然后再確定各組件的權(quán)重，總體安全評估方法見表2。

表1 安全評估標(biāo)度

表2 既有重力式擋土墻總體安全評估方法

2.1.2 評估標(biāo)準(zhǔn)

既有重力式擋土墻的安全程度評分根據(jù)上文總體安全評估方法計(jì)算得出，并由得分情況確定其安全等級。表3為詳細(xì)的安全評估標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 既有重力式擋土墻細(xì)部評估

在重力式擋土墻的設(shè)計(jì)計(jì)算中，安全系數(shù)法得到了廣泛的運(yùn)用，經(jīng)過工程實(shí)踐表明，此方法起到了較好的定量分析的作用，但安全系數(shù)法被應(yīng)用于既有重力式擋土墻安全評估的研究工作尚少。本文在研究《邊坡病害及治理工程效果評價(jià)》與《公路邊坡治理措施及安全評價(jià)方法》中對擋土墻的評價(jià)方法后，結(jié)合安全系數(shù)法來對第1章所總結(jié)的五種病害進(jìn)行細(xì)部的安全評估。

表3 既有重力式擋土墻總體安全評估評估標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 穩(wěn)定性安全評估

(1)評估參數(shù)的選取。

選取抗滑動穩(wěn)定系數(shù)Kc和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0作為既有重力式擋土墻穩(wěn)定性安全評估的參數(shù)。

(2)安全評估方法。

TB-10025-2006《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定[Kc]和[K0][7]見表4。將計(jì)算出的Kc和K0與規(guī)范規(guī)定值[Kc]和[K0]進(jìn)行比較，根據(jù)兩者的大小關(guān)系來確定其安全狀態(tài)，見表5。

表4 不同荷載情況下穩(wěn)定系數(shù)的規(guī)定值

表5 既有重力式擋土墻穩(wěn)定性安全評估方法

注：Kx為實(shí)際計(jì)算值，[Kx]為規(guī)范規(guī)定值；Kx可為Kc—抗滑動穩(wěn)定系數(shù)和K0—抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。

2.2.2 抗基礎(chǔ)不均勻沉降安全評估

(1)評估參數(shù)的選取。

選取基底合力的偏心距e作為擋土墻抗基礎(chǔ)不均勻沉降安全評估的評估參數(shù)。

(2)安全評估方法。

TB-10025-2006《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的偏心距[e]見表6。通過基底合力偏心距與規(guī)范值的相對大小來判定擋土墻的安全狀態(tài)(表7)。

注：B表示擋墻基底寬度。

表7 抗基礎(chǔ)不均勻沉降安全評估方法

注:偏心距[e]表示規(guī)范值，偏心距e表示實(shí)際計(jì)算值。

2.2.3 抗墻體自身破壞安全評估

(1)評估參數(shù)的選取。

選取截面的合力偏心距e′作為擋土墻安全評估的參數(shù)。

(2)安全評估方法。

TB-10025-2006《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)規(guī)范》中受力最不利截面軸向力的偏心距[e′]的規(guī)范規(guī)定值如表8所示。

表8 不同荷載情況下最不利截面偏心距規(guī)定值

注：B′表示墻身截面寬度。

根據(jù)收集到的既有擋土墻的現(xiàn)場工程資料計(jì)算出實(shí)際偏心距，再依據(jù)抗基礎(chǔ)不均勻沉降安全評估的方法(表7)進(jìn)行安全評估，從而來判定擋土墻的安全狀態(tài)。

2.2.4 抗沿軟弱層滑動安全評估

本文第1章分析擋土墻沿軟弱層破裂面滑動破壞時(shí)具有邊坡滑移破壞的特征。因此，既有重力式擋土墻抗沿軟弱層滑動安全評估采用邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算方法來進(jìn)行。

(1)評估參數(shù)的選取。

選取穩(wěn)定系數(shù)K作為抗沿軟弱層滑動安全評估的評估參數(shù)。穩(wěn)定系數(shù)K根據(jù)沿墻踵破裂面或基底下某一軟弱層滑動而計(jì)算確定的。

(2)安全評估方法。

在研究TB 10001-2005《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》、TB 10025-2006《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》三類規(guī)范對穩(wěn)定系數(shù)的要求后，確定穩(wěn)定系數(shù)[K]=1.25。

根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)超出規(guī)定值的范圍進(jìn)行既有重力式擋土墻的抗沿軟弱層滑動的安全評估，見表9。

表9 既有重力式擋土墻抗軟弱層滑動安全評估方法

3 工程實(shí)例

本文將工程段D1K29+772～+783右側(cè)長11 m的重力式路塹擋土墻作為工程實(shí)例，該擋土墻的斷面形式見圖1，擋土墻的截面尺寸見表10。墻身材料采用C25片石混凝土，擋墻重度γ0=24 kN/m3，填土巖土參數(shù)γ=20 kN/m3，φ=35°，地基為泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖；墻背與墻胸的坡率均為1∶0.25，墻底為傾斜基底，基底與地基間的摩擦系數(shù)為0.4。

圖1 重力式路塹擋土墻斷面示意

表10 擋土墻的截面尺寸

3.1 既有重力式擋土墻總體安全評估結(jié)果

邀請專家依據(jù)工程現(xiàn)狀對既有擋土墻各個(gè)組成部分進(jìn)行打分，既有重力式擋土墻總體評估如表11所示。

因?yàn)镈r=87.64>85，所以該既有重力式擋土墻的整體等級為一級，安全狀態(tài)良好。擋土墻墻體穩(wěn)定性、強(qiáng)度及地基承載力均在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，擋土墻工作良好，只需日常的保養(yǎng)與檢測。

3.2 既有重力式擋土墻細(xì)部安全評估結(jié)果

根據(jù)擋土墻的工程資料，計(jì)算出細(xì)部評估各個(gè)評估參數(shù)的實(shí)際數(shù)值大小，實(shí)際值見表12，規(guī)范值見表13。

表11 既有重力式擋土墻總體評估

表12 細(xì)部評估各評估參數(shù)實(shí)際數(shù)值大小

表13 細(xì)部評估各評估參數(shù)規(guī)范值大小

根據(jù)細(xì)部評估評估參數(shù)的實(shí)際值與規(guī)范值的大小關(guān)系來確定擋土墻細(xì)部評估的安全狀態(tài)。既有重力式擋土墻細(xì)部安全評估結(jié)果見表14。

表14 既有重力式擋土墻細(xì)部安全評估結(jié)果

上文對擋土墻的細(xì)部評估，雖然抗基礎(chǔ)不均勻沉降安全評估的安全等級為二級，但抗滑安全評估、抗傾覆安全評估、抗墻體自身破壞安全評估、抗沿軟弱層滑動安全評估的安全等級均為一級，可以確定該既有重力式擋土墻安全狀態(tài)良好，細(xì)部評估的結(jié)果和總體評估的結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

本文結(jié)合安全系數(shù)法，對既有重力式擋土墻安全評估方法進(jìn)行了研究分析，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)重力式擋土墻的破壞模式將既有重力式擋土墻的結(jié)構(gòu)病害分為：既有重力擋土墻穩(wěn)定性破壞(包含既有重力擋土墻基礎(chǔ)滑動破壞和既有重力擋土墻傾覆破壞)、既有重力擋土墻基礎(chǔ)不均勻沉降破壞、既有重力擋土墻墻體自身破壞、既有重力擋土墻沿軟弱層破裂面滑動破壞，并對五種破壞類型的表現(xiàn)形式進(jìn)行了分析。

(2)本文確定了包含總體評估和細(xì)部評估的安全評估體系，總體評估通過定性的方法從整體上對擋土墻的安全狀態(tài)進(jìn)行評判，細(xì)部評估通過定量的方法對擋土墻各細(xì)部的安全狀態(tài)進(jìn)行評判，并針對總體評估與細(xì)部評估分別制定了劃分擋土墻安全等級和安全狀態(tài)的詳細(xì)評估標(biāo)準(zhǔn)，兩者之間互相指導(dǎo)更正。

(3)本文將既有重力式擋土墻細(xì)部評估劃分為既有重力式擋土墻穩(wěn)定性安全評估、既有重力式擋土墻抗基礎(chǔ)不均勻沉降安全評估、既有重力式擋土墻抗墻體自身破壞安全評估、既有重力式擋土墻抗沿軟弱層滑動安全評估等四個(gè)部分，并為每一個(gè)細(xì)部評估選取了安全評估參數(shù)和評估方法。

(4)應(yīng)用該評估體系對工程實(shí)例進(jìn)行評估，說明了總體安全評估與細(xì)部安全評估的評估過程，確定了既有重力式擋土墻的安全等級和安全狀態(tài)，為擋土墻的監(jiān)測和維修提供依據(jù)。