某加建擋土墻垮塌原因分析及穩定性計算

楊 成，朱國良，靳才宇，高文藝

（貴州中建建筑科研設計院有限公司（貴州省建筑科學研究檢測中心），貴州 貴陽 550006）

0 引言

擋土墻是支撐路基填土或山坡土體、防止填土或土體變形失穩的構造物。由于對擋土墻的安全重視不夠，擋土墻的設計與施工水平有限，在原有擋土墻上加建擋土墻將會對原有擋土墻產生作用力，加之墻后繼續填土，容易造成原有或加建擋土墻墻體出現裂縫，墻身發生變形，若兩者結合處未處置好，將會造成垮塌事故，危及相鄰建筑物安全［1］，造成不必要的損失。

本文根據對某加建擋土墻垮塌事故的分析，對加建擋土墻的穩定性進行計算，建立FLAC3D模型，分析擋土墻受力情況，以期對類似工程有一定的警示與借鑒作用。

1 工程概況

某重力式擋土墻墻身最大高度13m，修建于2013年，現墻身埋入地坪約8m。因平整場地需要，建設方于2017年7月在墻頂對其加建（有設計施工圖），加建高度2～3m，加建工程于當月完成。隨后建設方在擋土墻背填土施工。2017年8月20日，該擋土墻原建部分局部垮塌（見圖1），之后建設方將加建部分全部拆除。

2 現場檢測

2.1 擋土墻基礎檢測

圖1 擋土墻垮塌實景

本次基礎檢查中對擋土墻基礎進行開挖探井檢測，結合委托方提供資料顯示，擋土墻基礎為漿砌塊石擴展基礎，墻趾寬0.34m，高0.8m。

2.2 外觀質量

主要通過對擋土墻砌筑砂漿的飽滿度、墻面砌筑的平整度、泄水孔、沉降縫、勾縫情況等進行外觀檢查，另外對砂漿的飽滿程度進行抽樣檢查，檢測結果如下。

1）該擋土墻均為漿砌塊石擋墻，受檢部位擋土墻砌筑石材質地堅實，無明顯風化剝落。擋土墻墻身局部位置沿灰縫出現豎向裂縫，部分擋墻段墻頂出現水平裂縫，最大裂縫寬145mm。

2）該擋土墻砌塊大部分錯縫砌筑，砌塊之間相互咬緊，局部未錯縫砌筑，剔除表面勾縫砂漿后，大部分抽檢部位發現較大空洞現象，檢查中發現偶有松動砌塊，局部位置砌筑砂漿可用手指扣動。

3）該擋土墻墻面部位的砌筑石料大小級配較好，墻面平整度較好，墻面有勾縫。

4）該擋土墻泄水孔設置部分大于設計要求的泄水孔間距（泄水孔設計間距2.0～3.0m，實際水平間距2.0～3.5m，垂直間距2.5～3.3m）；從目前所設置泄水孔的工作情況來看，大部分泄水孔未見泄水痕跡。

5）該擋土墻已按設計要求設置沉降縫，所檢查沉降縫間距為12.5，9.6，8.7，10.1，9.8，10.2，10.2，9.9，10.6，6.7m，基本滿足設計中沉降縫間距為10～15m的要求，沉降縫整齊垂直，沉降縫縫寬4.0～5.5cm，大于設計3cm的要求，沉降縫內表面為木板或未填塞，未見設計要求縫中塞滿瀝青麻筋。

2.3 擋土墻外觀尺寸量測

由于本次擋土墻尺寸測量是在擋土墻竣工后進行的，故墻背、墻踵、墻趾各細部尺寸無法測量，本次檢測主要對擋土墻的外觀主要尺寸（墻身高度、墻頂寬度、沉降縫間距、泄水孔間距）進行量測，結果顯示：擋土墻主要外觀尺寸滿足設計及圖集要求。

2.4 砌筑砂漿強度

擋土墻砌筑砂漿強度的測定，在現場對擋土墻隨機選取18個約4.5m×4.5m的測位，剔除表面勾縫砂漿，每個測位內均布16個測試點（相鄰測點水平間距不小于240mm），采用砂漿貫入儀測取砌筑砂漿強度，推斷砂漿強度等級。

經檢測，擋土墻的砂漿抗壓強度介于3.2～5.1MPa。砌筑砂漿抗壓強度不滿足設計砌筑砂漿強度（M10）的要求。

2.5 砌筑石材強度

根據GB／T50266—2013《工程巖體試驗方法標準》，在對擋土墻的砌筑材料（石料）強度等級評定時，采用現場取樣，室內制成標準試樣，進行單軸抗壓強度試驗。本次檢測中擋土墻每段（2個伸縮縫之間為1段，共10段，正對擋墻從左往右依次編為①～⑩）分別鉆取芯樣1～2個，共10個芯樣。試驗采用圓柱體，直徑為54mm，按高徑比2.0制作標準試件，飽水24h后進行抗壓強度試驗。試驗結果表明，抽檢的試樣單軸飽和抗壓強度平均值為96.91MPa（最小值為64.34MPa），滿足設計要求。

2.6 地質雷達探測擋墻情況

根據現場情況，布置測線1（方向正對擋墻從右往左，高度離地坪約1.0m）和測線2（方向正對擋墻從右往左，高度離地坪約1.0m），探測結果如表1與圖2所示。

3 擋土墻穩定性計算分析

根據資料顯示，加建第二階擋土墻繼續進行填土，之后擋土墻局部位置發生垮塌事故。原擋土墻（包含第二階）墻后回填土坡度為1∶1.15。

3.1 理論計算

原擋土墻為2013年修建，加建擋土墻為2017年7月份修建。資料顯示，垮塌位置處加建擋土墻高2.0m，與原擋土墻作為一個整體，原擋土墻墻身主要尺寸為：墻身高13m（墻身埋入地坪約8m，實際計算高度為6m，其中1m為基礎），墻頂寬1.2m，面坡傾斜坡度1∶0.25，上墻背坡傾斜坡度1∶0.8，下墻背坡傾斜坡度1∶0.25，采用1m漿砌塊石基礎。根據場地平整的詳細勘察鉆孔資料，得到擋土墻與土體材料參數如表2所示。

表1 擋土墻探測結果

依據規范及擋土墻檢測結果，結合詳細勘察鉆孔資料得到的土體材料參數，采用北京理正5.11巖土軟件計算邊坡穩定性如下。

1）滑動穩定性驗算 滑移驗算滿足：Kc＝2.139＞1.300。

2）傾覆穩定性驗算 傾覆驗算滿足：K0＝4.989＞1.500。

3）地基應力及偏心距驗算 ①作用于基底的合力偏心距驗算滿足（e＝0.032m＜1.619m）；②墻趾處地基承載力驗算滿足（壓應力＝208.928kPa＜600.000kPa）；③墻踵處地基承載力驗算滿足（壓應力 ＝196.747kPa＜650.000kPa）；④地基平均承載力驗算滿足（壓應力＝202.837kPa＜500.000kPa）。

4）基礎強度驗算 基礎為天然地基，不作強度驗算。

5）上墻截面強度驗算 ①截面上偏心距驗算滿足（e1＝0.946m＜1.943m）；②壓應力驗算滿足（計算值＝199.140kPa ＜2100.000kPa）；③剪應力驗算滿足（計算值＝0.154kPa ＜50.000kPa）；④斜剪應力驗算不滿足（計算值＝63.441kPa＞50.000kPa）。

6）墻底截面強度驗算 ①截面上偏心距驗算滿足（e1＝0.032m＜1.943m）；②壓應力驗算滿足（計算值＝208.928kPa＜2100.000kPa）；③剪應力驗算滿足（計算值＝－33.713kPa＜50.000kPa）。

經驗算，擋土墻的滑動穩定性、傾覆穩定性滿足設計要求，但原擋土墻上墻背坡傾斜坡度1∶0.8處截面斜剪應力驗算不滿足。

3.2 原因分析

1）從擋土墻垮塌部位來看，砌石塊間有空隙、孔洞、砂漿不飽滿，小塊石多且集中堆放，未分散填塞于大塊石周圍，未發現有拉結石砌塊，垮塌部位砂漿部分可用手指扣動，墻體未按規范及設計要求施工；砂漿強度等級、砂漿飽滿度不滿足設計要求。

2）通過開挖原擋土墻垮塌部位墻背，未見反濾體或反濾層，墻背探井底部填土濕潤，含水率較高。結合現場泄水孔工作情況，水不能有效地從擋土墻泄水孔中排出，使得墻后填土抗剪強度降低，導致土壓力增加。

3）加建擋土墻直接修建在原擋土墻上，通過開挖探井檢查垮塌后墻背情況，發現有相當大面積的水泥砂漿呈粉末狀，通過分析為砌筑加建擋土墻砌前塊石和基面未灑水濕潤，砌后未充分澆水養護所致。

4）現場實測擋土墻垮塌部位墻頂寬度為1.2m，根據委托方提供資料顯示加建擋土墻墻底寬度為1.61m。上下階擋土墻連接處做法為：加建擋土墻修建在原擋土墻之上，原擋土墻靠回填土層基槽開挖深0.9m，上寬1.8m，采用毛石回填。由于原擋土墻的上墻、加建擋土墻基礎連接位置處不滿足設計要求，二者未連接為一個有效整體，使該組合擋土墻為變截面擋土墻，導致原擋土墻上墻部位應力集中。

5）從委托方提供的部分資料及現有破壞現場的查勘情況分析，擋土墻垮塌不符合傾覆或滑移破壞形態，屬于墻身鼓曲破壞。按照委托方提供的加建擋土墻實際施工信息，將加建擋土墻作為集中力作用在下一階擋土墻墻頂。經過驗算，擋土墻抗傾覆、抗滑移穩定性驗算滿足要求，但上墻截面（原擋土墻上墻背坡傾斜坡度1∶0.8處截面）強度驗算不滿足要求。理論計算與擋土墻垮塌部位破壞形態相符。

4 FLAC3D分析

根據現場情況建立模型及網格劃分，如圖3所示，模型計算的物理力學參數指標采用表2數據，計算中對模型y方向寬度為1m，力學邊界條件為下部fix，左右兩側為水平fix，上部free。

表2 擋土墻與土體材料參數

從圖4，5可看出其變形破壞模式與破壞面，主要塑性區發生在擋土墻與填土交界處，破壞面在原擋土墻上墻背坡傾斜坡度1∶0.8處截面，該位置處的剪應力最大，加之該位置處擋土墻施工質量不滿足設計要求，造成了工程質量事故，FLAC3D結果與上述理正巖土計算結果及原因分析一致。

圖3 FLAC3D模型網格劃分

圖4 最大剪應變增量云圖

圖5 最大剪應力云圖

5 結語

根據對垮塌部位擋土墻進行的施工質量檢測結果，利用北京理正巖土軟件計算邊坡穩定性，建立擋土墻FLAC3D模型，分析擋土墻受力情況，得出如下結論。

1）理正巖土軟件計算結果與FLAC3D計算結果一致，共同得出加建擋土墻受力最大的位置為原擋土墻上墻背坡傾斜坡度1∶0.8處截面。說明在類似工程分析過程中，可采用多個軟件分析，相互印證。

2）通過理論分析結合現場檢測結果，擋土墻垮塌的主要原因為：①原擋土墻垮塌部位施工質量不滿足設計及規范要求；②加建擋土墻基礎及連接不符合設計要求，對原擋土墻產生不利影響。

3）加建擋土墻施工過程中應嚴格按照設計單位設計要求施工，以免造成工程事故。