某磚砌擋土墻垮塌事故的原因分析

榮 譽，曾鈺堯

(1.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124;2.95402部隊，貴州 貴陽 550014)

1 工程概況及事故情況

該磚砌擋土墻位于湖南省西南部某家屬區(qū)與某食品有限公司邊界處，總長度396.5m，由三部分組成:第一部分，位于水塘填土區(qū)，為懸臂式鋼筋混凝土擋土墻，長129.6m，高 2.9 ～3.5m，懸臂板厚300mm，基底板寬1900mm;第二部分，位于一般填土區(qū)，為重力式漿砌片石擋土墻，長80.0m，高3.0～3.4m，墻頂寬 500mm，基底寬 1300mm;第三部分，位于挖方區(qū)，為普通磚砌擋土墻，長186.9m，高2.4～2.8m，墻厚370mm，基底寬600mm。2009 年3月，因為靠近片石擋墻的一段(約42m)磚砌擋墻發(fā)生嚴(yán)重傾斜變形，拆除后改用片石擋墻重建，所以片石擋墻部分實際長度122m，磚砌擋墻部分實際長度145m。該三部分擋墻頂部均設(shè)有磚砌圍墻，高2100mm，厚240mm，每3.5m 設(shè)一370mm ×130mm附壁柱。磚砌擋土墻設(shè)計采用M10水泥砂漿砌MU10普通燒結(jié)粘土實心磚，厚370mm，基底設(shè)100mm×400mmC10素混凝土，墊層上澆一道370mm×300mm C25鋼筋混凝土地圈梁，并每隔3.5m設(shè)置一根370mm×370mm C25鋼筋混凝土構(gòu)造柱與之相接，墻頂設(shè)370mm×240mm C25鋼筋混凝土壓頂梁與構(gòu)造柱相連。墻外距地坪300mm高處每2000mm設(shè)Φ50PVC泄水管一根，墻背設(shè)200mm寬卵石濾水層。擋土墻及圍墻立面布置如圖1所示，磚砌擋土墻、圍墻斷面如圖2所示。該工程于2009年11月17日發(fā)包給施工單位，2010年5月，在擋土墻主體完工后不久，與片石擋墻鄰近的一段(約42m)磚砌擋墻發(fā)生嚴(yán)重傾斜變形，經(jīng)協(xié)商，對該段擋墻實施拆除并按片石擋墻重建，2010年9月，該工程全面完工，2011年4月，磚砌擋土墻再次倒塌50多米，且大部分向外傾斜。

圖1 擋土墻立面示意圖

圖2 磚砌擋土墻及圍墻斷面示意圖

2 現(xiàn)場勘查及檢測情況

2.1 磚砌擋土墻外觀質(zhì)量情況調(diào)查

磚砌擋土墻及圍墻外露部分均用水泥砂漿粉刷，從倒塌部分墻體看，墻體砌筑方法基本正確，擋土墻砌筑砂漿為混合砂漿而不是設(shè)計要求的水泥砂漿，灰縫飽滿度、灰縫厚度等基本符合規(guī)范要求。墻體變形縫的留設(shè)位置、寬度基本符合設(shè)計要求，墻身泄水孔位置、直徑和數(shù)量基本符合設(shè)計要求，但由于墻后未按設(shè)計要求鋪設(shè)卵石濾水層，致使泄水管大部分堵塞，墻后排水不暢。擋土墻頂部未按設(shè)計要求布置排水溝，而擋土墻底部雖然按設(shè)計要求設(shè)置了排水溝，但溝內(nèi)排水不暢。

2.2 磚砌擋土墻截面尺寸及墻背回填土質(zhì)量檢測

采用鋼卷尺測量了磚砌擋土墻截面尺寸和墻后回填土范圍，擋土墻截面寬度370mm，地面以上高度2.2m～2.4m不等，與設(shè)計圖紙基本吻合。墻后回填為素填土，以粉質(zhì)粘土為主，松散、較濕，未見參有粗粒徑的卵石或碎塊石，回填土上部寬度達(dá)1.5m，下部寬度達(dá)0.6m(垂直墻背方向)。

2.3 磚砌擋土墻變形及損傷檢測

通過現(xiàn)場檢測，與片石擋土墻比鄰的一段磚砌擋土墻(約52m)整體向外傾覆破壞，滑移變形不明顯。尚未倒塌的部分墻體和地基梁(長約93m)局部存在細(xì)微裂縫，且大部分發(fā)生外傾變形。隨機抽取三個測點，通過吊線、吊錘和直尺檢測其側(cè)向變形，測得擋土墻頂部相對于其底部的側(cè)向位移分別達(dá)到263mm、251mm、171mm，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB50292－1999)規(guī)定的極限25mm，墻體處于危險狀態(tài)。

2.4 砌筑磚、砌筑砂漿抗壓強度檢測

采用回彈法對砌筑磚和砌筑砂漿的抗壓強度進(jìn)行檢測，共檢測了2個測區(qū)各10塊磚和5個砂漿測位，依據(jù)《砌體工程現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50315－2011)，得到各測區(qū)磚抗壓強度等級和砂漿抗壓強度等級推定值。檢測結(jié)果表明，磚砌擋土墻所用主要材料燒結(jié)普通粘土實心磚推定抗壓強度等級為MU10，滿足設(shè)計要求。砌筑砂漿推定抗壓強度等級為M2.5，不滿足M10的設(shè)計強度要求，而且所檢砂漿為混合砂漿，不符合設(shè)計要求的配合比。

3 磚砌擋土墻穩(wěn)定性驗算

從現(xiàn)場墻體破壞形式看，墻體以向外整體傾覆為主，滑移變形不明顯。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330－2002)3.3.6 條規(guī)定，對擋土墻的整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗算。

鑒于被鑒定對象為挖方區(qū)擋土墻，現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，該擋土墻后實際存在約0.6～1.5m寬范圍不等的回填土，因此，針對墻后為原狀土和墻后為回填土兩種狀況分別驗算其穩(wěn)定性。

3.1 原狀土邊坡直立開挖的臨界高度

由于該擋土墻工程未進(jìn)行專門的巖土工程勘察，依據(jù)設(shè)計文件及相鄰建筑物勘察資料，挖方區(qū)邊坡土質(zhì)主要為粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土，為安全起見，以土質(zhì)較差的粉質(zhì)粘土計算，其物理力學(xué)參數(shù)取值為:

γ =18.9kN/m3、c=31.2kPa、Φ =15.5°。

按朗肯土壓力理論，依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330－2002)第 6.2.4 條，邊坡直立開挖的臨界高度為:

上述計算結(jié)果表明，該邊坡直立開挖的臨界高度4.3m遠(yuǎn)大于擋土墻設(shè)計高度2.8m，該邊坡土壓力為0，設(shè)計成直立開挖是完全可以的。

3.2 墻后為原狀土?xí)r擋土墻穩(wěn)定性驗算

如前所述，當(dāng)擋土墻后為原狀粉質(zhì)粘土?xí)r，其郎肯土壓力為0。事實上，按照庫倫土壓力理論，依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330－2002)第6.2.3條，擋土墻墻背承受的庫倫主動土壓力為:

取 α =90°、β =0、q=0、c=31.2kPa、Φ =15.5°、γ =18.9kN/m3、H=2.8m、δ=Φ =7.75°，代入上 式 得:Kq=1、η =1.179，Ka＜ 0，取Ka=0，得Ea=0。即墻背為原狀粉質(zhì)粘土?xí)r，所得庫倫主動土壓力也為0。

因擋墻基底水平，擋土墻滑動力和傾覆彎矩均為0，依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330－2002)第10.2.3、10.2.4 條，擋土墻整體穩(wěn)定。

3.3 擋墻在靜水壓力作用下的穩(wěn)定性驗算

根據(jù)設(shè)計，墻背與坡面之間設(shè)置了200mm寬卵石濾水層。也就是說，即使邊坡按照設(shè)計未被超挖，擋墻與坡面之間也會存在一個200mm寬的回填區(qū)。如果泄水管堵塞或排水不暢，回填土不密實，墻頂?shù)孛嬗譄o隔排水措施，則地表雨水可能大量滲入回填區(qū)并迅速抬高地下水位(因為墻體、原狀土坡面和原狀土地基滲透系數(shù)相對較小，可以視為相對隔水層)。可按水土分算的方法分別計算水土壓力。由于填土區(qū)較小，與靜水壓力相比土壓力可以忽略不計，因此可以近似認(rèn)為墻背只受靜水壓力作用，計算如圖3所示。

設(shè)回填區(qū)浸水高度為hw，則墻背所受靜水壓力為EW=1/2×10×hw2=5hw2，靜水壓力合力作用點距離基底的高度為ZW=1/3hw，依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330－2002)第10.2.3條，擋墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為:

Ks1.3 得:hW＜ 1.9m。

圖3 墻背受靜水壓力作用時擋土墻的穩(wěn)定性計算簡圖

又依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330－2002)第10.2.4條，擋墻繞基底前趾的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為，得hw＜ 1.5m。

擋墻繞圈梁底前趾的抗傾覆穩(wěn)定安全系Kt2=，得hw＜ 1.4m。由此可見，在擋土墻泄水管堵塞或排水不暢的情況下，只要墻背回填土浸水深度超過1.4m，擋墻便不滿足規(guī)范抗傾覆穩(wěn)定性要求。

3.4 墻后為回填土?xí)r擋土墻的穩(wěn)定性驗算

根據(jù)現(xiàn)場勘察，墻后回填土為粉質(zhì)粘土，如果施工中能按照西南地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)圖集(圖集號04ZG901)說明中要求控制好回填土的質(zhì)量，則其物理力學(xué)參數(shù)可按照該圖集取為:

γ =18kN/m3、c=6kPa、Φ =20°、δ=10°、μ =0.25

依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330－2002)第6.2.3條，擋墻墻背承受的庫倫主動土壓力為=90°、β =0、q=0、c=6kPa、Φ =20°、γ =18kN/m3、H=2.8m、δ=Φ =10°，代入上式得 Kq=1、η =0.198、Ka=0.211、Ea=13.3kN/m。

Ea作用點離基底高度為Zf=H=0.93m。

Ea的水平分力為 Eax=Eacosδ=13.1kN/m。

Ea的垂直分力為 Eay=Easinδ=2.3kN/m。

(1)抗滑穩(wěn)定性驗算

根據(jù)圖4所示進(jìn)行計算。

圖4 墻后為回填土?xí)r擋土墻的穩(wěn)定性計算簡圖

圍墻重:G1=0.24 × 2.1 × 19=9.6kN/m

擋墻重:G2=21.9kN/m

取擋墻與地基之間的摩擦系數(shù)，依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330－2002)第10.2.3條，擋墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為:

不滿足規(guī)范抗滑穩(wěn)定性要求。

(2)抗傾覆穩(wěn)定性

依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330－2002)第10.2.4條，擋墻繞基底前趾的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為:

不滿足規(guī)范抗傾覆穩(wěn)定性要求。

擋墻繞圈梁前趾的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為:

由此可見，即使墻后嚴(yán)格依照西南地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)圖集要求回填粉質(zhì)粘土，擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性也不能達(dá)到規(guī)范要求，更何況墻后回填土實際質(zhì)量尚未達(dá)到西南標(biāo)的設(shè)計要求，因而其穩(wěn)定性更差。

4 結(jié)論

根據(jù)以上檢測結(jié)果和計算分析，該磚砌擋土墻垮塌的原因有:

1)擋土墻后原狀粉質(zhì)粘土邊坡被過度超挖，超挖后回填土的物理力學(xué)性能較原狀土顯劇降低，導(dǎo)致磚砌擋土墻所承受的土壓力顯著增大，超出了擋土墻的整體穩(wěn)定承載力。

2)擋土墻泄水孔堵塞或排水不暢，墻頂未采取隔排水措施，致使雨水滲入填土區(qū)內(nèi)，在土水壓力共同作用下，加劇了擋土墻的垮塌。

3)施工時邊坡開挖方法不當(dāng)，導(dǎo)致?lián)跬翂笤瓲钔帘贿^度超挖。施工時對施工質(zhì)量控制不嚴(yán)，擋土墻砌筑砂漿抗壓強度達(dá)不到設(shè)計要求，配合比與設(shè)計不符，墻背回填土不密實，卵石濾水層不符合設(shè)計要求，墻身排水孔大部分堵塞或排水不暢。

［1］林宗元.巖土工程治理手冊［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

［2］巖土工程手冊編寫委員會.巖土工程手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1994.

［3］劉堯新，朱新實.預(yù)應(yīng)力技術(shù)及材料設(shè)備［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［4］羅幫富，魏明鐘.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1989.

［5］劉正峰.地基與基礎(chǔ)工程新技術(shù)實用手冊［M］.北京:海潮出版社，2003.