某加建擋土墻垮塌原因分析及穩(wěn)定性計(jì)算

楊 成，朱國(guó)良，靳才宇，高文藝

（貴州中建建筑科研設(shè)計(jì)院有限公司（貴州省建筑科學(xué)研究檢測(cè)中心），貴州 貴陽(yáng) 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(wěn)的構(gòu)造物。由于對(duì)擋土墻的安全重視不夠，擋土墻的設(shè)計(jì)與施工水平有限，在原有擋土墻上加建擋土墻將會(huì)對(duì)原有擋土墻產(chǎn)生作用力，加之墻后繼續(xù)填土，容易造成原有或加建擋土墻墻體出現(xiàn)裂縫，墻身發(fā)生變形，若兩者結(jié)合處未處置好，將會(huì)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(jù)對(duì)某加建擋土墻垮塌事故的分析，對(duì)加建擋土墻的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，建立FLAC3D模型，分析擋土墻受力情況，以期對(duì)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(xiàn)墻身埋入地坪約8m。因平整場(chǎng)地需要，建設(shè)方于2017年7月在墻頂對(duì)其加建（有設(shè)計(jì)施工圖），加建高度2～3m，加建工程于當(dāng)月完成。隨后建設(shè)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(jiàn)圖1），之后建設(shè)方將加建部分全部拆除。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2.1 擋土墻基礎(chǔ)檢測(cè)

圖1 擋土墻垮塌實(shí)景

本次基礎(chǔ)檢查中對(duì)擋土墻基礎(chǔ)進(jìn)行開挖探井檢測(cè)，結(jié)合委托方提供資料顯示，擋土墻基礎(chǔ)為漿砌塊石擴(kuò)展基礎(chǔ)，墻趾寬0.34m，高0.8m。

2.2 外觀質(zhì)量

主要通過(guò)對(duì)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(jìn)行外觀檢查，另外對(duì)砂漿的飽滿程度進(jìn)行抽樣檢查，檢測(cè)結(jié)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(zhì)地堅(jiān)實(shí)，無(wú)明顯風(fēng)化剝落。擋土墻墻身局部位置沿灰縫出現(xiàn)豎向裂縫，部分擋墻段墻頂出現(xiàn)水平裂縫，最大裂縫寬145mm。

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

3）該擋土墻墻面部位的砌筑石料大小級(jí)配較好，墻面平整度較好，墻面有勾縫。

4）該擋土墻泄水孔設(shè)置部分大于設(shè)計(jì)要求的泄水孔間距（泄水孔設(shè)計(jì)間距2.0～3.0m，實(shí)際水平間距2.0～3.5m，垂直間距2.5～3.3m）；從目前所設(shè)置泄水孔的工作情況來(lái)看，大部分泄水孔未見(jiàn)泄水痕跡。

5）該擋土墻已按設(shè)計(jì)要求設(shè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)3cm的要求，沉降縫內(nèi)表面為木板或未填塞，未見(jiàn)設(shè)計(jì)要求縫中塞滿瀝青麻筋。

2.3 擋土墻外觀尺寸量測(cè)

由于本次擋土墻尺寸測(cè)量是在擋土墻竣工后進(jìn)行的，故墻背、墻踵、墻趾各細(xì)部尺寸無(wú)法測(cè)量，本次檢測(cè)主要對(duì)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(jìn)行量測(cè)，結(jié)果顯示：擋土墻主要外觀尺寸滿足設(shè)計(jì)及圖集要求。

2.4 砌筑砂漿強(qiáng)度

擋土墻砌筑砂漿強(qiáng)度的測(cè)定，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)擋土墻隨機(jī)選取18個(gè)約4.5m×4.5m的測(cè)位，剔除表面勾縫砂漿，每個(gè)測(cè)位內(nèi)均布16個(gè)測(cè)試點(diǎn)（相鄰測(cè)點(diǎn)水平間距不小于240mm），采用砂漿貫入儀測(cè)取砌筑砂漿強(qiáng)度，推斷砂漿強(qiáng)度等級(jí)。

經(jīng)檢測(cè)，擋土墻的砂漿抗壓強(qiáng)度介于3.2～5.1MPa。砌筑砂漿抗壓強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)砌筑砂漿強(qiáng)度（M10）的要求。

2.5 砌筑石材強(qiáng)度

根據(jù)GB／T50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，在對(duì)擋土墻的砌筑材料（石料）強(qiáng)度等級(jí)評(píng)定時(shí)，采用現(xiàn)場(chǎng)取樣，室內(nèi)制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。本次檢測(cè)中擋土墻每段（2個(gè)伸縮縫之間為1段，共10段，正對(duì)擋墻從左往右依次編為①～⑩）分別鉆取芯樣1～2個(gè)，共10個(gè)芯樣。試驗(yàn)采用圓柱體，直徑為54mm，按高徑比2.0制作標(biāo)準(zhǔn)試件，飽水24h后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，抽檢的試樣單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值為96.91MPa（最小值為64.34MPa），滿足設(shè)計(jì)要求。

2.6 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)擋墻情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，布置測(cè)線1（方向正對(duì)擋墻從右往左，高度離地坪約1.0m）和測(cè)線2（方向正對(duì)擋墻從右往左，高度離地坪約1.0m），探測(cè)結(jié)果如表1與圖2所示。

3 擋土墻穩(wěn)定性計(jì)算分析

根據(jù)資料顯示，加建第二階擋土墻繼續(xù)進(jìn)行填土，之后擋土墻局部位置發(fā)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(jì)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(gè)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(shí)際計(jì)算高度為6m，其中1m為基礎(chǔ)），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(chǔ)。根據(jù)場(chǎng)地平整的詳細(xì)勘察鉆孔資料，得到擋土墻與土體材料參數(shù)如表2所示。

表1 擋土墻探測(cè)結(jié)果

依據(jù)規(guī)范及擋土墻檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合詳細(xì)勘察鉆孔資料得到的土體材料參數(shù)，采用北京理正5.11巖土軟件計(jì)算邊坡穩(wěn)定性如下。

1）滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算 滑移驗(yàn)算滿足：Kc＝2.139＞1.300。

2）傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算 傾覆驗(yàn)算滿足：K0＝4.989＞1.500。

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

4）基礎(chǔ)強(qiáng)度驗(yàn)算 基礎(chǔ)為天然地基，不作強(qiáng)度驗(yàn)算。

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

6）墻底截面強(qiáng)度驗(yàn)算 ①截面上偏心距驗(yàn)算滿足（e1＝0.032m＜1.943m）；②壓應(yīng)力驗(yàn)算滿足（計(jì)算值＝208.928kPa＜2100.000kPa）；③剪應(yīng)力驗(yàn)算滿足（計(jì)算值＝－33.713kPa＜50.000kPa）。

經(jīng)驗(yàn)算，擋土墻的滑動(dòng)穩(wěn)定性、傾覆穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求，但原擋土墻上墻背坡傾斜坡度1∶0.8處截面斜剪應(yīng)力驗(yàn)算不滿足。

3.2 原因分析

1）從擋土墻垮塌部位來(lái)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(fā)現(xiàn)有拉結(jié)石砌塊，垮塌部位砂漿部分可用手指扣動(dòng)，墻體未按規(guī)范及設(shè)計(jì)要求施工；砂漿強(qiáng)度等級(jí)、砂漿飽滿度不滿足設(shè)計(jì)要求。

2）通過(guò)開挖原擋土墻垮塌部位墻背，未見(jiàn)反濾體或反濾層，墻背探井底部填土濕潤(rùn)，含水率較高。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)度降低，導(dǎo)致土壓力增加。

3）加建擋土墻直接修建在原擋土墻上，通過(guò)開挖探井檢查垮塌后墻背情況，發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)大面積的水泥砂漿呈粉末狀，通過(guò)分析為砌筑加建擋土墻砌前塊石和基面未灑水濕潤(rùn)，砌后未充分澆水養(yǎng)護(hù)所致。

4）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)擋土墻垮塌部位墻頂寬度為1.2m，根據(jù)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(chǔ)連接位置處不滿足設(shè)計(jì)要求，二者未連接為一個(gè)有效整體，使該組合擋土墻為變截面擋土墻，導(dǎo)致原擋土墻上墻部位應(yīng)力集中。

5）從委托方提供的部分資料及現(xiàn)有破壞現(xiàn)場(chǎng)的查勘情況分析，擋土墻垮塌不符合傾覆或滑移破壞形態(tài)，屬于墻身鼓曲破壞。按照委托方提供的加建擋土墻實(shí)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(jīng)過(guò)驗(yàn)算，擋土墻抗傾覆、抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)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(qiáng)度驗(yàn)算不滿足要求。理論計(jì)算與擋土墻垮塌部位破壞形態(tài)相符。

4 FLAC3D分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況建立模型及網(wǎng)格劃分，如圖3所示，模型計(jì)算的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)采用表2數(shù)據(jù)，計(jì)算中對(duì)模型y方向?qū)挾葹?m，力學(xué)邊界條件為下部fix，左右兩側(cè)為水平fix，上部free。

表2 擋土墻與土體材料參數(shù)

從圖4，5可看出其變形破壞模式與破壞面，主要塑性區(qū)發(fā)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(yīng)力最大，加之該位置處擋土墻施工質(zhì)量不滿足設(shè)計(jì)要求，造成了工程質(zhì)量事故，F(xiàn)LAC3D結(jié)果與上述理正巖土計(jì)算結(jié)果及原因分析一致。

圖3 FLAC3D模型網(wǎng)格劃分

圖4 最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖5 最大剪應(yīng)力云圖

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)垮塌部位擋土墻進(jìn)行的施工質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果，利用北京理正巖土軟件計(jì)算邊坡穩(wěn)定性，建立擋土墻FLAC3D模型，分析擋土墻受力情況，得出如下結(jié)論。

1）理正巖土軟件計(jì)算結(jié)果與FLAC3D計(jì)算結(jié)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(shuō)明在類似工程分析過(guò)程中，可采用多個(gè)軟件分析，相互印證。

2）通過(guò)理論分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，擋土墻垮塌的主要原因?yàn)椋孩僭瓝跬翂逅课皇┕べ|(zhì)量不滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求；②加建擋土墻基礎(chǔ)及連接不符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)原擋土墻產(chǎn)生不利影響。

3）加建擋土墻施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)要求施工，以免造成工程事故。