淺談既有重力式擋土墻安全評估

張翔宇， 毛 可， 劉紅森

(西南交通大學土木工程學院， 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構，被大量使用于邊坡支護工程中[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現象發生在重力式擋土墻身上；并且隨著我國鐵路運行車輛軸重的增加、速度的提升[2]和近年來自然災害的頻發，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，使鐵路運輸的安全得不到保證。因此評估既有重力式擋土墻安全性，確定它的安全狀態和等級，并針對不穩定、不安全的擋土墻提出相應的維修或加固措施顯得尤為迫切和重要[3,4]。

當前，國內外科研工作者對各類工程安全評估進行研究，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性。因此，本文在對重力式擋土墻結構病害進行分類和分析的基礎上，結合安全系數方法，建立了包括總體評估與細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準。該安全系數評估方法對明確既有重力式擋土墻的安全狀態、保證整個鐵路運輸系統的安全具有重大意義。

1 既有重力式擋土墻的結構病害

根據重力式擋土墻的破壞形式可將既有重力式擋土墻結構病害概括為以下四類[5-6]：

(1)穩定性破壞，包含基礎滑動破壞和傾覆破壞兩種破壞形式。

(2)基礎不均勻沉降破壞。

(3)墻體自身破壞。

(4)沿軟弱層破裂面滑動。

1.1 穩定性破壞

1.1.1 基礎滑動破壞

既有重力式擋土墻的抗滑能力不足是導致擋墻發生基礎滑動破壞的原因。擋土墻破壞的表現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在不同位移量分界處，或者錯位發生在擋墻伸縮縫處。邊坡體會在移動量比較大時形成與擋墻方向一致的張開裂縫，裂縫經常伴隨下滑現象。

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致擋墻傾覆破壞的原因。

其破壞的表現形式是擋土墻發生轉動，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。因為外界縱向受力等情況的不同，導致在不同縱向轉動量的截面處開裂形成豎向斷裂面，或者錯開裂縫出現在墻體伸縮縫處；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；邊坡體會在轉動量較大時出現與擋土墻方向一致的張開裂縫，并可能同時發生下沉現象，但在裂縫形成的早期下層量不明顯。

1.2 基礎不均勻沉降破壞

既有重力式擋土墻基底的豎向承載力不足是導致擋土墻基礎不均勻沉降的原因。其破壞的表現形式為擋土墻整體發生傾斜，墻趾發生下沉，并且擋土墻墻體上還可能出現傾覆破壞類似的裂縫；傾覆破壞和基礎不均勻沉降破壞的不同點在于基礎是否有沉降變形。

1.3 墻體自身破壞

既有重力式擋土墻墻體所用材料強度不足是導致擋土墻墻體自身破壞的主要原因。其破壞的表現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力小于截面的法向應力時被壓裂、壓碎；墻身在受到過大的剪應力時會發生剪切破壞，擋墻在剪切位移較大時會產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度不足或者存在軟弱夾層是導致擋土墻沿軟弱層破裂面滑動破壞的主要原因。

其破壞的表現形式是擋土墻整體“坐船”，擋土墻墻體本身沒有產生裂縫，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行評估，細部評估對擋土墻各細部構造的安全狀況進行評價。

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，就是根據擋土墻各組成部分的病害對其所處的安全狀態進行評價。根據第1章對擋土墻結構病害的分類及分析，將評估組成部分劃分為墻體強度、墻體穩定性(抗滑、抗傾覆)、地基承載力。

對既有重力式擋土墻進行總體安全評估時，首先確定各組成部件的安全等級即評估標度，本文參照《邊坡病害及治理效果評價》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等級，并對應六種評估標度，具體劃分情況見表1；然后再確定各組件的權重，總體安全評估方法見表2。

表1 安全評估標度

表2 既有重力式擋土墻總體安全評估方法

2.1.2 評估標準

既有重力式擋土墻的安全程度評分根據上文總體安全評估方法計算得出，并由得分情況確定其安全等級。表3為詳細的安全評估標準。

2.2 既有重力式擋土墻細部評估

在重力式擋土墻的設計計算中，安全系數法得到了廣泛的運用，經過工程實踐表明，此方法起到了較好的定量分析的作用，但安全系數法被應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》與《公路邊坡治理措施及安全評價方法》中對擋土墻的評價方法后，結合安全系數法來對第1章所總結的五種病害進行細部的安全評估。

表3 既有重力式擋土墻總體安全評估評估標準

2.2.1 穩定性安全評估

(1)評估參數的選取。

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

(2)安全評估方法。

TB-10025-2006《鐵路路基支擋結構物設計規范》中規定[Kc]和[K0][7]見表4。將計算出的Kc和K0與規范規定值[Kc]和[K0]進行比較，根據兩者的大小關系來確定其安全狀態，見表5。

表4 不同荷載情況下穩定系數的規定值

表5 既有重力式擋土墻穩定性安全評估方法

注：Kx為實際計算值，[Kx]為規范規定值；Kx可為Kc—抗滑動穩定系數和K0—抗傾覆穩定系數。

2.2.2 抗基礎不均勻沉降安全評估

(1)評估參數的選取。

選取基底合力的偏心距e作為擋土墻抗基礎不均勻沉降安全評估的評估參數。

(2)安全評估方法。

TB-10025-2006《鐵路路基支擋結構物設計規范》中規定的偏心距[e]見表6。通過基底合力偏心距與規范值的相對大小來判定擋土墻的安全狀態(表7)。

注：B表示擋墻基底寬度。

表7 抗基礎不均勻沉降安全評估方法

注:偏心距[e]表示規范值，偏心距e表示實際計算值。

2.2.3 抗墻體自身破壞安全評估

(1)評估參數的選取。

選取截面的合力偏心距e′作為擋土墻安全評估的參數。

(2)安全評估方法。

TB-10025-2006《鐵路路基支擋結構物設計規范》中受力最不利截面軸向力的偏心距[e′]的規范規定值如表8所示。

表8 不同荷載情況下最不利截面偏心距規定值

注：B′表示墻身截面寬度。

根據收集到的既有擋土墻的現場工程資料計算出實際偏心距，再依據抗基礎不均勻沉降安全評估的方法(表7)進行安全評估，從而來判定擋土墻的安全狀態。

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定性驗算方法來進行。

(1)評估參數的選取。

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

(2)安全評估方法。

在研究TB 10001-2005《鐵路路基設計規范》、TB 10025-2006《鐵路路基支擋結構物設計規范》和GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規范》三類規范對穩定系數的要求后，確定穩定系數[K]=1.25。

根據穩定系數超出規定值的范圍進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 工程實例

本文將工程段D1K29+772～+783右側長11 m的重力式路塹擋土墻作為工程實例，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γ=20 kN/m3，φ=35°，地基為泥巖、泥質砂巖、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果

邀請專家依據工程現狀對既有擋土墻各個組成部分進行打分，既有重力式擋土墻總體評估如表11所示。

因為Dr=87.64>85，所以該既有重力式擋土墻的整體等級為一級，安全狀態良好。擋土墻墻體穩定性、強度及地基承載力均在設計范圍之內，擋土墻工作良好，只需日常的保養與檢測。

3.2 既有重力式擋土墻細部安全評估結果

根據擋土墻的工程資料，計算出細部評估各個評估參數的實際數值大小，實際值見表12，規范值見表13。

表11 既有重力式擋土墻總體評估

表12 細部評估各評估參數實際數值大小

表13 細部評估各評估參數規范值大小

根據細部評估評估參數的實際值與規范值的大小關系來確定擋土墻細部評估的安全狀態。既有重力式擋土墻細部安全評估結果見表14。

表14 既有重力式擋土墻細部安全評估結果

上文對擋土墻的細部評估，雖然抗基礎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良好，細部評估的結果和總體評估的結果相吻合。

4 結論

本文結合安全系數法，對既有重力式擋土墻安全評估方法進行了研究分析，得出以下結論：

(1)根據重力式擋土墻的破壞模式將既有重力式擋土墻的結構病害分為：既有重力擋土墻穩定性破壞(包含既有重力擋土墻基礎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形式進行了分析。

(2)本文確定了包含總體評估和細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進行評判，細部評估通過定量的方法對擋土墻各細部的安全狀態進行評判，并針對總體評估與細部評估分別制定了劃分擋土墻安全等級和安全狀態的詳細評估標準，兩者之間互相指導更正。

(3)本文將既有重力式擋土墻細部評估劃分為既有重力式擋土墻穩定性安全評估、既有重力式擋土墻抗基礎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部分，并為每一個細部評估選取了安全評估參數和評估方法。

(4)應用該評估體系對工程實例進行評估，說明了總體安全評估與細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，為擋土墻的監測和維修提供依據。