２０１７年第７期 （第４５卷）黑龙江水利科技 Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．７．２０１７ （Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．４５） 文章编号：１００７—７５９６（２０１７）０７—０１２５—０４ 挡墙失稳原因及判别方法浅析 朱冬舟 （上海勘测设计研究院有限公司，上海２００４３４） 摘要：文章以拦路港重力式挡墙为例，阐述了一般挡墙破坏型式以不均匀下沉破坏为主，通 过受力分析，明确各个作用力对挡墙稳定所起的作用，提出各个作用力的两面性，尤其是在挡 墙发生细微倾斜下的变化，再通过挡墙失稳原因分析，将失稳原因直接反应至某个作用力上， 分析其影响途径及结果。最 关键词：自力式挡墙；挡墙失稳；挡墙破坏；受力分析；判别方法 中图分类号：ＴＶ６９８．２５ 文献标识码：Ｂ 直接维修加固也不经济，因此，上海市每年都希望对 急需加固岸段进行专项维修，将有限资金价值发挥 最大。按照现行规范，对挡墙进行安全鉴定最为常 ｌ 概述 挡墙作为主要承受土压力，防止土体塌滑的挡 土建筑物，在水利、公路、建筑物、铁路等工程中应用 广泛，文章主要以水利工程重力式挡墙为例，分析挡 墙失稳的原因及判别方法。重力式挡墙是依靠墙身 用，但需要大量的时间和精力，每年做一次安全鉴定 也不现实。目前上海市挡墙各岸段均有专门巡查 员，如何利用巡查员１３常巡查外观变形，初判挡墙安 全性尤为重要。但巡查员并非专业技术人员，无法 从理论角度评判挡墙是否已失稳。通过与巡查员的 自重抵抗土体侧压力的挡墙，一般可用块石、片石、 混凝土预制块作为砌体，或采用片石混凝土、混凝土 进行整体浇筑。由于重力式挡墙靠自重维持平衡稳 多次接触，通过挡墙顶部错缝进行判断最方便，此种 定，因此，体积、重量都大，在软弱地基或有软弱下卧 方法虽然较直接，但错缝多少并无量化指标，而且如 层的地基上修建挡墙，在运行期往往存在安全隐患。 果相邻伸缩缝挡墙同时外倾并没有错缝，就无法通 上海市拦路港两岸挡墙均为２００４年前后实施 过肉眼发现挡墙已经存在失稳风险，因此，文章主要 完成，其受当年使用工况、经济条件等因素影响，基 分析更为容易操作的挡墙失稳评判方法。 本采用性价比较高的毛石混凝土重力式挡墙，大部 分采用天然地基，局部采用塘渣回填挤淤或方桩基 ２挡墙破坏型式 础。挡墙建成后，为两岸防洪工程发挥了巨大的防 洪减灾效益。 为了更好的分析挡墙失稳，应先了解其破坏的 主要型式。由于重力式挡墙材料强度较高，其破坏 现拦路港作为苏申外港线航道整治工程的一部 基本体现在整体稳定上，主要包括滑动破坏、倾覆破 分，按Ⅲ级航道标准建设运行。近几年，受航道通航 坏和不均匀下沉破坏３种。 影响，各段墙前泥面刷深不一，每年都出现外倾明显 滑动破坏分为３类：沿基底的滑动破坏，沿基础 但尚未倒塌的挡墙，为了防汛安全，陆续对受损挡墙 表面或沿紧临基底表面土层中剪切破坏而产生滑 进行专项维修，但挡墙外倾多少就需维修，目前没有 动；浅层剪切滑动破坏，当地基中某一曲面上剪应力 明确的标准，这对如何及时针对性维修加固拦路港 过大时，可能在地基中产生浅层滑弧滑动；深层剪切 两岸４８ｋｍ挡墙来说，具有很大的挑战。从经济角 滑动破坏，由于地基中某一曲面上剪应力过大而产 度，原挡墙仍能发挥防洪效益，只是略有倾斜的话， 生。一般沿基底的滑动破坏为主要控制型式。 ［收稿日期］２０１７—０６—２６ ［作者简介］朱冬舟（１９８５一），男，江苏滨海人，工程师，研究方向为水利工程。 ２０１７年第７期 （第４５卷） 黑龙江水利科技 Ｎｏ．７．２０１７ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．４５） 倾覆破坏是由于挡墙绕其前趾产生过大的前倾 应力增加；再如墙后侧向土压力，其为挡墙提供滑动 和破坏。对土基抗倾稳定验算不是控制条件，因为 力，但通过侧墙倾角的设置，将部分力分解至垂直 土基上产生倾覆破坏时，必然伴随前趾基底应力过 向，其又可作为阻滑力的一部分，因此，挡墙很难在 大，而应力比在地基应力验算中已受严格控制，在岩 结构拟定时对不利荷载进行消除，只能通过合理布 基上，由于应力比要求放宽，可能会出现倾覆破坏。 受压力，通常假定此压力按直线分布，而地基土承受 压力的能力是有限的，当基底压力大过地基承载能 力时，会产生地基下沉，进而导致挡墙下沉破坏。这 种下沉破坏是不均匀的，由于前趾应力大于后趾应 挡墙在多年运行下，或多或少会产生部分失稳 置，降低不利影响，提高有利因素，在有利和不利之 地基下沉破坏，在各种力系的作用下，基底将承 间达到性价比最高的挡墙结构尺寸。 ４挡墙失稳原因分析 现象，现以拦路港为例，主要失稳原因分析如下。 力，大多出现前倾下沉。 拦路港沿线属长江三角洲冲积平原，主要不良 地质条件有厚填土、明浜、浅部淤泥质土等。厚填 土，以黏性土为主，夹植物根、有机质，夹少量碎石、 碎砖等，土质松散不均，呈欠固结状态，渗透性较强， 对堤防稳定很不利；明浜，河底分布淤泥，含有机质、 碎石、腐殖物及少量生活垃圾，工程性质极差；浅部 淤泥质土，为软弱土层，承载力低。根据挡墙破坏型 式及地基土情况，结合巡查人员反馈巡查信息，拦路 港沿线挡墙破坏应以不均匀下沉破坏为主。 ３挡墙受力分析 挡墙主要承受以下作用力：自重、附加荷载、土 压力、水重、静水压力、扬压力、淤沙压力、风浪压力、 冰压力、土的冻胀力及地震荷载等。 一般挡墙损坏发生在正常挡水工况、施工工况。 拦路港沿线根据巡查结果，挡墙失稳大部分发生在 正常挡水工况，其主要需考虑作用力包含：自重、附 加荷载、土压力、水重、静水压力、扬压力。拦路港作 为通航河道，主要受船行波影响，因此淤沙压力基本 不考虑；河道风区长度较短，风浪压力也较小，可 忽略。 自重主要包括挡墙底板、墙身自重及底板上部 填土重量；附加荷载主要包括墙后人行、车行荷载， 墙前船舶撞击力等；土压力主要包括墙前、墙后回填 土侧向土压力及墙后荷载引起的侧向土压力；水重 主要包括墙前水体自重，墙后底板以上地下水自重； 静水压力主要包括墙前静水压力，墙后地下水静水 压力；扬压力主要包括底板下浮托力及渗透压力。 挡墙上各个作用力基本都具有两面性，一方面对结 构起有利作用，另一方面也伴随不利影响，如自重， 其为挡墙稳定提供阻滑力，但自重对于底板很难做 到居中，稍向外河偏移，就产生倾覆力矩，使前趾压 １ ２６一 １）墙前泥面刷深，降低墙前被动土压力。 拦路港河道口宽１１９—１８０ｍ，河底高程为一 ３．６０ｍ，原河道设计断面为：防汛墙墙前在高程 ２．６０ｍ处设置一平台，平台宽度为２．５０ｍ，河道平台 前边坡为ｌ：３．２５或１：５至河底高程。现拦路港作为 Ⅲ级航道，航运繁忙，船舶吨位多有超标，并在船舶 运行搁浅、掉头等特殊情况影响下，墙前泥面均有不 同程度的刷深，大部分接近允许冲刷高程，局部刷深 超过３ｍ以上，墙前填土提供的被动土压力被降低， 相当于增加了墙后侧向土压力，对挡墙稳定不利¨Ｊ。 ２）墙身老化、破损、止水老化，导致墙后土体松 散，增加墙后主动土压力。 拦路港挡墙大部分采用浆砌块石或毛石混凝土 结构，所用混凝土强度等级一般为Ｃ１５、Ｃ２０，强度等 级较低，用量小，结构耐久性及抗老化能力低，经过 多年的风雨侵蚀，结构内的混凝土或砂浆已疏松、脱 落，墙后土体流失严重，土体处于松散状态；部分止 水带老化或因轻微沉降、前倾、错位发生撕裂，导致 墙后土体进一步土体流失，降低了填土黏聚力，提高 了主动土压力。 ３）墙身多次加固，墙体断面已成畸形，受力 复杂。 以往堤防维修偏向于在原工程暴露出来的问题 进行加固处理，常水位以下结构问题可能并未全部 暴露；在此基础上，经多次加固后，挡墙断面已成畸 形，断面连接处多成薄弱点，新老结构接触面脱开、 渗漏、浆砌块石脱落等，这给挡墙结构受力带来不确 定性。 ４）其他因素： 拦路港沿线基础中普遍存在淤泥质土，有的基 础即使在①素填土、②粉质黏土层上，但其厚度较 薄，在下卧淤泥质软土层影响下，也极易引起挡墙在 极小的干扰下，发生失稳。 ２０１７年第７期 （第４５卷） 黑龙江水利科技 Ｎｏ．７．２０１７ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．４５） 拦路港挡墙后均建有宽度为３—６ｍ的防汛通 析见图２。 道，道路结构基本为硬质的混凝土路面或沥青路面， 这为墙后运行荷载增加提供了可能，实际上，防汛通 道的汽车通行量也不小，接近乡村道路，局部时段作 为施工进场道路使用，因此他的墙后荷载很难维持 在原设计的２ｋＮ／ｍ ，挡墙的运行荷载提高后，极易 引起挡墙的失稳。 拦路港挡墙后绿化标准较高，在美化环境的同 时，也为挡墙的运行带来新的安全隐患。挡墙竣工 后的小树木经过接近２０ａ的成长，很多枝干已经初 具规模，其不仅增加了墙后永久荷载，而且增加了大 风影响下的偶然荷载。 ５挡墙失稳判别方法 拦路港沿线挡墙破坏多以不均匀下沉破坏为 主，此类破坏型式表现最多的特征为墙身错缝、倾 斜，错缝可以采用水平位移进行量化，倾斜可以采用 倾角进行量化。不管是水平位移还是倾角，目前均 无较为认可的计算方法，为此，笔者提出水平位移采 用经验判别法，通过对较为成熟的桩基泥面处水平 位移控制方法进行类推；倾角提出受力分析计算法， 通过受力分析，引入倾角变量，对原各个作用力进行 分解，计算出不同倾角下的安全系数。 ５．１经验判别法 《建筑桩基技术规范》（ＪＧＪ９４—２００８）中规定，桩 基泥面处水平位移不得超过１ｃｍ，假设挡墙基础下 桩长为０ｍ，其底板处水平位移为１ｃｍ。根据规范，此 位移量对应地基土水平抗力系数的影响深度为２（ｄ ＋１）ｉｎ，其中，ｄ为方桩桩径，本次暂按０．３ｍ考虑，而 老挡墙的底板高程一般在１．５ｍ，墙顶标高为５．５０ｍ， 假定水平位移以相似三角形线性变化，相似关系见 图１，根据比例关系，墙顶水平位移为 ２（ｄ＋１） ×１：２．５。ｍ。 。’… 因此，根据经验判别法，拦路港基础无桩挡墙墙 顶错缝超过２．５ｃｍ，通过定期监测，并有持续发展趋 势的，均可判别为挡墙即将失稳，需要尽快进行专项 维修。 ５．２受力分析法 以拦路港较为常见原浆砌石挡墙为例，为了计 算方便，本次对挡墙相关参数进行简化：①墙前填土 按与底板面高程齐平考虑；②墙后填土按无黏性土 考虑；③墙后填土只算至底板面高程。挡墙受力分 图１ 经验判别法水平位移相似关系图 受力分析法假设挡墙墙身倾斜角度０，自重Ｇ１、 Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５垂直力基本不变，但力臂有变化；土 压力（Ｅａｌ、Ｅａ２）、水压力Ｐ１、扬压力（Ｕ１、Ｕ２）的垂直 分力及力臂均有变化；土压力（Ｅａｌ、Ｅａ２）、水压力 Ｐ１、扬压力（Ｕ１、ｕ２）的水平分力及力臂也均有变化， 在不同的０值下，挡墙抗滑稳定及基底应力见表１。＝＿＝㈠一 。 ｉ １ ｔ … ｛¨ … ‘ 一 一 图２挡墙受力分析简化图 表１ 受力分析法不同墙身倾斜角度 ０挡墙稳定计算结果 一１２７一 ２０１７年第７期 （第４５卷） 黑龙江水利科技 Ｎｏ．７．２０１７ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．４５） （注：本表结果由于未考虑墙前土压力及填土黏 本不影响结论评判。） 经验判别法偏向与类比经验，实际依据并不充 力；同时，此法需要有现场参照，当挡墙同时发生大 聚力等，数据偏保守，本次只分析相对趋势，因此基 足，唯一影响因素只考虑挡土高度，显然很难有说服 拦路港堤防由于１９９７年１２月即完成初设设 小不一的倾斜，结果更易失真，但是在实际管理养护 计，当时《堤防工程设计规范》（ＧＢ ５０２８６—９８）、《水 过程中又很直观，现状肉眼即可判断挡墙的运行状 工挡墙设计规范》（ＳＬ ３７９—２００７）均未发布实施，挡 况，巡查人员基本采用此法进行判别。 墙的抗滑稳定系数、应力比等均未有明确规范规定， 受力分析法较为客观，通过对不同倾斜角度下 只能根据相关设计手册进行取值评判。根据《水工 挡墙的实际受力分析，计算出挡墙失稳的边界条件， 挡墙设计》（中国水利水电出版社１９９６年１１月第一 结论有一定的说服力，但在实际管理养护过程中，非 版）显示，３级建筑物基本组合抗滑稳定安全系数要 专业人士很难现场测量墙身倾角，这样为判别失稳 求≥１．２５；基底应力比容许值基本荷载组合中等坚 硬、紧密土层Ｉ＞２．５０。 拦路港挡墙原规模论证为３级建筑物，其基础 基本座落于①素填土、②粉质黏土，局部坐落于③淤 泥质粉质黏土上，①层、②层承载力在６０—８０ｋＮ左 右，③层５０ｋＮ左右。原设计底板在①层、②层的，基 本采用原状基础；底板在③层的，采用回填塘渣挤 淤，局部采用预制桩基础。由表１（０＝０。）计算结 果，挡墙基本组合抗滑稳定安全系数ｋ＝１．２８＞ １．２５；平均应力８＝５８．７３ｋＰａ＜（６０—８０）ｋＰａ，基底应 力比８…／ ｉ ＝２．５０≤２．５０，均满足设计要求。 进一步分析表１计算结果显示，当挡墙因相关 原因发生向墙前倾斜０后，随着０角度越来越大，抗 滑稳定安全系数ｋ变化不大，并未因为发生倾斜而 出现抗滑稳定问题，这与现状较为相符；偏心距ｅ、基 底应力比８…／６…随着０增大，均增加明显，但平均 应力６变化不大。随着挡墙前趾应力增加、后趾应 力降低，前趾应力接近或超过地基土允许承载力时， 挡墙破底板会发生不均匀下沉，它的表现型式为墙 身发生倾斜。根据图２受力分析，挡墙具体失稳角 度跟挡墙挡土具体尺寸、地基承载力有直接关系，无 法定性给出唯一失稳倾斜角度。从表１来看，挡墙 在倾斜１。的情况，挡墙已经要出现失稳的情况。 ５．３方法对比 采用经验判别法，文章挡墙案例失稳条件为错 缝值达２．５ｃｍ，折算到受力分析法，挡墙墙身倾斜角 度在０．５５。，由表１显示，挡墙基本属于临界状态，稍 微倾斜一点，就有可能发生失稳，应该来说，理想状 况下，判别结果基本一致。 ｌ２８一 带来一定的不确定性。 综上所述，经验判别法准确度不高，但却实用方 便；受力分析法较为客观，但实际操作不方便。因 此，笔者建议，在挡墙设计的过程中，设计人员通过 受力分析法，计算出挡墙失稳的临界角度，并推算出 墙顶的水平位移，在设计图纸中明确这一数值；管理 人员巡查过程中，利用经验判别法进行实地水平位 移与临界水平位移对比初判，为后期维修加固程序 提供原始依据。 ６ 总 结 １）挡墙破坏基本体现在整体稳定上，主要包括 滑动破坏、倾覆破坏和不均匀下沉破坏３种，从拦路 港所处环境及运行工况等方面分析得出，一般以不 均匀下沉破坏为主。 ２）对挡墙进行详细的受力分析，明确各个作用 力对挡墙稳定所起的作用，辩证分析了挡墙发生细 微倾斜后，各个作用力对稳定的两面性。 ３）不同的挡墙失稳原因，最终都可反应到某个 作用力上，为挡墙失稳的受力分析法提供依据。 ４）挡墙失稳可用经验判别法与受力分析法进行 判别，两种方法各有利弊，建议设计人员采用受力分 析法提出挡墙失稳的临界判别参数，运行管理人员 在日常巡查过程中，利用设 ‘人员提供的参数，通过 经验判别法进行挡墙失稳的日常判别。 参考文献： ［１］中华人民共和国水利部．ＧＢ５０２８６－－２０１３堤防工程设汁 规范［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２０１３．
