仰斜式高挡墙“鼓包”问题的探究和解决方案

张 强

葛洲坝集团电力有限责任公司，湖北 宜昌 443002

1 概述

挡土墙是支挡路基填土或山坡土体，防止填土或山坡土体失稳，承受侧向土压力的构筑物，事关防护对象的重大安全，因此，根据现场地质条件选择恰当结构形式的挡土墙十分重要。本文结合220kV沙湾变电站高挡墙局部出现“鼓包”现象，探讨了挡土墙的稳定性，剖析“鼓包”成因，提出解决方案，最后进行了经验总结。

2 工程地理及地质情况

220kV沙湾施工中心变电站位于四川凉山彝族自治州木里县东子乡东子村东子组， 是华电木里河梯级电站工程中用于施工供电的中心变电站，站址大部区域地势平缓，但北面靠山，坡势较大，南面临边，下坡较陡，总体地势为北高南低，站区四周均修砌挡土墙。

根据设计地勘资料，拟建场地地层岩性主要为第四系崩坡积的夹碎石亚粘土和三叠系变质板岩组成。蹦坡积的块碎石土夹粘土，具有一定的物理力学性能，可作建构筑物基础持力层。三叠系下统变质板岩夹砂岩（T1），弱～微风化，埋深较深。3 存在的问题及计算分析

2.1 存在的问题

该站北面的挡土墙最高，为9m～10m，按照施工图，采用仰斜式。北面挡墙砌筑完成一个月后(跨主汛期)，发现北侧往西北角的一段挡墙（约15m）出现了明显的“鼓包”带（墙高1/3左右处），进一步观察后，发现“鼓包”带的墙面仍在轻微的外移，挡土墙顶面也有纵向裂隙，墙后土体（非原状土，为附近引水洞工程铺垫施工便道的弃渣体）顶部也出现多条裂隙，由此情形发展，主汛期的一场强降雨随时都有冲垮该段挡墙的可能，属重大安全隐患（见下图1）。

图1

2.2 挡土墙稳定性验算

由于出现“鼓包”带，需要对挡墙的稳定性进行验算，以判明症结所在，具体如下：

1）土压力计算

（1）计算式（库伦主动土压力计算公式）：

两式中：Ka为库伦地震或非地震土压力系数；Ea为地震或非地震土压力；

α为墙背与垂直线夹角（度），俯斜为正值，仰斜为负值；

η为地震角，7度（0.1g）η=1.5°；δ为墙背与填料摩擦角，取δ=0.5ψ；

ψ为填料内摩擦角（度）；β为墙背后边坡坡度（度），该工程β=0°；

ho为荷载换算土柱高度，本工程设计荷载qk=10kPa，ho=qk/γc（3）

γc为墙背填料重度（kN/m3），正常情况下，取γc=18kN/m3；

γo为挡土墙结构重要系数，取γo=1.1（防护对象为高压电气设备）；

（2）参数取值

在实际应用时，上述计算式中的参数需结合现场情况取最接近实际的值，计算的结果才能更加准确的反映实情，现就理论和实际两种状态，分别给出各参数取值，见表1。

表1

说明：1）填料内摩擦角（ψ）：回填料就地取材，为块碎石土夹亚粘土，参考图集（04J008）附录C，ψ取值在粘性土（墙高6m）和碎石类土之间，即30°～40°，正常取35°；实际上，填料受雨水浸透，内摩擦角减小，取30°；2）墙背与填料摩擦角（δ）：根据图集（04J008）附录G，δ=0.5ψ，当ψ变化时，其相应变化；3）填料重度（γc）：正常情况下γc=18kN/m3，实际上，受开裂砌体成为填料和含水量等因素的影响，填料综合重度发生了变化， 如图1所示，△BCE为挡墙砌体失重易开裂部分（按极限开裂考虑），该部分每米长度的体积VBCE=0.5*1.5*2/3*H=0.5*H；△ABF为墙后填料部分，该部分每米长度的体积VACE=0.5*5.4*H=5.9*H；整个滑动体ACEF体积VACEF=VBCE+VACE+=0.5*H+5.9*H=6.4*H；砌体占比为VBCE/VACEF=0.5/6.4；填料占比为VACE/VACEF=5.9/6.4；如果1m3填料中仅考虑含水量30%，则下滑填料的综合容重为：γc=22*0.5/6.4+18*5.9/6.4+9.8*0.3=21.25（kN/m3）；

（3）土压力计算

将上述表1的参数分别代入①～③计算式，通过计算得出如表2。

表2

2）抗倾覆验算

（1）计算式：为了保证挡土墙在土压力的作用下不发生绕墙趾0点的倾覆，应使抗倾覆力矩大于倾覆力矩，两者之比值为抗倾覆安全系数Kt，即

（其中安全系数1.6依据《建筑地基基础设计规范》中第6.6.4～6.6.5条规定取值）

式中：Kt为每米抗倾覆安全系数；G为每米挡土墙的重力；

Eax为每米主动土压力的水平分力：

Eaz为每米主动土压力Ea的垂直分力:

Xo、Xf、Zf为分别为G、Eaz、Eax至墙趾O点的距离，其中

式中：b为基底的水平投影宽度；z为土压力作用点离墙踵的高度；α0为基底与水平线夹角。

（2）参数取值

按照图1分析计算和上表1、表2，计算式（4）～（7）中的各参数取值详见表3。

表3

说明：挡墙自重（G）=挡墙每延米体积（V）*容重（γc），V、γc根据图集可查为17.61m3、22kN/m3；本工程实际情况下，应将开裂部分的砌体重量扣减，即图1中△BCE砌体每延米重量GBCE=0.5*9*22=99（kN）；

（3）抗倾覆安全系数计算

将上述表2、表3的数值分别代入④～⑧计算式中，通过计算得出如下结果：

表4

3）抗滑移验算

（1）计算式

为了保证挡土墙在土压力的作用下不发生沿基底的滑动，应使基底抗滑力大于滑动力（即土压力的水平分力），两者之比值为抗滑移安全系数Ks，即

式中：Ks为抗滑移安全系数； Gn为垂直于基底面的重力分力；Gt为平行于基底的重力分力； Ean为垂直于基底的土压力分力；Eat为平行于基底的土压力分力 ；

μ为挡土墙基底对地基摩擦系数，由试验确定，当无试验资料时，可参考图集04J008附录D选用。

该挡墙基底为倒坡式，且基础埋置较深，基底为弱风化板岩和砂岩，挡墙在底部几乎不可能发生滑移。事实上，挡墙 “鼓包”带在墙高1/3左右处，需讨论和验算该处滑移情况。

（2）参数取值

当将墙高1/3处作为基底滑移面时，Gn=墙高1/3处以上砌体重力；Gt=0；Ean= Eaz；Eat= Eax，μ值参考图集04J008附录D选用，属表面粗糙的硬质岩石间摩擦，且有砂浆黏合，可考虑μ=0.75，详见表5。

表5

说明：1）正常情况下Gn=2/3G，实际情况下，Gn=2/3GGBCE=159.28（kN）（为简化计算，在此忽略了挡墙脚趾重量对挡墙重力均匀性的微小影响）；2）Ean、Eat取值均参考表-04；3）由于沿墙背的土压力存在不均匀性，墙高1/3左右的位置是受力最大处，该处（局部范围）滑移时存在事实上的上下两个滑动面，因此，μ=0.75*2=1.5。

（3）抗滑移安全系数计算

将上述表5的数值分别代入⑨计算式中，通过计算得出如下结果：

表6

2.3 影响挡墙安全因素的分析

通过对上述挡墙稳定性验算过程的分析，造成该挡墙实际抗滑移安全系数大大降低的原因主要是如下方面的参数发生了较大变化和结构性问题：

1）挡墙有效自重减少：部分砌体开裂，从墙身脱离开，破坏了其整体性，重力减小；

2）填料综合容重（γc）增加：雨季填料的含水量增大，同时开裂部分挡墙砌体也进入填料中，使填料的综合容重增加，共同对墙背形成较大的土压力；

3）填料内摩擦角（ψ）减小：以亚粘土为主的填料（含少量碎石）在雨季形成浸水饱和，抗剪强度和粘聚力降低，ψ值减小，由计算式①②可知，导致土压力大幅增加；

4）挡土墙形式不适：过高仰斜式挡墙重心极不稳，填料沉降，失重砌体失去支撑开裂；

5）局部地质变化：墙后边坡属邻近工程松填弃土，与地勘地质不符，该土破裂体下滑。

3 总结及解决方案

由上述的原因分析，我们可总结和寻求解决挡墙“鼓包”问题的一般经验、方法：

1）详查地质：在涉及重大安全和高挡墙施工中，必须认真核验现场每个部位的地勘情况，对有偏差的部位应特别警惕，进行稳定性验算。（本工程对墙后的松填弃土未引起重视）；

2）选择适宜挡墙形式：本工程需拆除“鼓包”段挡墙，改为直立式。仰斜式挡墙适于贴坡式支挡，即边坡坡度与墙背倾角一致或夹角很小，填料对墙身的土压力为0或很小，挡墙不易产生滑移。挡墙仰斜坡度不宜缓于1:0.25，墙面、墙背平行，边坡坡度不宜缓于1:0.3；

3）仰斜式挡土墙一般适用于高度小于6m的支挡。根据《建筑地基基础设计规范》第6.6.4-6.6.5条，重力式挡墙适用于高度小于6m、地层稳定、开挖土石方时不会危及相邻建筑物安全的地段；

4）填料及夯填：填料内摩擦角的少量变化可引起土压力较大变化，因此，填料应尽量选用抗剪性高和透水性强的砾石或砂土，严禁选用膨胀土、淤泥质土、耕植土作填料。对于仰斜式挡墙，其背后填料还应分层夯实，否则，易出现填料沉降，墙体开裂；

5）完善防、排水措施：挡墙和边坡顶部均应设截水沟，防止边坡滑移、垮塌，以及填料浸水饱和，抗剪强度和粘聚力降低，ψ值减小。

[1]建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）.

[2]挡土墙（国家建筑标准设计图集04J008）.北京：中国计划出版社，2006，4.