某边坡挡土墙垮塌原因分析

张 军，史 飞，陈红敏

边坡挡土墙在道路和岩土工程中应用广泛，其使用的环境和条件是复杂多样的，在不同的使用环境和工况下挡土墙所受到的内力与设计值是不一样的。边坡可分为稳定边坡、可能失稳边坡和失稳边坡，通常失稳边坡和可能失稳边坡统称为病害边坡。病害边坡的发展受诸多因素的影响，对于具体的工程问题，应当进行具体的分析。本文根据某边坡挡土墙的实地情况和具体数据对该挡土墙垮塌的原因进行具体的分析。

1 工程概况

该工程位于四川康定，处于9度抗震设防地区，于2008年6月竣工，2010年10月垮塌，使用期仅为两年。该挡土墙分为上下两部分，中间为道路，整个挡土墙采用C20素混凝土浇筑而成，平均厚度为500mm。

2 计算模型及材料特性

根据现场实际情况，可以建立如图1所示的力学模型。其中，山坡土体为砂土带有黏土，其黏土内摩擦角为35°，内聚力为37.5 kPa，砂土内摩擦角为30°。挡土墙由C20素混凝土浇筑而成。

图1 挡土墙结构力学模型

3 垮塌原因分析

根据现场的垮塌情况，可以分别从外观、环境、力学分析等方面来分析垮塌的原因。

3.1 外观分析

挡土墙为素混凝土挡土墙，为脆性材料，其高度较大，又未配置钢筋，抗剪能力较弱。通过观察旁边的挡土墙，发现未设置温度伸缩缝，而整个墙体面积很大，又处于(康定)温差较大的地区，故墙体热胀冷缩效应很明显，墙体的局部薄弱环节受胀缩应力的影响发生开裂破坏，引起了应力的重新分布，由此引起整个挡土墙垮塌。

从挡土墙排水方面来看，整个挡土墙未设置排水孔，从而引起雨季有大量的雨水蓄积在挡土墙后，这样土体达到饱和状态甚至积水。当挡土墙后的土体达到饱和状态后，墙体所受的主动土压力会增加很多，而土体的抗剪强度会有大幅度的降低，墙后土体有滑坡趋势，这使得挡土墙所受到的压力更大，挡土墙达到承载力极限而破坏。

3.2 环境分析

挡土墙自建成以后，本身处于力学平衡状态，当环境情况发生变化时就破坏了原有的平衡状态，一旦超过极限状态就会发生破坏。通过现场察看，在原有的挡土墙上部和旁边堆有大量的建筑材料，这使得挡土墙的受力状况发生了变化，土压力增大，加速了挡土墙的破坏。此外，挡土墙底部正在修建房屋，在做地基的时候可能扰乱了山坡土体原有的平衡状态，增大了挡土墙的受力。

3.3 力学分析

3.3.1 挡土墙抗剪承载力

整个挡土墙的受力状况简化为力学模型，即为挡土墙在主动土压力的作用下自身的抗剪能力满足不了承载能力而发生破坏。根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010－2002)第7.5.3条要求，单位长度上混凝土的斜截面抗剪能力为:

3.3.2 主动土压力

根据现场实际情况，挡土墙高10m，墙后土体重度γ=18 kN/m2，内摩擦角35°，挡土墙厚500mm，仰斜角度为 5°，上部坡度 65°，则计算如下［5］。

破裂角度为:

ψ=φ+α+δ=47.528

由此可知挡土墙抗剪承载力无法承受其后土体产生的主动土压力的水平分力。

4 挡土墙有限元分析

4.1 模型建立

根据挡土墙的力学情况，现采用平面应变模型进行分析。在模型中采用 plane42二维面单元模拟土体，采用beam3梁单元模拟挡土墙。其有限元模型如图2所示。

4.2 材料参数

土体，采用弹塑性材料力学模型，其弹性模量为1 GPa，泊松比为0.4，密度(即土体重度)取18 kN/m3，挡土墙为C20素混凝土，采用脆性材料力学模型，其弹性模量为25.5 GPa，泊松比为 0.2，密度为 22 kN/m3。

图2 有限元分析模型

4.3 分析结果

建立有限元分析模型，分析计算得到土体的应力云图如图3所示。从应力云图可以看出有限元分析的土体产生的压力与理论方法所计算的结果是有差距的，但其最大值为393.437 kN，而通过理论计算的主动土压力为390.77 kN，可以看出理论的计算结果与数值模拟计算的结果比较相符。通过分析，实际的土体压力也超过了素混凝土墙的抗剪承载力，所以挡土墙是达到承载力极限而发生垮塌。

4.4 考虑挡土墙后积水情况的有限元分析

在雨水季节时，挡土墙如果排水处理不够完善，则挡土墙后的土体就会发生积水现象。首先是土体本身的含水量增大，密度增加，由此对挡土墙产生的土压力增大;其次是土体含水量增大之后，其粘聚力将大幅度降低，土体的抗剪承载力将会大幅度减小，会产生滑坡等地质灾害，由此也会破坏挡土墙。因此，在考虑挡土墙后的土体含水时必须同时考虑土体的密度增加引起的土压力增大和土体抗剪强度的降低。本文仅考虑土体后面积水高度对挡土墙的影响。

有限元分析模型仍然采用前面所使用的模型，只修改墙后土体的力学参数，分别考虑墙后土体在饱和、积水和完全积水的情况下的挡土墙的受力情况。

(1)墙后土体饱和时，土体密度增大。一般状态下土压力应力云图见图3，饱状态下应力云图见图4。

图3 一般状态下土压力应力云图

图4 土体饱和状态下土压力应力云图

(2)墙后土体积水时，不仅土体密度增大，而且墙后有积水，此时应该附加水压力，经计算得到如图5所示。

(3)当积水高度不一样时，墙后产生的压力变化较大，经过计算，呈现为图6的增长趋势。

经过对挡土墙后积水情况的分析，可以看出当积水高度达到一定的高度时，墙后的压力将趋于直线增长，积水的高度对挡土墙的破坏性很大，因此在进行挡土墙设计的时候需要充分做好排水工作，特别是在雨季较多的地区，更应该做好排水措施，以避免挡土墙的垮塌事故。

图5 墙后积水状态下土压力应力云图

图6 墙后积水状态下土压力随积水高度的变化

5 结论

通过以上对垮塌原因的分析，可以看出该挡土墙垮塌的直接原因是由于素混凝土挡土墙抗剪承载力达到极限状态而发生破坏，间接原因还包括无法排水引起土压力增大，无温度伸缩缝致使墙体开裂产生薄弱部位等。在今后的挡土墙修建过程中，一定要经过有资质的单位进行设计才能修建，而且要严格按照规范进行施工，以确保工程质量。

［1］ 黄淄滨．高边坡挡土墙抗滑动有限元分析［J］．水利科技，2006(3)

［2］ 朱伯芳．有限单元法原理与应用［M］．北京:中国水利水电出版社，1998

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