浅谈既有重力式挡土墙安全评估

张翔宇， 毛 可， 刘红森

(西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

重力式挡土墙作为一种依靠墙身自重来承受土压力的支挡结构，被大量使用于边坡支护工程中[1]。随着挡土墙使用年限的增长，各种病害和不同程度的失稳现象发生在重力式挡土墙身上；并且随着我国铁路运行车辆轴重的增加、速度的提升[2]和近年来自然灾害的频发，这些外在因素都在一定程度上改变了既有重力式挡土墙受力情况，危害挡土墙的正常使用，使铁路运输的安全得不到保证。因此评估既有重力式挡土墙安全性，确定它的安全状态和等级，并针对不稳定、不安全的挡土墙提出相应的维修或加固措施显得尤为迫切和重要[3,4]。

当前，国内外科研工作者对各类工程安全评估进行研究，并取得了一定成果。但目前对既有重力式挡土墙安全评估方法的研究工作开展尚少，并且研究出的评估方法不具系统性。因此，本文在对重力式挡土墙结构病害进行分类和分析的基础上，结合安全系数方法，建立了包括总体评估与细部评估的安全评估体系，并针对该体系提出具体的评估方法和评估标准。该安全系数评估方法对明确既有重力式挡土墙的安全状态、保证整个铁路运输系统的安全具有重大意义。

1 既有重力式挡土墙的结构病害

根据重力式挡土墙的破坏形式可将既有重力式挡土墙结构病害概括为以下四类[5-6]：

(1)稳定性破坏，包含基础滑动破坏和倾覆破坏两种破坏形式。

(2)基础不均匀沉降破坏。

(3)墙体自身破坏。

(4)沿软弱层破裂面滑动。

1.1 稳定性破坏

1.1.1 基础滑动破坏

既有重力式挡土墙的抗滑能力不足是导致挡墙发生基础滑动破坏的原因。挡土墙破坏的表现形式为既有重力式挡土墙整体移动，位移量在墙顶和墙底差别不多。随着挡土墙纵向位置的不同，纵向位移量也不同，因此竖向错断裂面会出现在不同位移量分界处，或者错位发生在挡墙伸缩缝处。边坡体会在移动量比较大时形成与挡墙方向一致的张开裂缝，裂缝经常伴随下滑现象。

1.1.2 倾覆破坏

既有重力式挡土墙的抗倾覆力矩不足是导致挡墙倾覆破坏的原因。

其破坏的表现形式是挡土墙发生转动，位移在挡土墙底部与挡土墙顶部有一定差别，一般是底部小于顶部。因为外界纵向受力等情况的不同，导致在不同纵向转动量的截面处开裂形成竖向断裂面，或者错开裂缝出现在墙体伸缩缝处；一般情况下，裂缝的错距在墙体上部与下部裂缝有一定差别，且墙体上部大于墙体下部；边坡体会在转动量较大时出现与挡土墙方向一致的张开裂缝，并可能同时发生下沉现象，但在裂缝形成的早期下层量不明显。

1.2 基础不均匀沉降破坏

既有重力式挡土墙基底的竖向承载力不足是导致挡土墙基础不均匀沉降的原因。其破坏的表现形式为挡土墙整体发生倾斜，墙趾发生下沉，并且挡土墙墙体上还可能出现倾覆破坏类似的裂缝；倾覆破坏和基础不均匀沉降破坏的不同点在于基础是否有沉降变形。

1.3 墙体自身破坏

既有重力式挡土墙墙体所用材料强度不足是导致挡土墙墙体自身破坏的主要原因。其破坏的表现形式为受荷载作用下，挡土墙墙体会在墙体自身材料的容许应力小于截面的法向应力时被压裂、压碎；墙身在受到过大的剪应力时会发生剪切破坏，挡墙在剪切位移较大时会产生与挡土墙方向一致的张开裂缝。

1.4 沿软弱层破裂面滑动破坏

既有重力式挡土墙基底以下岩体的剪切强度不足或者存在软弱夹层是导致挡土墙沿软弱层破裂面滑动破坏的主要原因。

其破坏的表现形式是挡土墙整体“坐船”，挡土墙墙体本身没有产生裂缝，但是沿软弱层破裂面滑动破坏具有边坡滑移破坏的特征。

2 既有重力式挡土墙安全评估

本文建立包括总体评估与细部评估的安全评估体系，总体评估能够从整体上对既有重力式挡土墙的安全状况进行评估，细部评估对挡土墙各细部构造的安全状况进行评价。

2.1 既有重力式挡土墙总体评估

2.1.1 评估方法

既有重力式挡土墙总体安全评估，就是根据挡土墙各组成部分的病害对其所处的安全状态进行评价。根据第1章对挡土墙结构病害的分类及分析，将评估组成部分划分为墙体强度、墙体稳定性(抗滑、抗倾覆)、地基承载力。

对既有重力式挡土墙进行总体安全评估时，首先确定各组成部件的安全等级即评估标度，本文参照《边坡病害及治理效果评价》中对挡土墙安全等级划分，将既有重力式挡土墙的安全评估等级划分为六个等级，并对应六种评估标度，具体划分情况见表1；然后再确定各组件的权重，总体安全评估方法见表2。

表1 安全评估标度

表2 既有重力式挡土墙总体安全评估方法

2.1.2 评估标准

既有重力式挡土墙的安全程度评分根据上文总体安全评估方法计算得出，并由得分情况确定其安全等级。表3为详细的安全评估标准。

2.2 既有重力式挡土墙细部评估

在重力式挡土墙的设计计算中，安全系数法得到了广泛的运用，经过工程实践表明，此方法起到了较好的定量分析的作用，但安全系数法被应用于既有重力式挡土墙安全评估的研究工作尚少。本文在研究《边坡病害及治理工程效果评价》与《公路边坡治理措施及安全评价方法》中对挡土墙的评价方法后，结合安全系数法来对第1章所总结的五种病害进行细部的安全评估。

表3 既有重力式挡土墙总体安全评估评估标准

2.2.1 稳定性安全评估

(1)评估参数的选取。

选取抗滑动稳定系数Kc和抗倾覆稳定系数K0作为既有重力式挡土墙稳定性安全评估的参数。

(2)安全评估方法。

TB-10025-2006《铁路路基支挡结构物设计规范》中规定[Kc]和[K0][7]见表4。将计算出的Kc和K0与规范规定值[Kc]和[K0]进行比较，根据两者的大小关系来确定其安全状态，见表5。

表4 不同荷载情况下稳定系数的规定值

表5 既有重力式挡土墙稳定性安全评估方法

注：Kx为实际计算值，[Kx]为规范规定值；Kx可为Kc—抗滑动稳定系数和K0—抗倾覆稳定系数。

2.2.2 抗基础不均匀沉降安全评估

(1)评估参数的选取。

选取基底合力的偏心距e作为挡土墙抗基础不均匀沉降安全评估的评估参数。

(2)安全评估方法。

TB-10025-2006《铁路路基支挡结构物设计规范》中规定的偏心距[e]见表6。通过基底合力偏心距与规范值的相对大小来判定挡土墙的安全状态(表7)。

注：B表示挡墙基底宽度。

表7 抗基础不均匀沉降安全评估方法

注:偏心距[e]表示规范值，偏心距e表示实际计算值。

2.2.3 抗墙体自身破坏安全评估

(1)评估参数的选取。

选取截面的合力偏心距e′作为挡土墙安全评估的参数。

(2)安全评估方法。

TB-10025-2006《铁路路基支挡结构物设计规范》中受力最不利截面轴向力的偏心距[e′]的规范规定值如表8所示。

表8 不同荷载情况下最不利截面偏心距规定值

注：B′表示墙身截面宽度。

根据收集到的既有挡土墙的现场工程资料计算出实际偏心距，再依据抗基础不均匀沉降安全评估的方法(表7)进行安全评估，从而来判定挡土墙的安全状态。

2.2.4 抗沿软弱层滑动安全评估

本文第1章分析挡土墙沿软弱层破裂面滑动破坏时具有边坡滑移破坏的特征。因此，既有重力式挡土墙抗沿软弱层滑动安全评估采用边坡稳定性验算方法来进行。

(1)评估参数的选取。

选取稳定系数K作为抗沿软弱层滑动安全评估的评估参数。稳定系数K根据沿墙踵破裂面或基底下某一软弱层滑动而计算确定的。

(2)安全评估方法。

在研究TB 10001-2005《铁路路基设计规范》、TB 10025-2006《铁路路基支挡结构物设计规范》和GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》三类规范对稳定系数的要求后，确定稳定系数[K]=1.25。

根据稳定系数超出规定值的范围进行既有重力式挡土墙的抗沿软弱层滑动的安全评估，见表9。

表9 既有重力式挡土墙抗软弱层滑动安全评估方法

3 工程实例

本文将工程段D1K29+772～+783右侧长11 m的重力式路堑挡土墙作为工程实例，该挡土墙的断面形式见图1，挡土墙的截面尺寸见表10。墙身材料采用C25片石混凝土，挡墙重度γ0=24 kN/m3，填土岩土参数γ=20 kN/m3，φ=35°，地基为泥岩、泥质砂岩、砂岩；墙背与墙胸的坡率均为1∶0.25，墙底为倾斜基底，基底与地基间的摩擦系数为0.4。

图1 重力式路堑挡土墙断面示意

表10 挡土墙的截面尺寸

3.1 既有重力式挡土墙总体安全评估结果

邀请专家依据工程现状对既有挡土墙各个组成部分进行打分，既有重力式挡土墙总体评估如表11所示。

因为Dr=87.64>85，所以该既有重力式挡土墙的整体等级为一级，安全状态良好。挡土墙墙体稳定性、强度及地基承载力均在设计范围之内，挡土墙工作良好，只需日常的保养与检测。

3.2 既有重力式挡土墙细部安全评估结果

根据挡土墙的工程资料，计算出细部评估各个评估参数的实际数值大小，实际值见表12，规范值见表13。

表11 既有重力式挡土墙总体评估

表12 细部评估各评估参数实际数值大小

表13 细部评估各评估参数规范值大小

根据细部评估评估参数的实际值与规范值的大小关系来确定挡土墙细部评估的安全状态。既有重力式挡土墙细部安全评估结果见表14。

表14 既有重力式挡土墙细部安全评估结果

上文对挡土墙的细部评估，虽然抗基础不均匀沉降安全评估的安全等级为二级，但抗滑安全评估、抗倾覆安全评估、抗墙体自身破坏安全评估、抗沿软弱层滑动安全评估的安全等级均为一级，可以确定该既有重力式挡土墙安全状态良好，细部评估的结果和总体评估的结果相吻合。

4 结论

本文结合安全系数法，对既有重力式挡土墙安全评估方法进行了研究分析，得出以下结论：

(1)根据重力式挡土墙的破坏模式将既有重力式挡土墙的结构病害分为：既有重力挡土墙稳定性破坏(包含既有重力挡土墙基础滑动破坏和既有重力挡土墙倾覆破坏)、既有重力挡土墙基础不均匀沉降破坏、既有重力挡土墙墙体自身破坏、既有重力挡土墙沿软弱层破裂面滑动破坏，并对五种破坏类型的表现形式进行了分析。

(2)本文确定了包含总体评估和细部评估的安全评估体系，总体评估通过定性的方法从整体上对挡土墙的安全状态进行评判，细部评估通过定量的方法对挡土墙各细部的安全状态进行评判，并针对总体评估与细部评估分别制定了划分挡土墙安全等级和安全状态的详细评估标准，两者之间互相指导更正。

(3)本文将既有重力式挡土墙细部评估划分为既有重力式挡土墙稳定性安全评估、既有重力式挡土墙抗基础不均匀沉降安全评估、既有重力式挡土墙抗墙体自身破坏安全评估、既有重力式挡土墙抗沿软弱层滑动安全评估等四个部分，并为每一个细部评估选取了安全评估参数和评估方法。

(4)应用该评估体系对工程实例进行评估，说明了总体安全评估与细部安全评估的评估过程，确定了既有重力式挡土墙的安全等级和安全状态，为挡土墙的监测和维修提供依据。