浅析某边坡挡墙变形的主要原因及处理措施

李春亮 陈娟娟 杨永涛 米拓

1 中化地质矿山总局河北地质勘查院，河北 石家庄 050031

2 中化地质矿山总局地质研究院，河北 涿州 072700

1 工程简介

1.1 工程概况

某挡墙工程位于河北省某县城的南部，位于太行山前丘陵地带，为一新建住宅小区，场地位于山坡地带，地势南高北低，高差相差约20.58m，建筑物总体上呈台阶状设计，南部挖方北部填方。11#、12#住宅楼位于本场地北部的相对较低位置处，自然标高约为1002.4m。根据建筑物总平面布置图，建成后该区域室外地面标高为1009.9m，即需要填高7.5m。在征地红线11#楼的西部和12#楼的东部均为自然陡坎，西部陡坎高差1.6m，东部陡坎高差3.3～3.6m；中部相对平坦，地面标高1001.1～1002.4m。因此，在场地回填时需在住宅楼的东、北和西部设置挡土墙，一是保证场地填土的稳定和场地的正常使用；二是防止人畜攀爬造成不必要的伤害。

1.2 关于挡墙方案

由于项目建成后场地较小，建设方要求挡墙沿北部建筑红线设置，全长约225m，总体上呈M型（图1）。

图1 场地地形简图及挡墙支护范围Fig.1 Site topographic map and bracing range by the retaining wall

设计单位根据现场情况计划采用扶壁式挡土墙方案[1]，挡墙高7.0m，基础位于②层黄土状粉土上。根据设计图纸估算造价约900万元，大大超出了建设单位预算。为了降低造价，建设单位委托了一个施工单位对方案进行调整并施工，调整后的挡土墙方案为：悬臂式挡墙+毛石挡墙支护，总造价约200万元，满足建设方的预算。

根据施工用图纸，挡墙主要参数如下：

挡墙基底高程为1002.4m，基础宽度3.8m，挡墙高度5.0m，厚度0.5m，其上为2.0m毛石挡墙，宽度4.0m，毛石挡墙上建砖围墙，高度2.0m，挡墙的基础埋置深度不小于1.5m，基底土质为②层黄土状粉土；墙内下面6.0m为三七灰土回填，上面1.5m采用素土分层碾压回填，并在挡墙内侧设置反滤层，在墙面设置了泄水孔（图2）。

图2 施工单位提供的挡墙设计简图Fig.2 Blocking wall design sketch provided by construction unit

2 工程地质和水文地质概况

2.1 工程地质

本场区地层性质及物理力学指标等见下表1。

表1 场地地层情况和地基土强度指标表Table 1 Table of site layer characters and soil strength indicators

2.2 水文地质情况

本工程地下水埋深较大，不考虑地下水的影响。

3 挡墙质量问题的由来及现状调查

3.1 挡墙质量问题的由来

该挡墙于2018年9月完成，已经正常使用近二年，由于今年降雨量偏大，大量雨水多次汇集在此区，为此物业管理在围墙上开了数个大洞供临时排水使用。多次雨水过后发现楼前地面发生下沉，围墙局部发生变形后，对整个挡墙进行了检查，发现挡墙的东部和西部均发生了变形，挡墙变形缝宽度变大等[2]。之后对变形较大的地面区域进行了围挡及安全提示。由于外部不具备采用反压土除险的条件，因此未进行处理。进入九月下旬后没有大的降水，挡墙未发现有大的变形，但为了长期安全考虑，建设方提出了对挡墙进行加固的要求。

3.2 挡墙的现状调查

根据现场调查，挡墙区的问题主要表现在：东部和西部挡墙除向外发生位移外，西部墙体局部出现裂缝，顶部围墙有轻微的倾斜；东部挡墙体的变形缝变大，顶部围墙倾斜严重且该区墙内地面出现开裂、下沉等；中部挡墙在完成后墙外堆有2.0～4.5m高的堆土，未发现明显变形和破坏。以下就各区段分别详细叙述。

（1）东部区域

该区段是挡墙和地面变形及破坏最为明显和严重的。变形段总体长度为43m，挡墙体有明显的水平滑移，并导致墙内填土下沉和开裂，地面下沉深度达25cm，影响宽度达4.5m，顶部围墙发生不规则内倾和开裂，挡墙的变形缝明显变大等（图3，图4）。

图3 东部挡墙变形缝变大Fig.3 Deformed gap becomes larger in eastern retaining wall

图4 东部挡墙顶围墙开裂Fig.4 Bounding wall rip on the top of eastern retaining wall

（2）西部区域

该区挡墙体由于变形导致墙顶部的砖围墙发生了轻度的倾斜，挡墙体局部出现裂缝。变形段总体长26m。

（3）中部区域

该区挡墙处于相对稳定状态，该区挡墙外侧原始地面较高，在完成后墙外有较高的堆土，除由于雨水及排水的冲刷，在墙外覆土被冲出较多的深沟外挡墙未发现明显的变形和破坏。

4 挡墙变形主要原因分析

要对挡墙进行加固，使之安全稳定，就要先分析原因，才能做到有目的性、针对性和重点性。因此，笔者及所在团队从设计、地形、地质以及施工因素等多方面着手分析，找出主要原因及后果严重程度，有针对性的进行处理。

4.1 设计因素

通过分析挡墙的设计图纸，发现其图纸采用的标准图集的图纸[3]，根据图集规定，挡土墙地基承载力应满足挡土墙的设计要求，其基础埋置深度不宜小于0.80m，墙趾顶部土层厚度不小于200mm。在季节性冻土区，基础底面应低于最大冻深线深度且不应小于0.25m，根据规定，本地区的标准冻结深度为1.50m[4]。设计方案应严格遵守和满足相关条款或规范规定要求，并对现场条件进行复核，当设计条件与实际条件不一致时，应据实际条件调整设计方案。本工程设计未能发现在支护区的东部和西部自然条件不能满足规范中有关要求的基础埋深的前提条件，成为导致本工程质量出现问题的直接因素。

现场调查发现，挡墙的设计基底标高为1002.400，且回填基础后地面标高不低于1003.900。除中部区域的挡墙满足设计条件外，东部和西部挡墙的自然地面分别为998.800～999.100和1000.800，均不能达到设计的要求，而该二个区段又处于用地范围以外，不能采用回填的方法来达到设计要求。即设计条件与施工的实际条件存在严重不符情况，其后果就是直接影响挡墙的抗倾覆、抗滑移安全性和整体稳定性。

4.2 地形因素

挡墙区基底地面是相对平整的，但在东部和西部却正好位于陡坎位置，按设计图纸参数，根据测量，西部区挡墙基础底比外侧自然地面高出1.6m，东部区挡墙基础底比外侧自然地面高出3.3～3.6m。因此，在设计时应该充分考虑自然地形因素的不利影响。当采用设计图纸中的高度和设计标高参数时，这二个区段的挡墙基础均没有埋深，基础直接外露。设计时的基础埋深应按基础两侧的地面的相对低区计算，对于这种地形因素，设计应该将基础底埋深设计在外侧地面标高以下不少于1.5m位置才合理，应该重新对挡墙的高度、支护设计方案进行调整。基础埋深是保证挡墙稳定性的一个重要参数，其提供较大的抗滑力，也起到对基础的保护作用，在基础埋深不能保证的情况下可能造成挡土墙滑移破坏以及挡墙沿基底的滑动破坏等；由于挡墙处于陡坡上，其较大的附加压力也影响陡坡的本身的稳定性，容易造成原陡坡体的剪切破坏和稳定性破坏等。

4.3 地质因素

根据地质勘察报告资料，基础持力层为②层黄土状粉土，承载力特征值为120kPa，该层土中有②-1层碎石和②-2层砾石透镜体，厚度变化较大。因此这种地层的结构和性质，会影响地基土强度（浸水时）及地基变形的均匀性和大小[4]。当出现不均匀沉降，会导致挡墙发生不均匀变形，在垂直挡墙方向的不均匀沉降可导致挡墙发生倾覆变形，在平行挡墙方向上可能造成挡墙体开裂破坏。

4.4 施工质量因素

挡墙的施工质量也是关注的重点。根据对现场的调查，施工质量有较多的问题，主要表现在以下几个方面：

（1）挡墙外观质量

挡墙主体外观上还未发现明显问题，东部和西部挡墙明显与设计图纸要求不符合，这两个区段的基础埋深未满足设计要求，而且西部挡墙基础形状与设计图纸不符，外挑的基础顶面应该为斜面[1]，而实际上为平面状，这就改变了挡墙体的结构受力状态。而对于挡墙的实体质量，不能通过直观来判别。

（2）墙后填土质量

根据设计要求，墙后填土上部2.0m为素填土，干密度设计值为1.62g/cm3，下部5m为三七灰土,干密度设计值为 1.60g/cm3，压实系数均不小于0.92。在现场对墙后填土的部分取样试验结果见表 2。根据试验结果可以得出，上部的素填土和下部的三七灰土的压实系数分别为0.907和0.906，均未达到设计要求值，即表明墙后填土质量未达到设计要求。墙后填土的质量直接影响土的抗剪强度，从而直接影响土体对墙体的侧向土压力，使作用在墙体上的土压力增大，可能造成墙体开裂，降低挡墙的抗倾覆和抗滑移安全性[1]。

表2 墙后填土物理力学指标试验结果表Table 2 Test results of physical and mechanical indexes of soil-filling behind wall

（3）墙面排水设施

在对挡墙排水孔检查时发现大多数排水孔已经堵塞，在雨季未能有效起到排水的作用。当墙后有雨水时，就会加大墙体上的水压力，直接影响挡墙的抗倾覆和抗滑移安全性，也会引起墙体开裂等。

4.5 施工管理因素

从查阅相关资料来看，整个项目的管理相对混乱，缺少必要的施工管理和技术资料，在施工期间及一定时间内也未对挡墙及相关内容进行变形监测等。主要表现在以下几个方面：

（1）施工图纸审查：按当地管理规定，对于超过一定规模的基坑和边坡的设计方案和施工方案要求进行专项评审和论证，即对设计方案的安全性、合理性等进行评审，对专项施工方案进行论证，使施工方案更完善，减小和降低施工中的安全风险等。本工程未履行此程序，而是直接使用图纸进行了施工。另外，对图纸也未进行图纸会审及技术交底等程序，致使实际条件不能满足设计条件的地方不能及时发现并引起重视。

（2）施工质量管理：整个项目一直未能找到完整的施工质量管理资料，建设方疏于管理，而监理公司也未介入管理，全过程均由施工单位自己控制。在工程完成后也未按规定进行质量检测和组织验收[4]。

（3）变形监测：按照规范要求，对于永久边坡在施工期间及完成后一定时期内是需要对支护体及周边环境要素进行变形监测的[1]，并对监测项目、监测内容、监测频率、监测时间以及预警等都有相应的要求。本工程设计图纸未明示监测的相关内容，而建设单位也未按规范要求进行相关内容的监测，这也是在后来出现问题后无法用具体数据做为加固设计依据的根由。

5 挡墙加固方法的选择和确定

在对挡墙进行加固前，应先确定挡墙的质量情况，根据表现出来的现状分析其可能的原因。有针对性的采取措施，才能有效的处理挡墙的稳定性和消除质量隐患。

5.1 挡墙变形监测和质量检测

（1）挡墙变形监测

对挡墙的变形监测及周边环境进行监测是首要任务，虽然不能解决以往没有的监测数据，但是可以了解到自监测开始后挡墙的变形及周边环境的影响情况，为加固方案的确定提供一定的依据。挡墙的变形监测是长时期的，即从当前开始，一直到施工完成后一定的时间，直到达到设计和规范所需要的条件。监测内容主要包括挡墙的水平位移、竖向位移、倾斜、墙后地面变形、墙外地面变形以及周边建筑物的变形监测等[1]。

（2）挡墙质量检测

挡墙实体质量检测也是很重要的，是加固设计的基础资料。检测内容主要包括墙体混凝土质量、配筋率、实体尺寸等，还包括墙后填土质量、泄水孔情况、场地排水情况等[4]。

5.2 挡墙不同状况下的稳定性复核性验算

通过对原设计方案和现状进行复核性验算推断引起变形的主要原因。对原设计方案和东、西部未有基础埋深时挡墙的稳定性验算结果见表3。

表3 不同条件下挡墙稳定性验算表Table 3 Checklist of stability of retaining wall under different conditions

从复核验算结果可以看出，当挡墙基础无埋深时，挡墙的抗滑移稳定系数未达到规范的要求，但也并不是说未达到规范要求挡墙就一定会破坏，而是安全保证性不足。

在雨季墙后填土含水量增加会造成土的强度降低，当泄水孔排水不畅墙后存在水压力时，根据现场土样的试验结果对挡土墙的稳定性进行了复核性验算，结果如下：

倾覆验算：Ft=4.467＞1.600，满足；滑移验算：Fs=1.023＜=1.300，不满足；整体稳定验算：最小稳定性系数Fst=1.286＞=1.250，满足。

从这里可以看出，当墙后填土含水量增高，回填土的强度变低且存在墙后水压力时，对挡墙的抗滑移安全性影响最大，抗滑移稳定系数接近平衡状态，这也是雨季挡墙变形而旱季未发生变形的主要原因。

5.3 挡墙加固方案的选择和确定

综合已有的资料及相关验算分析结果，引起挡墙变形的主要原因是挡墙基础埋深及墙外覆土厚度和宽度不足导致挡墙的抗滑移安全系数较低，而墙后填土质量差以及墙面泄水孔排水不畅等因素导致墙后主动土压力和水压力变大，这几个因素结合在一起造成了本挡墙的变形。变形主要表现为水平滑移，从而引起墙后地表沉陷、围墙开裂等，以上因素对挡墙的抗倾覆和整体稳定性也有一定的影响。

（1）通常可采用的加固方案

对于挡墙的处理方法有很多种，通常采用的方法有：

①墙外堆土反压：在墙外较大范围和高度内堆土反压。这是最直接最简单也最有效的方法，既可以增大挡墙的抗滑移性和抗倾覆性，也能增加挡墙的整体稳定性。

②墙内填土体加固：对墙内回填土进行加固。增强土质抗剪强度指标，可有效减小土对墙的侧压力，可使挡墙的抗滑移和抗倾覆性增强。

③抗滑桩加固：通过设置抗滑桩提高挡墙的抗滑移性，同时也加强了抗倾覆性[5]。

④地基土强度加固：比如设置微型桩、树根桩[6]等。可增强地基土强度，减少墙体沉降变形和不均匀沉降[7]。

⑤抗倾覆加固：可通过加宽基础宽度、墙体设置抗拉锚杆、设置外扶壁等方法提高挡墙的抗倾覆性，也能增加抗滑移和整体稳定性。

可以针对挡墙变形的原因选择一种或多种方法来对本挡墙加固。

（2）加固方案的确定

加固方案的原则是技术上可行，经济上合理，安全可靠等，对可能的方案进行筛选和优化。

墙前堆土反压方法：由于东部和西部没有墙外侧土地的所有权和使用权，大面积的反压方案不可行。

墙内土体加固方法：现场空间相对较小且影响居民的生活，另外，当在其内施工采用较大的机械设备时，对挡墙的稳定性有不利影响。为防止由于加固造成二次破坏或加剧，不采用此方案。

因此，针对增强挡墙的抗滑移性，也加强挡墙的抗倾覆性初步加固方案如下：采用微型桩加固地基土提高地基土强度，减小可能存在的地基不均匀变形；设置加筋抗滑桩增大挡墙的整体抗滑性，同时加大了基础宽度，可降低基底压力，减小挡墙的沉降变形和加大挡墙的抗倾覆性，另外抗滑桩的设置也限制了地基土的侧向变形，保证了地基土的稳定；在挡墙上一定位置设置抗拉锚杆，可有效加大和提高挡墙的稳定性、抗倾斜和抗滑移性[8]。

针对此建议方案，建设单位认为技术可行，但是经过预算认为资金投入太大，后期将北部用地征用为二期工程，做整体规划时该挡墙墙外区域将整体回填，因此，要求针对引起变形的主要因素抗滑移性进行加固，建设单位协调占用墙外部分空间，可以用做反压堆土。因此，根据建设方意见，针对滑移稳定性不足采用设置抗滑桩加固，并在墙外设置有限土体反压的方法，同时要求建设方做好墙内地面防排水措施，减少以后生活用水及雨水对填土的不利影响，同时减少地面荷载，疏通泄水孔等，也做好挡墙的变形监测和日常检查及维护工作。因此加固方案采用植筋抗滑桩+桩间板墙+有限土体反压方案。

具体加固方案如下（图5）：

（1）植筋抗滑桩：抗滑桩布置在原挡墙基础的外侧，距离为200mm，便于混凝土护壁的施工。桩顶标高不高于基础度标高，便于植筋时桩与原基础的连接，桩的成孔方式为人工挖孔钢筋混凝土护壁[9]。桩分东、西两个区进行设计，主要参数如下。

东部：桩径800mm，桩距2.0m，桩长12.5m，嵌固深度8.5m，配筋主筋为18E22，螺旋箍筋为φ10@150，冠梁为1000*800mm，均灌注C30混凝土。在原挡墙基础植筋E16@150，同时加厚基础，与墙体连接。最终桩冠梁与植筋以及加固的基础灌注在一起。

西部：桩径800mm，桩距2.0m，桩长9.6m，嵌固深度8.0m，配筋主筋为17E22，螺旋箍筋为φ10@150，冠梁为1000*800mm，均灌注C30混凝土，植筋要求同东部。

（2）桩间板墙封闭：为了限制基础下桩间土的侧向变形，在自然地面以上，在桩间紧靠原状土设置厚200mm，配筋为φ10@150钢筋网的混凝土板，混凝土强度为C30。

（3）有限土体反压措施：为了增大挡墙的抗滑移及抗倾覆能力，充分利用可利用的有限空间，在抗滑桩和板墙完成后，在墙外侧5m范围内，分层用粉土碾压回填到基础底面以上不小于1.0m，压实系数不小于0.92，并对坡面挂钢筋网喷砼处理。

对以上方案采用最不利的水土参数进行验算，各安全系数均达到规范要求。

在进行加固施工期间，应对挡墙变形及周边主要管线、周边建筑物变形等进行监测，尤其对挡墙的侧向位移、倾斜等变形进行密切监测，防止挡墙垮塌造成人员伤亡，同时还应该对原泄水孔进行全面检查修复，同时对挡墙开裂区进行维修。

图5 挡墙加固示意图Fig.5 Schematic diagram of retaining wall reinforcement

5.4 工程质量的检测和验收

对于挡墙工程的质量检测和加固工程的验收，要引起足够的重视，也要按相关规定进行，要做到施工质量的可追溯性。在施工期间和竣工后对原材料质量、施工质量均进行了检测和验收。

（1）加固施工的质量检查和检测：主要包括在加固施工中的原材料检测、施工质量检查、植筋抗拔性试验等。在本工程施工过程中，对所采用的原材料（主要为钢筋、混凝土、水泥、石子、砂类等）都进行了复检，质量均达到了相关规范要求，对植筋抗拔性也按规定进行了一定数量的试验检测，同时对施工过程进行了质量控制，均达到了设计和相关规范的要求。

（2）加固工程的验收：在加固完成后应对整个工程进行竣工验收，主要包括实体质量验收、安全验收验收等，均达到了设计和相关规范的要求。

5.5 挡墙的变形监测及检查维护要求

对于规模较大的边坡工程要对支护结构及周边环境因素在一定时间内按一定的监测频率进行变形监测，只有在规定时间内各监测值均满足规范和设计要求的变形值和速率等后方可停止监测。本挡土墙工程的变形监测内容主要包括：挡墙顶的水平和竖向位移、基础的水平和竖向位移、墙内地面的位移和裂缝、周边建筑物的沉降变形、周边管线的变形等内容，监测周期一般不小于2年[10]。

另外，除进行应有的变形监测以外，还需要进行日常的检查和维护，保证挡墙在设计允许的条件下运行。检查的内容主要包括顶部荷载使用、墙体变形、泄水孔排水情况、地面及地下管线排水渗漏情况、地面裂缝及下陷情况、挡墙外侧基础覆盖情况、雨水对覆土的冲刷及排水情况等，对于发现的问题应及时处理，当出现影响挡墙稳定和安全的情况应及时采取有效措施消除或降低危害。

6 挡墙加固设计和施工的风险

由于受预算资金限制，本次的加固设计主要针对抗滑移采取了措施，并未完全解除隐患，后期仍存在一定的安全风险，在运行过程中应该加强监测和检查工作。同时，在加固施工过程中，也存在一定的安全风险，需要做好风险分析，制订应急预案。

6.1 加固设计存在的风险及建议

由于对已经完成的挡墙实体质量还有存疑，且墙后填土质量较差，可能存在由于原施工质量对后期加固设计的安全性影响，比如墙体本身强度不足等，这些不利因素都有可能在加固后将责任转嫁到加固设计方，因此需要事先明确各方的责任和义务。另外，还应该要求建设方按国家及行业规定对挡墙及影响因子等进行变形监测，及时掌握挡墙及周边环境因素的状态，以便在超出规范允许的变形允许值时及时采取有效措施，减小不必要的损害、损失及不利影响。

6.2 挡墙加固施工中的风险

在施工中危险因素更多，主要包括以下2个方面：

（1）挡墙破坏风险和伤害：由于加固工程是在挡墙下，有可能发生挡墙倒塌等对施工人员造成伤害，虽然当前情况下这种风险较小，但也不是绝对的，因此，在施工过程中应该加强对挡墙变形的监测和安全监控等工作。

（2）施工中存在的风险和伤害：在加固施工中由于抗滑桩采用的是人工挖孔桩，在施工中风险较多，主要包括孔壁坍塌、人员坠落、孔内坠物、窒息、中毒等风险，另外还有施工过程中存在的高空附物、物体打击、机械伤害、触电伤害以及交通伤害等，需要事先进行危险源分析并做好预防措施和应急措施，防止或减少发生风险及避免不必要的损失。

7 结论与建议

原施工项目总体来说施工工艺并不是特别复杂，但是为什么出问题呢？其实就是相关各方不重视，不论是在设计阶段、施工阶段还是在使用期间，都未认真对待，这个案例提醒我们各方的管理人员和技术人员，在工作中要有严谨的态度以及认真负责的精神，才能减少或不犯类似的问题。

设计单位在进行挡土墙设计时，一定要对现场情况进行调查，现场地质条件及环境条件是否满足规范和设计的要求，当不能满足要求时，应根据实际情况调整，设计要有针对性。

在施工阶段，施工单位要复核设计条件与现场条件的符合性，而不是一味的按图施工，因此施工前的图纸会审和技术交底工作很重要，发现问题及时和设计单位沟通，才能确保工程质量。

作为监理单位，在施工过程中一定要认真履行监理职责，严格把控原材料质量和施工质量，做好监理日志，留存验收资料，充分起到监督作用，并督促各单位留存施工技术资料以便后期查阅。

作为第一责任主体的建设单位，特别在涉及安全的工程中，不应一味追求低投入、简要省事等，在与安全发生冲突时应安全至上。按照相关管理程序对质量做好检查验收以及支护体及周边环境监测，对于加固工程，更应该加强变形监测并在特殊季节（如雨季）加强监测频率及日常检查工作，同时，在工程完成移交后，还要做好日常的检查维护工作，发现问题及时处理。