加筋膨脹土擋墻承載力研究

許 巖

加筋土是在土中埋設(shè)抗拉強度較高的材料而形成一種組合體[1］。它可以增加土體和其他材料之間的摩擦阻力，提高土體及有關(guān)構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。膨脹土在我國分布廣泛，用它做填料的加筋土工程在實踐中已有先例[2，3］。膨脹土是在自然地質(zhì)過程中形成的一種多裂隙并具有顯著脹縮性的地質(zhì)體，是一種吸水膨脹軟化、失水收縮開裂的特種粘性土，是一種典型的非飽和土。由于膨脹土顯著脹縮特性，使膨脹土地區(qū)的工程遭受巨大的破壞，帶來巨大的經(jīng)濟損失。加筋土技術(shù)的發(fā)展為處治膨脹土問題提供了一種新的途徑。本文通過對加筋膨脹土擋墻承載力進行理論研究并結(jié)合室內(nèi)模型試驗，考慮填土密實度、含水量條件影響，得到了有益的結(jié)論。

1 加筋膨脹土擋墻承載力的理論研究

1)破裂面形式。加筋土擋墻在荷載作用下，加筋體沿著拉筋最大拉力點的連線產(chǎn)生破壞，最大拉力點連線即為破裂面。目前，在加筋土擋墻分析與設(shè)計中經(jīng)常采用的兩種簡化破裂面:朗金—庫侖破裂面和0.3H型(如圖1，圖2所示)。0.3H型破裂面適用于高模量、高粘附筋材按正常方法布置的擋墻，朗金—庫侖破裂面適用于高模量低密度或低模量拉筋的擋墻。本文試驗材料所用的土工格柵的抗拉剛度接近于軟鋼，所以本文主要研究0.3H型破裂面條件下的承載力。

圖1 0.3H型破裂面示意圖

圖2 朗金—庫侖破裂面示意圖

2)擋土墻破壞形式。加筋土擋墻破壞形式有拉斷破壞和粘著破壞兩種。拉斷破壞就是加筋材料被拉斷從而導(dǎo)致加筋擋土結(jié)構(gòu)破壞。粘著破壞就是土與筋材之間摩阻力不足，筋從土體中被拔出，從而導(dǎo)致加筋土結(jié)構(gòu)物破壞。假設(shè)填土破裂面為0.3H型，取擋土結(jié)構(gòu)的中心截面處研究，其受力情況可以視為平面應(yīng)變問題，受力圖如圖3，圖4所示，根據(jù)靜力平衡關(guān)系可以求出加筋擋土結(jié)構(gòu)的承載力。

3)加筋膨脹土擋土結(jié)構(gòu)承載力理論推導(dǎo)。膨脹土是一種特殊的粘性土，是一種典型的非飽和土。它的孔隙氣壓與孔隙水壓的差稱為基質(zhì)吸力，吸附強度來源于基質(zhì)吸力所產(chǎn)生的負(fù)孔隙壓力，負(fù)孔隙壓力在土骨架的內(nèi)部產(chǎn)生有效應(yīng)力，因而產(chǎn)生與外力無關(guān)的摩擦強度。文獻[7］[8］認(rèn)為，膨脹力可能代表由吸力所引起土體內(nèi)部的有效壓應(yīng)力，非飽和膨脹土的含水量越小，基質(zhì)吸力越大，膨脹力越大，可見膨脹力與基質(zhì)吸力之間具有正相關(guān)性。

圖3 拉斷破壞時承載力計算分析圖示

圖4 粘著破壞時承載力計算分析圖示

參照文獻[6］膨脹土地基承載力的確定，假設(shè)膨脹性土壓力P的方向是垂直于彈性楔體邊界。為了便于積分，以墻趾處為坐標(biāo)原點，則可得沿x方向的膨脹性土壓力為:

同樣處理后:

從該結(jié)論中可以看出非飽和加筋膨脹土擋土墻承載力高于飽和的加筋膨脹土擋土墻承載力，非飽和膨脹土隨著含水量的增加而產(chǎn)生膨脹力，從而使得膨脹土的承載力降低。對于非飽和的加筋膨脹土擋土結(jié)構(gòu)而言，承載力由兩部分組成:飽和的加筋膨脹土擋土結(jié)構(gòu)承載力和膨脹力引起的承載力。在下列前提假設(shè)條件下:1)加筋土破裂面符合0.3H型;2)假設(shè)膨脹性土壓力的方向是垂直于破裂面邊界;3)膨脹性土壓力的大小和土體深度有一定的規(guī)律，根據(jù)式(3)和式(4)我們可以得到飽和膨脹土擋土結(jié)構(gòu)與非飽和土擋土結(jié)構(gòu)承載力的關(guān)系:非飽和加筋膨脹土擋土結(jié)構(gòu)的承載力等于飽和加筋膨脹土擋土結(jié)構(gòu)承載力與6.22Ps的和(Ps為非飽和膨脹土達到飽和過程中產(chǎn)生的膨脹力)。

2 用模型試驗驗證推導(dǎo)公式

1)模型試驗及試驗結(jié)果。室內(nèi)模型加筋土擋墻采用中等膨脹土作為填料、TGDG35土工格柵為筋材(見表1，表2)，采用局部均勻加載的方式測出不同密實度(80%，90%，95%)、飽和和非飽和的加筋膨脹土擋墻在荷載作用下承載力。加載時采用逐級加載，每級荷載10 kN，直至在最后一級荷載作用下?lián)鯄_到破壞為止。根據(jù)加筋土荷載試驗特征確定承載力的方法[9］，從模型試驗加載中確定的承載力見表3。

2)實驗結(jié)果驗證及分析。按理論推導(dǎo)所得出的結(jié)論計算非飽和的加筋膨脹土擋墻的承載力:

密實度80%:61.685+6.22 ×29=242.065 kPa;

密實度90%:61.685+6.22 ×44=335.365 kPa;

密實度95%:61.685+6.22 ×54=397.565 kPa。

表2 土工格柵性能參數(shù)

表3 室內(nèi)實驗承載力和膨脹力測試結(jié)果 kPa

從計算結(jié)果我們可以看出，密實度為90%，95%的加筋膨脹土擋土結(jié)構(gòu)計算值和測量值非常接近，而密實度為80%的加筋膨脹土擋土結(jié)構(gòu)計算值和測試值相差比較大。

根據(jù)實驗現(xiàn)象分析如下:在外荷載作用下，80%密實度的加筋膨脹土擋土結(jié)構(gòu)破壞時土體沉降量非常大而筋材并沒有滑移或斷裂，所以判斷為由于土體承載力不足而引起的破壞。而對于密實度為90%，95%的加筋膨脹土擋土結(jié)構(gòu)破壞時出現(xiàn)面板和土體分離的現(xiàn)象，并伴有橫縱向裂紋，但筋材未斷裂，所以判斷出現(xiàn)粘著破壞。而加筋膨脹土擋土結(jié)構(gòu)的承載力的計算公式是在拉斷破壞或粘著破壞條件下推導(dǎo)出來的，所以對于密實度為80%的擋土結(jié)構(gòu)計算值和測量值相差較大。

3 結(jié)語

1)采用非飽和土理論推導(dǎo)了在特定條件下加筋膨脹土擋土結(jié)構(gòu)的承載力確定公式，并以室內(nèi)模型試驗為例進行了計算，證明了該公式計算具有一定的參考價值性。

2)通過對模式實驗的結(jié)果驗證，含水量對加筋膨脹土擋墻的承載力有顯著影響，所以在工程實例中，盡量避免采用膨脹土作為加筋土擋墻的填料，如果采用一定要做好防水措施。

3)由該模型試驗可以看出，擋土墻墻后填料的密實度對加筋土擋墻的承載力影響很大，在工程實際中，加筋土擋土墻墻后填土的密實度一定要達到90%以上才能有效提高擋墻承載力。

[1]雷勝友.加筋土的強度理論及加筋土高擋墻[M］.西安:西安地圖出版社，2004.

[2]魏永幸，閔衛(wèi)鯨.內(nèi)昆鐵路DK416超高膨脹土路堤工程設(shè)計與施工[A］.全國第五屆土工合成材料學(xué)術(shù)會議論文集[C］.北京:現(xiàn)代知識出版社，2000:585-588.

[3]楊果林.土工合成材料在處治膨脹土路堤中的應(yīng)用[A］.全國第六屆土工合成材料學(xué)術(shù)會議論文集[C］.北京:現(xiàn)代知識出版社，2004:634-638.

[4]陳忠達.公路擋土墻設(shè)計[M］.北京:人民交通出版社，2000.

[5]周志剛，鄭健龍.公路土工合成材料設(shè)計原理及工程應(yīng)用[M］.北京:人民交通出版社，2001.

[6]徐永福，孫連進，吳正根.膨脹土地基承載力的確定[J］.港口工程，1996(5):13-16.

[7]盧肇鈞，張蕙明，陳建華，等.非飽和土的抗剪強度與膨脹壓力[J］.巖土工程學(xué)報，1992，14(3):1-8.

[8]盧肇鈞，吳肖茗，孫玉珍，等.膨脹力在非飽和土強度理論中的作用[J］.巖土工程學(xué)報，1997，19(5):20-27.

[9]歐陽仲春.現(xiàn)代土工加筋技術(shù)[M］.北京:人民交通出版社，1990.