靜載作用下加筋土擋墻工作性能試驗研究

楊國濤(中國鐵路總公司科技管理部，北京　100844)

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靜載作用下加筋土擋墻工作性能試驗研究

楊國濤
(中國鐵路總公司科技管理部，北京100844)

摘要:通過開展離心機模型試驗，從擋墻變形、格柵應變及擋墻土壓力3方面對填筑完成后和設置面板后2種情況下加筋土擋墻的工作性能進行了研究。結果表明:在填筑完成后，底部格柵應變接近于0，第2和第3層格柵應變最大，整體格柵應變峰值均靠近面板，未出現雙峰現象，擋墻頂層的最大沉降發生在碎石袋背面，加筋帶末端同樣發生了沉降突變，墻體的形態呈外凸狀，最大水平位移出現在墻體中下部;在設置面板后，格柵的應變未出現普遍顯著增大現象，而墻體的變形模式則發生了改變，呈繞底部旋轉形式，最大位移出現在墻頂;土工效應對擋墻墻背土壓力具有顯著影響，可能會造成試驗結果遠小于依規范計算結果，因此，在進行加筋土擋墻設計時，須充分考慮土工效應的影響，以保證結構安全。

關鍵詞:加筋土擋墻離心機試驗變形特征應變

加筋土技術在公路、水利、工民建等多個領域得到廣泛應用［1-3］，國內外的專家學者針對此技術也開展了大量的研究，主要集中在筋帶-土體的相互作用、結構物穩定性的設計理論和方法等方面［4-7］，所采用的方法大多數是數值分析和理論推導，少量是模型試驗。但是，模型試驗是開展結構工作性能研究的一項重要手段，能夠克服理論推導和數值模擬所需的大量假設［8-9］。本文通過離心機試驗開展加筋土擋墻工作性能和工作機理的研究。

1　離心機試驗概況

本次試驗的模型相似比為50，面板采用分裝式，地基采用干砂，其相對密度達到90%。

1.1填料的確定

考慮到模型箱的尺寸效應，須滿足

式中:Bmin為模型箱最小尺寸;dmax為模型土料的最大粒徑;d50為模型土料的中值粒徑。

模型填料的最大粒徑為3 mm。通過擊實試驗確定干砂的最大干重度和最小干密度;通過粒徑篩分試驗確定級配曲線以及不均勻系數、不均勻指數。填料粒徑級配曲線見圖1。

圖1　填料級配曲線

1.2格柵的確定

正確模擬模型試驗中的土工格柵需要處理好2方面問題:①土工格柵的幾何特征;②土工格柵的力學性質，即土工格柵與周圍土體的接觸特性以及土工格柵自身的應力、應變性質。土工格柵的力學性質是影響土工格柵承載能力的主要因素。本次模型試驗時采用編織磷青銅帶作為模型土工格柵，見圖2。磷青銅帶寬4 mm，厚0.12 mm，縱向間隔30 mm，橫向間隔80 mm，極限抗拉強度為600 MPa，根據模型相似比，模擬的原型強度相當于475.2 kN/m(對應原型)。為了增加截面的摩擦力，試驗中在銅帶表面涂抹少量膠水，并撒少量細沙。

圖2　磷青銅網

1.3面板及連接件的確定

預制塊拼裝式面板采用鋁板預制塊，鋁板預制塊與墻背填料之間采用砂漿澆筑。格柵以及面板分別根據抗拉強度相似、抗彎剛度相似的原則采用銅帶、木板進行模擬。

1.4監測點的布置

模型試驗測試內容主要包括擋墻水平土壓力，基底以及各層豎向土壓力，格柵以及連接件內力分布，墻頂以及面板豎向、側向位移。采用的測試儀器分別為土壓力盒、應變片、位移計和百分表。模型測試斷面見圖3。

圖3　模型測試斷面(單位:cm)

2　離心機試驗結果

2.1墻體位移

在離心加速度場(離心加速度50g)作用下，加筋土擋墻在填筑完成以及設置面板后頂面的擋墻變形如圖4所示?？芍攲拥淖畲笪灰瓢l生在碎石袋背面，筋材末端同樣出現了沉降突變。前人的研究成果表明:“對于填土表面、路基面來講，墻體填筑完成時沿填土表面沉降曲線出現兩個極值點，分別位于包裹碎石袋以及加筋末端。”本文得出的最大沉降位置與這一結論不同。主要原因是為便于試驗進行，碎石袋采用鋁合金管代替，因此沉降最大位置由碎石袋轉移到其背面。在填筑過程中墻體的形態呈外凸狀，其中最大水平位移發生在墻體中下部。設置面板后，由于試驗中鋁板厚度相對模型較大，因此變形呈繞底部旋轉的形式，最大水平位移發生在墻頂。

圖4　擋墻變形

2.2格柵應變分布

在離心加速度場作用下，加筋土擋墻在填筑完成以及設置面板后格柵的應變分布見圖5。

圖5　格柵應變分布

由圖5可知，在填筑完成后，底部格柵拉力幾乎為0，各層格柵最大應變發生位置不同，第2、第3層格柵應力最大，整體格柵拉力峰值均靠近面板，未出現雙峰現象。與未加面板相比，設置面板后格柵的應變未出現普遍顯著增大現象。原因是盡管上部存在附加荷載，但剛性面板以及連接件對變形產生約束作用，將本應作用在格柵上的力轉移到自身上。

2.3土壓力分布

在離心加速度場作用下，加筋土擋墻在填筑完成以及設置面板后墻背水平土壓力分布見圖6。

圖6　墻背水平土壓力分布

由圖6可知，水平土壓力遠小于朗肯等的理論解。其主要原因是墻體與潛在滑體之間產生土拱效應，使作用力發生轉移。相較于填筑完成時，附加荷載作用下上部水平土壓力出現較大增長，而下部幾乎不變，這主要由附加荷載傳遞所致。

3　結語

通過開展離心機模型試驗，對加筋土擋墻在填筑完成和設置面板后2種情況，從擋墻變形、格柵應變和擋墻的土壓力3個方面開展研究。主要結論如下:

1)頂層的最大沉降發生在碎石袋背面，加筋帶末端發生了沉降突變。在填筑過程中墻體的形態呈外凸狀，最大水平位移發生在墻體中下部;設置面板后，變形模式發生改變，呈繞底部旋轉的形式，最大水平位移發生在墻頂。

2)在填筑完成時，底部格柵拉力幾乎為0，第2、第3層格柵應力最大，整體格柵拉力峰值均靠近面板，未出現雙峰現象。與未設置面板相比，設置面板后格柵的應變未出現普遍顯著增大現象。

3)土工效應對擋墻墻背土壓力有顯著影響，可能會造成試驗結果小于依規范計算結果。因此，在進行加筋土擋墻設計時，需要充分考慮土工效應的影響，以保證結構安全。

參考文獻

［1］YANG Changwei，FENG Ning，ZHANG Jianjing，et al.Research on Time-frequency Analysis Method of Seismic Stability of Covering-layer Type Slope Subjected to Complex Wave［J］.Environmental Earth Sciences，2015，14(6):1-14.

［2］BURKE C B.Full-scale Shaking Table Tests and Finite Element Analysis of Reinforced Soil Retaining Walls［D］.New York，USA:Columbia University，2004.

［3］SCHMERTMANN G R，CHEW S H，MITCHELL J K.Finite Element Modeling of Reinforced Soil Wall Behavior，Dissertation ［D］.California，USA:University of California Berkeley，1989.

［4］YANG Changwei，ZHANG Jianjing，LIU Feicheng，et al.Analysis on Two Typical Landslide Hazards Phenomenon in Wenchuan Earthquake by Field Investigations and Shaking Table Tests［J］.International Journal of Environmental Research and Public Health，2015，12(1):1-17.

［5］陳祿生，吳西良，邱祖華.地震荷載下加筋土擋墻的模型試驗研究［C］//中國土木工程學會土力學及巖土工程分會.第四屆全國加筋土工程學術研討會論文集.青島:中國土木工程學會土力學及巖土工程分會，1994.

［6］金迎春.地震作用下加筋土擋墻內部穩定性計算［J］.公路，1991(5):43-47.

［7］蔣建清，皺銀生.復雜動力作用下加筋土擋墻內部穩定性計算［J］.中南公路工程，2007，32(1):51-54.

［8］YANG Changwei，LIU Xinmin，ZHANG Jianjing，et al.Analysis on Mechanism of Landslides under ground Shaking:A Typical Landslide in the Wenchuan Earthquake［J］.Environmental Earth Science，2014，72(9):3 457-3 466.

［9］楊長衛，張建經，陳強，等.加筋重力式擋土墻抗震設計方法研究［J］.土木工程學報，2015，48(8):1-9.

(責任審編李付軍)

Experimental Study on Working Performance of Reinforced Earth Retaining Wall under Equivalent Static Load

YANG Guotao

(Department of Science and Technology，China Railway Corporation，Beijing 1008443，China)

Abstract:T he working performance of reinforced earth retaining wall was studied from three respects including retaining wall deformation，geogrid strain and earth pressure of retaining wall when filling was finished and panel was applied.Results showed that after the filling was finished，the strain of bottom geogrids was close to 0，the maximum strain of geogrid appeared on the second and third layer，the peak value of whole geogrids strain was closed to panel and there was no double peak phenomenon，the maximum settlement of retaining wall top layer appeared at the reverse side of gravel bag，the same as the end of geogrid.T he shape of deformation was entasis，and the maximum displacement appeared at the middle-lower part of wall.W hen the panel was applied，there was no obviously growth about the geogrids strain，the deformation model was changed and the maximum displacement appeared at the top of retaining wall.Soil arching effect had an obviously effect on the earth pressure of retaining wall，which leaded that test results were much less than calculated results according to relative codes.T herefore，the soil arching effect should be considered fully in order to ensure the security of retaining wall during the design of reinforced earth retaining wall.

Key words:Reinforced earth retaining wall;Centrifuge test;Deformation characteristic;Strain

作者簡介:楊國濤(1977—)，男，高級工程師，博士研究生。

收稿日期:2015-12-11;修回日期:2016-01-23

文章編號:1003-1995(2016)03-0097-03

中圖分類號:U417.1

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.24