加筋土擋墻優化設計砂箱模型試驗研究

王澇謙

（山西路橋第一工程有限責任公司，山西 太原 030006）

0 引言

現代加筋土技術起源于20世紀60年代，法國工程師Henri Vidal根據三軸試驗結果提出了現代加筋土概念和設計理論，應用此理論，1965年法國在比利牛斯山的普拉聶爾斯修建了世界上第一座加筋土擋墻。此后，加筋土技術在世界范圍傳播和發展，加筋土支擋結構的應用領域和應用方式不斷變化，加筋土也被譽為“繼鋼筋混凝土之后又一造福人類的復合材料”[1]。

加筋土擋墻的拉筋布置方式對加筋土擋墻的穩定性起主要影響作用，拉筋的布置方式包括拉筋水平間距、豎向間距、筋帶寬度、拉筋長度及布筋方向等，過大的拉筋布置間距或拉筋過短均可導致加筋土擋墻結構的過大變形或整體失穩，反之則浪費材料，且影響施工進度。因此，合理的布筋方式是優化加筋土擋墻設計的關鍵問題之一。在加筋土擋墻合理布筋方式的試驗研究方面，國內外學者做了大量的工作。

張孟喜[2]根據有限元分析和試驗結果對比，研究了加筋土擋墻的合理布筋方向，指出對以自重為主的加筋土擋墻，其最佳布筋方向為下傾角10°左右，當超載比例較大時，水平方向布筋效果較好。楊錫武[3]基于離心模型試驗研究了加筋邊坡的合理布筋方式，指出在邊坡中下部H/3～H/2高度范圍內加密布筋較為合理。孫麗梅[4]等采用三軸固結排水剪切試驗，研究了加筋土不同布筋方式下的應力應變關系，結果表明：在三軸固結排水條件下，加筋土強度隨加筋層數增加而增加，但并非呈線性關系，且雙向加筋的強度增加更為顯著；加筋材料適合布置在大應變區域；在較低圍壓下加筋效果系數較大，加筋效果顯著。張玉廣[5]基于砂箱模型試驗的研究指出，在維持自穩情況下采用“上疏下密”、“上長下短”和“窄筋長布”的布筋方式較為合理。Fuente[6]介紹了加筋土擋墻的預制混凝土面板的3項創新，這些創新包括面板的錨固系統，拉拔試驗的裝配和使用纖維作為加筋材料，并經過試驗性研究證明它們的可行性和優勢。M.El-Emam[7]使用縮尺模型振動臺試驗研究加筋剛度、長度和豎直間距對模擬加筋土擋墻的地震響應的影響，并總結了研究結果。

本文開展一系列砂箱模型試驗，對試驗方案進行設計，包括試驗材料、試驗步驟、比選標準和試驗優化。以較少的用筋量和較大的承載能力為條件，研究基于砂箱模型的加筋土擋墻在超載情形下的合理布筋方式，對比分析不同加載工況下的承載能力和變形特性。

1 試驗方案設計

1.1 試驗材料

a）砂箱 尺寸 75 cm×50 cm×50 cm（長×寬×高），由1個底板和3個固定立面板構成，第四個立面板是可移動板，用于擋墻構筑時提供臨時的支撐力（見圖1）。砂箱材料為15 mm厚度膠合木質板。砂箱內部尺寸為模型箱尺寸減去膠合板厚度，誤差不得超過5 mm，內表面須平整。可移動板可以通過螺釘或螺絲與砂箱暫時固定。兩側平行直立面板由1根φ6光圓鋼筋連接，以在可移動面板移走時固定兩側立面板。鋼筋軸心在箱頂之下1.5 cm處，距砂箱前表面2 cm。

圖1 加筋土擋墻砂箱模型示意圖

b）填料 干燥的潔凈中粗砂，使用時不得添加水和其他任何材料，填砂容重為γ=15.81 kN/m3，抗剪強度指標為c=0 kPa，φ=34.8°。

c）擋墻面板 標準等級紙板，厚度1.2 mm，尺寸為50 cm×50 cm。試驗中須對擋墻面板進行折疊，兩側向后折疊1.5 cm，底部向后折疊2.0 cm。折疊后的實際尺寸為寬47 cm、高48 cm。

d）筋材 無紋100 g信封用牛皮紙。

e）面板與加筋材料的連接材料 包裝用透明膠帶，標準等級，寬48 mm。膠帶僅作為連接面板用，不可用作加筋材料，且不得與模型箱側壁接觸。

f）建造擋墻用的鏟子、裝砂桶、矩形加載箱40 cm×20 cm×30 cm。

g）雙向塑料土工格柵 尺寸45 cm×45 cm，置于擋墻頂面與加載箱之間，用于施加水平荷載。

h）輔助工具 鉛筆、測量與畫線用的尺子、剪裁工具與裁紙墊板等。

1.2 試驗步驟

1.2.1 裝配階段

a）裁剪拉筋和擋墻面板，根據試驗方案，用膠帶將拉筋和擋墻面板連接起來。

b）將可拆卸擋板固定在模型箱側面，并將擋墻紙板放置在可拆卸板的內側。

c）填砂時分層進行填筑，保證每層填筑之前對砂土進行手動壓實，同時整平，將拉筋拉直，鋪上填砂，重復此過程，直至砂土離箱頂不大于1 cm，填筑工作完成。

d）撤去可移動擋板，擋墻紙板和筋條承受土壓力，裝配工作完成。

1.2.2 加載階段

待自重情形下的加筋土擋墻穩定1 min后，在墻頂放置一塊雙向塑料土工格柵，格柵伸出墻面10 cm，用砂土填滿格柵網孔，再在其上放置矩形加載箱，箱底邊緣距離墻面7 cm。向加載箱中倒入砂土作為附加豎向荷載。最大附加豎向荷載為50 kg。

若施加附加豎向荷載1 min后擋墻保持穩定，則用數顯測力計水平拉墻面一側土工格柵，以施加水平荷載。

擋墻破壞或失效的判定：擋墻發生明顯的整體或局部垮塌，則視為擋墻破壞；擋墻在沒有發生明顯破壞情況下，面板上任何一點碰到試驗箱的前表面，即視為變形失效；擋墻在施加附加荷載過程中，如果加載箱因擋墻變形而傾斜，且與模型箱連桿接觸，也被判為變形失效。

2 試驗結果分析

2.1 筋條寬度試驗

采用如圖2所示的布筋間距和筋條長度，取寬度為0.5 cm、0.4 cm和0.3 cm的筋條進行試驗，計算M值，通過M值來判斷方案的優劣。M=50-0.1x+y+2z，其中x是所需牛皮紙的面積，cm2；y是墻頂附加豎向荷載，kg；z是墻頂附加水平荷載，kg。試驗結果如表1所示。

圖2 筋條寬度試驗布筋方式（單位：cm）

表1 筋條寬度試驗結果

試驗中豎向荷載最大限制為50 kg，表中的豎向承載能力和水平承載能力是砂箱模型接近破壞時的承載能力。

以上結果表明，在相同布置間距和同等筋條長度下，自重情形下均能保持穩定，0.3 cm方案所用筋材面積最小，較0.4 cm方案節省25%，較0.5 cm方案節省40%。在超載情形下，綜合考慮筋條使用面積、豎向承載能力和水平承載能力計算出的M值表明，盡管0.5 cm方案用筋量最多，但是相比0.3 cm方案，其豎向承載能力和水平承載能力明顯提高；相比0.4 cm方案，筋材用量增加25%，而水平承載能力增加133%，M值增加19.9%。

2.2 筋條“上長中短”與“上短中長”對比試驗

“鼓肚”現象是柔性加筋土擋墻容易發生的問題，一般是由于靠近墻面處碾壓、自重壓實或者筋土蠕變等因素造成的。陳建峰[8]提到鼓肚現象，其研究的擋墻高7.6 m，在墻高3.7 m處測點水平位移較大，這表明鼓肚現象一般出現在加筋土擋墻中部。

本試驗為砂箱模型試驗，由于擋墻面板和筋條均為柔性材料，故極易發生“鼓肚”現象。“鼓肚”現象造成加筋土擋墻中部位移過大，繼而使筋條產生過大的水平位移，筋條容易拔出或斷裂，導致加筋土擋墻承載力下降。故設計2組對比試驗：筋條“上長中短”與“上短中長”對比試驗，2組試驗在相同的其他條件下（布筋間距為“7層 6根”，筋條寬度為0.4 cm，底部3層筋條長度為20 cm），“上長中短”方案采用上面2層筋條長度為40 cm，中部2層筋條長度為30 cm；“上短中長”方案采用上面2層筋條長度為30 cm，中部2層筋條長度為40 cm，具體試驗結果見表2。

表2 “上長中短”與“上短中長”對比試驗

其他條件不變及使用相同的用筋量的情況下，相比“上長中短”方案，采用“上短中長”的布置方案使得加筋土擋墻的水平承載能力提高了55.6%，相應的M值也明顯提高。

這一組對比試驗說明了采用“上短中長”方案減少了柔性加筋土擋墻墻面中部的水平位移，減少了“鼓肚”現象對加筋土擋墻的影響，大大提高了加筋土擋墻的承載能力，可見同等筋條面積、筋條寬度及筋條布置間距情況下，“上短中長”布置方式的加筋土擋墻穩定性高于“上長中短“布置方式的穩定性。

2.3 水平U形布筋試驗

基于以上試驗結果，發現加筋土擋墻破壞時筋條的破壞形式幾乎均為拔出破壞而非拉斷破壞，這說明筋條的抗拉強度并未被充分利用。

從充分利用筋條抗拉強度的角度出發，想到將相鄰2根筋條連接起來，形成U形回環式的布筋形式，這樣筋條與砂土能夠形成一個包裹區域，充分發揮筋條的抗拉強度，從而提高加筋土擋墻的承載能力。

為探討水平U形布筋方式的可行性，設計了如圖3所示的水平U形布筋試驗，同時與相同布筋間距、相同布筋面積和相同布筋寬度（這里選取0.4 cm寬的筋條）的條帶式布筋試驗作對比，試驗結果如圖3所示。

圖3 水平U形布筋試驗布置方式（單位：cm）

水平U形布筋試驗與條帶式布筋試驗的結果見表3。試驗結果表明，水平U形布筋方案的承載能力低于條帶式布筋方案，水平承載能力相比條帶式降低了39.3%，相應地，M值也明顯減少。

表3 水平U形布筋試驗與條帶式布筋對比試驗

造成U形布筋方案承載能力降低的原因是多方面的。根據試驗結果分析，筋條平面是豎向布置的，這導致筋條表面所受的力為側向土壓力，筋條與砂土之間的摩擦力較小；面板產生的位移在上部和下部是不均勻的，這就導致筋條端部上下受力不均衡，當筋條受力稍大時，筋條極易撕裂，使得其承受的拉力遠小于其容許拉力。試驗中在加載過程中可以清晰地聽到筋帶一根根斷裂的聲音，這說明U形布筋方式確實可以達到筋條發生拉斷破壞而非拔出破壞。

2.4 豎向U形布筋試驗

為了改進水平U形布筋方式，很容易想到進行豎向U形布筋方式。豎向布筋方式有效地避免了水平U形布筋方式的缺點，與條帶式布筋方式及水平U形布筋方式對比結果見表4。

表4 豎向U形、條帶式及水平U形布筋方式對比試驗

由表4可知，豎向U形布筋方式的水平承載能力，相比水平U形布筋方式水平承載能力提高了11.8%，相比條帶式布筋方式降低了32.1%。這說明基于本砂箱模型的加筋土擋墻條帶式布筋方式優于水平U形及豎向U形布筋方式。

試驗中，水平U形布筋和豎向U形布筋方式在加載過程中都發生了相同的現象：隨著加載量的增加，加筋土擋墻內部出現筋條斷裂的聲音，即一部分筋條提前斷裂，這正是U形布筋方式承載能力下降的原因。盡管U形的布筋方式改變了筋條的破壞形式，筋條由拔出破壞（黏結破壞）變為拉斷破壞，筋條充分發揮了其抗拉能力，但是U形布筋方式使得筋條與筋條內的填砂形成一個抗滑區域，限制了筋條的位移，使得在面板產生不均勻位移時，一些筋條提前被拉壞，所有筋條無法形成一個整體，協同工作。而條帶式布筋則不同，在擋墻面板產生不均勻位移時，允許筋條產生較小的位移，使得筋條能夠共同承擔砂土和附加荷載產生的側向壓力。

3 結論

本文主要介紹了加筋土擋墻砂箱模型試驗的開展過程，并從承載能力和材料用量兩個方面對比分析了不同布筋方案的效果和破壞模式，主要得到以下結論：

a）砂箱模型試驗的筋條寬度試驗結果表明，在其他條件不變的情形下，筋條寬度采用0.5 cm時的效果更好。

b）砂箱模型試驗的筋條長度試驗結果表明，在其他條件不變的情形下，“上短中長”布筋方式優于“上長下短”布筋方式。

c）砂箱模型試驗的U形布筋試驗結果表明，水平U形和豎向U形布筋方式雖然充分發揮了筋條的抗拉強度（筋條破壞模式由拔出破壞變為斷裂破壞），但是由于擋墻紙板發生不均勻位移，筋條之間失去了整體協調工作的能力，使得最終承載能力低于條帶式布筋。