扶壁式擋土墻的室內(nèi)試驗(yàn)研究

王仕康 鮑錫剛 徐瑞卿 皇甫儀柱 夏奕舟 魯?shù)陆?/p>

中國(guó)十七冶集團(tuán)有限公司 安徽 馬鞍山 243000

關(guān)于對(duì)扶壁式擋土墻的研究：井玉國(guó)[1]從擋土墻高度的角度，驗(yàn)證了超高型鋼筋混凝土扶壁式擋土墻在工程應(yīng)用中的可行性；梅世江[2]研究得出扶壁式擋土墻在側(cè)向壓力作用下反傾覆的主要原因?yàn)閴︴喟迮c樁的彎曲變形；Davies等[3]建立了高扶壁式擋土墻的有限元模型并對(duì)其穩(wěn)定性做出了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明Newmark滑塊分析模型對(duì)擋土墻的抗震設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值；王元戰(zhàn)等[4]求得了在擋土墻繞地基轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，土壓力強(qiáng)度、土壓力合力和合力作用點(diǎn)的理論公式；顧長(zhǎng)存等[5]指出當(dāng)擋土墻墻體繞基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)或繞墻頂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，被動(dòng)土壓力的強(qiáng)度呈曲線分布，并對(duì)2種轉(zhuǎn)動(dòng)模式下的合力作用點(diǎn)進(jìn)行了比較；Paik[6]、Thomas[7]、Shubhra[8]給出了在土拱效應(yīng)影響下，擋土墻在進(jìn)行平動(dòng)時(shí)的側(cè)壓力系數(shù)及土壓力強(qiáng)度的計(jì)算方法；張永興等[9]分析了墻土摩擦角和填土摩擦角對(duì)土側(cè)壓力系數(shù)、水平摩擦因數(shù)、土壓力強(qiáng)度、土壓力合力、合力作用點(diǎn)的影響；王仕傳等[10]提出了一種改進(jìn)主動(dòng)土壓力的分析方法，此方法能反映擋土墻變位模式和位移大小的影響。

本文通過(guò)建立室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑏?lái)研究扶壁式擋土墻在不同厚度覆土作用下的土壓力分布規(guī)律和墻體的應(yīng)變分布規(guī)律，繪制土壓力分布曲線和墻體應(yīng)變曲線。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 擋土墻模型

擋土墻模型（圖1）尺寸為：墻面板高100 cm，寬60 cm；墻踵板為邊長(zhǎng)60 cm的正方形；扶壁為直角梯形，上底為10 cm，下底為50 cm，高為97.5 cm；墻面板、墻踵板和扶壁的厚度均為2.5 cm。

圖1 扶壁式擋土墻(單位:cm)

1.2 監(jiān)測(cè)傳感器

1）土壓力盒。試驗(yàn)所使用的土壓力盒為電阻式土壓力盒，該設(shè)備直徑為2.6 cm，采用應(yīng)變儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2）光纖傳感器。室內(nèi)試驗(yàn)使用φ0.9 mm的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，并用分布式光纖溫度應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)DiTeSt STA-R型調(diào)制解調(diào)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.3 試驗(yàn)方案

1）將土壓力盒從1～12進(jìn)行編號(hào)，并將其埋設(shè)于設(shè)計(jì)部位（圖2）。

2）垂直于扶壁所在平面方向，沿著墻踵板和扶壁布設(shè)光纖，2塊扶壁的內(nèi)外側(cè)光纖分別命名為f1、f2和f3、f4；在2塊扶壁的中線位置，沿著墻踵板和墻面板的內(nèi)側(cè)布設(shè)光纖，分別命名為f5和f6（圖3）。

3）分別在扶壁式擋土墻后填厚度為20、40、60、80、100 cm的土，填滿后在擋土墻的頂部施加0.5 kN和1 kN的荷載，監(jiān)測(cè)出各不同厚度填土以及附加荷載作用下，土壓力盒和光纖傳感器的數(shù)據(jù)。

圖2 土壓力盒布設(shè)位置示意

圖3 光纖布設(shè)示意

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 土壓力數(shù)據(jù)分析

2.1.1 墻踵板土壓力變化規(guī)律

據(jù)李文明介紹，他是湖南南縣人，做蔬菜批發(fā)生意有20多年，原來(lái)一直在馬王堆蔬菜批發(fā)市場(chǎng)做生意，2016年遷來(lái)此地，經(jīng)營(yíng)著2個(gè)門面，年批發(fā)蔬菜量可達(dá)3.6萬(wàn)噸，2017年實(shí)現(xiàn)銷售收入2億元，有近30名員工正在他的蔬菜經(jīng)營(yíng)部里忙前忙后。

從墻踵板土壓力變化趨勢(shì)（圖4）可看出，隨著覆土厚度的增加，土壓力值的變化趨勢(shì)比較相似且都呈現(xiàn)出類似對(duì)數(shù)函數(shù)曲線形式增長(zhǎng)；其中7號(hào)土壓力盒的測(cè)得值最大，8號(hào)土壓力盒的測(cè)得值最小，由于6號(hào)土壓力盒比7號(hào)更靠近墻面板，填土受到來(lái)自于墻面板的摩擦力更大，從而減小了垂直土壓力值；8號(hào)土壓力盒相比7號(hào)距離扶壁較近，受到扶壁摩擦力的影響更大，進(jìn)而其值較小，表明靠近擋土墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件越近，填土受到摩擦力的影響越明顯，墻踵板垂直土壓力值越小。

圖4 墻踵板土壓力變化趨勢(shì)

2.1.2 扶壁土壓力變化規(guī)律

9號(hào)、10號(hào)土壓力盒位于扶壁的內(nèi)側(cè)，11號(hào)、12號(hào)土壓力盒位于扶壁的外側(cè)，從所測(cè)得的土壓力變化趨勢(shì)（圖5、圖6）可看出，扶壁內(nèi)側(cè)的側(cè)向土壓力值隨著覆土厚度的增加呈對(duì)數(shù)函數(shù)曲線形式增長(zhǎng)；扶壁外側(cè)的側(cè)向土壓力值隨著覆土厚度的增加，呈類似于指數(shù)函數(shù)曲線形式增長(zhǎng)。位于扶壁下部的側(cè)向土壓力值大于上部。

圖5 扶壁1內(nèi)側(cè)土壓力變化趨勢(shì)

圖6 扶壁2外側(cè)土壓力變化趨勢(shì)

2.1.3 墻面板土壓力變化規(guī)律

在墻面板內(nèi)側(cè)沿著高度方向布設(shè)了1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)土壓力盒，從土壓力變化趨勢(shì)（圖7）可看出，當(dāng)填土厚度大于60 cm時(shí)，他們都受到了填土的作用，3號(hào)土壓力盒的土壓力值最大，1號(hào)土壓力盒的土壓力值最小；表明越靠近墻面板的下部，填土的壓實(shí)度越良好，墻面板的側(cè)向土壓力越大。距離墻踵板相同高度的水平方向上布設(shè)了2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)土壓力盒，從土壓力變化趨勢(shì)（圖8）可看出，隨著荷載的增加土壓力盒測(cè)得的土壓力值也增大，并且土壓力值和荷載呈現(xiàn)出線性關(guān)系；其中2號(hào)土壓力盒的側(cè)向土壓力值最大，4號(hào)和5號(hào)土壓力盒對(duì)稱分布于2號(hào)的兩側(cè)，比2號(hào)土壓力盒距離扶壁更近，受到扶壁摩擦力的影響較大，因此測(cè)得的側(cè)向土壓力值相比較2號(hào)更小。

圖7 墻面板垂直方向土壓力變化趨勢(shì)

圖8 墻面板水平方向土 壓力變化趨勢(shì)

2.1.4 等高度不同部位側(cè)向土壓力變化規(guī)律

2號(hào)、9號(hào)、11號(hào)土壓力盒分別位于擋土墻的不同位置，距離墻踵板的高度均為40 cm。從土壓力變化趨勢(shì)（圖9）可看出，11號(hào)土壓力盒的側(cè)向土壓力值最小，9號(hào)土壓力盒的側(cè)向壓力值最大；表明同高度同荷載情況下，扶壁內(nèi)側(cè)的側(cè)向土壓力值最大，扶壁外側(cè)的側(cè)向土壓力最小。

2.2 擋土墻應(yīng)變分析

兩扶壁中線位置墻面板上光纖f6的監(jiān)測(cè)方向?yàn)閺膲γ姘屙敳康降撞?。從墻面板上?yīng)變隨著覆土厚度增加的變化趨勢(shì)（圖10）可看出，墻面板出現(xiàn)了正應(yīng)變，表明墻面板內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了拉伸作用，墻面板有遠(yuǎn)離土體方向移動(dòng)的趨勢(shì)。應(yīng)變總體變化趨勢(shì)為：在不同厚度的覆土作用下，墻面板的應(yīng)變沿著監(jiān)測(cè)方向，呈現(xiàn)出逐漸變大再變小的趨勢(shì)，且有應(yīng)變波峰的出現(xiàn)。覆土厚度的不同，應(yīng)變波峰出現(xiàn)的位置也不一樣，大體表現(xiàn)為覆土厚度越小，應(yīng)變峰值位置離墻面板底部越近。

圖9 不同位置同等高度土壓力變化趨勢(shì)

圖10 墻面板應(yīng)變變化趨勢(shì)

2.2.2 扶壁應(yīng)變分析

1）扶壁1外側(cè)光纖f1的監(jiān)測(cè)方向?yàn)閺姆霰诘撞康巾敳?。從?yīng)變變化趨勢(shì)〔圖11（a）〕可看出，當(dāng)覆土厚度為20 cm時(shí)，光纖上各點(diǎn)的應(yīng)變值很小且接近于0；當(dāng)覆土厚度為40、60、80 cm時(shí)，光纖所測(cè)得的應(yīng)變沿扶壁高度方向分布都比較均勻；當(dāng)覆土厚度為100 cm以及處于加載階段時(shí)，扶壁高度方向的應(yīng)變變化趨勢(shì)比較一致，且在沿扶壁高度約0.8 m處有應(yīng)變波峰。

2）扶壁1內(nèi)側(cè)光纖f2的監(jiān)測(cè)方向?yàn)閺姆霰诘牡撞康巾敳?，從?yīng)變變化趨勢(shì)〔圖11（b）〕可看出，當(dāng)覆土厚度≤80 cm時(shí)，光纖f2沿著監(jiān)測(cè)方向的應(yīng)變值逐漸變大，最大值位于扶壁的頂部；當(dāng)覆土厚度為100 cm以及受到附加荷載的作用時(shí)，光纖f2沿著監(jiān)測(cè)方向的應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，且在監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度約0.8 m處出現(xiàn)了應(yīng)變峰值。

3）扶壁2內(nèi)側(cè)f3光纖的監(jiān)測(cè)方向?yàn)閺姆霰诘牡撞康巾敳?，從?yīng)變變化趨勢(shì)〔圖11（c）〕可看出，當(dāng)填土厚度≤40 cm時(shí)，光纖f3基本沒(méi)有發(fā)生應(yīng)變變化，應(yīng)變值接近于0；當(dāng)覆土厚度為60 cm和80 cm時(shí)，監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度約為0.8 m的位置出現(xiàn)了應(yīng)變波峰；當(dāng)填土厚度為100 cm以及處于加載階段時(shí)，應(yīng)變的最大值位于扶壁的頂端。

4）扶壁2外側(cè)f4光纖的監(jiān)測(cè)方向?yàn)閺姆霰诘牡撞康巾敳浚瑥膽?yīng)變變化趨勢(shì)〔圖11（d）〕可看出，在不同厚度覆土作用下，光纖f4測(cè)得的應(yīng)變值較小，接近于0；當(dāng)覆土厚度逐漸變大時(shí)，監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度在0～0.8 m的范圍內(nèi)，光纖的負(fù)應(yīng)變值隨之變大，表明扶壁2具有背離扶壁1運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，且隨著荷載的加大，這種運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)越明顯。

圖11 光纖應(yīng)變變化趨勢(shì)

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立室內(nèi)扶壁式擋土墻模型，對(duì)墻體各部位的土壓力和應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析結(jié)果如下：

1）隨著覆土厚度的增加，墻踵板垂直土壓力和扶壁內(nèi)側(cè)的側(cè)向土壓力呈對(duì)數(shù)函數(shù)曲線形式增長(zhǎng)，扶壁外側(cè)的側(cè)向土壓力呈指數(shù)曲線形式增長(zhǎng)。

2）隨著覆土厚度的增加，墻面板水平方向的側(cè)向土壓力呈線性增大；垂直方向上，越靠近墻面板的底部，側(cè)向土壓力越大。

3）距離墻踵板同樣高度時(shí)，扶壁內(nèi)側(cè)的側(cè)向土壓力最大，墻面板側(cè)向土壓力次之，扶壁外側(cè)的側(cè)向土壓力最小。

4）隨著覆土厚度的增加，墻面板的應(yīng)變值隨之變大，且在沿墻面板高度方向有應(yīng)變波峰，峰值的位置跟覆土厚度有關(guān)，厚度越大，波峰距離墻面板底部的距離越大；扶壁沿高度方向的應(yīng)變隨覆土厚度的變大而變大，在高度方向約0.8 m處有應(yīng)變波峰，且扶壁有相互背離的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。