預制拼裝箱形重力式擋土墻足尺模型試驗

■盧建亮

(三明市公路養護中心將樂分中心，三明 365000)

0 前言

擋土墻是公路工程中廣泛使用的一種防止路基填土或山坡土體變形失穩的構造物。近年來，福建山區公路邊坡的穩定性正經受著頻繁出現的極端天氣的嚴峻考驗，同時也對快速修復受損邊坡、 縮短開放交通時間提出了更高的要求。

模塊化設計與預制拼裝技術是目前實現快速施工的基本途徑。作為修復受損邊坡的重要手段，新型的預制拼裝擋土墻結構不僅需要具有施工效率高、 可實現短時修復的功能，同時又應具備良好的工作性能，以滿足正常使用的要求。目前，國內外已發展出多種形式的預制拼裝擋土墻，例如格賓網箱擋土墻[1]、預制塊材Golcon 體系[2]、MSE 擋土墻[3]及SRW 擋土墻體系[4]等。 上述各類預制拼裝擋土墻雖實現了擋土墻的預制拼裝，但在模具精度、施工配套措施等方面有著不同程度的要求。 作者團隊提出了一種新型的預制拼裝箱形重力式擋土墻[5]，其構造簡單，施工便捷，適用于福建山區公路邊坡水毀擋土墻的快速搶修等場合。

為明確新型預制拼裝箱形重力式擋土墻在不同荷載工況下的強度和穩定性， 本文設計制作了1∶1 的足尺模型， 開展模擬福建山區公路邊坡重力式擋土墻典型受力工況的靜載試驗， 對新型預制拼裝擋土墻的整體工作性能以及聯接構造的局部性能等進行試驗檢驗， 從而為其推廣應用提供科學依據。

1 試驗概況

1.1 新型預制拼裝箱形重力式擋土墻簡介

新型預制拼裝箱形重力式擋土墻由“田”字形空心箱形預制標準件、 底部箱形預制件和預制底板三部分組成[5]，如圖1 所示；各預制件均采用素混凝土制作，為防止預制件開裂，按相關規范[6]配有構造鋼筋；各預制件均采用榫接方式聯結。

圖1 新型擋土墻各預制件示意圖

1.2 模型設計及制作

根據《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)[7]的相關規定，重力式擋土墻墻高不宜超過12m，且干砌擋土墻的高度不宜超過6m。 基于安全性考慮，本文將應用于公路邊坡的新型預制拼裝箱形重力式擋土墻的墻高范圍限制在8m 以內，并在進行試驗模型設計時，以8m 高的福建山區公路上邊坡重力式擋土墻為對象； 根據前期對新型預制拼裝箱形重力式擋土墻的設計計算成果， 初步擬定了各預制件的基本尺寸[5]。

為對新型預制拼裝重力式擋土墻的整體工作性能以及聯接構造的局部性能等進行可靠檢驗， 本文采用1:1的足尺模型。參考文獻[5]，本文設計了用于試驗的新型預制拼裝擋土墻的各預制件尺寸：

(1) 預制標準件尺寸為長2.0m×寬2.2m×高2.0m，如圖2(a)所示；

(2) 底部箱形預制件與底板相接部分的尺寸為長2.0m×寬2.6m×高2.0m；其余部分的尺寸與預制標準件的尺寸相同，如圖2(b)所示；

(3)預制底板尺寸為長2.0m×寬3.0m×高0.3m，如圖2(c)所示。

圖2 各預制件尺寸

各預制件均采用素混凝土澆筑， 設計混凝土強度等級為C30，重度為25kN/m3；為保證各預制件之間的可靠聯接，在各預制件上均設計了凹凸榫頭構造(見圖2)。 按圖2 加工制作了各預制件， 經標準養護后最終在福州大學土木工程多災害防治重點實驗室內完成了各預制件的拼裝，如圖3 所示；拼裝后的足尺模型總高度為4m，用于模擬8m 高重力式擋土墻受力最不利的下半部分。

本文采用容重約為1600～1800kg/m3的雜填土填筑模型的空心部分，并充分壓實，從而形成重力式擋土墻結構的足尺模型。

圖3 拼裝后的足尺試驗模型

1.3 試驗加載裝置與加載工況

本試驗主要模擬對象為福建山區上邊坡8m 高重力式擋土墻， 同時也考察新型預制拼裝重力式擋土墻對于下邊坡的適用性。 為模擬8m 高的重力式擋土墻的實際受力行為，采用了圖4(a)所示的加載裝置：其中，豎向千斤頂F1 及重量為110kN 的混凝土配重塊用于模擬足尺模型頂面所受到的結構自重(對應8m 高重力式擋土墻在4m 高度橫截面所受的實際結構自重)；為模擬8m 高重力式擋土墻實際受到的墻背土壓力， 設計制作了試驗專用鋼箱，并在鋼箱內裝填干燥的沙粒，同時，通過水平向千斤頂F2 和豎向千斤頂F3 來模擬8m 高重力式擋土墻實際受到的墻背土壓力(見圖4(b))。

根據《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)[7]的相關規定，計算確定了本文試驗的加載工況：豎向千斤頂F1施加的靜力荷載為520kN，并在試驗全程中保持不變，以模擬足尺模型頂面所受到的結構自重； 墻背土壓力采用分級加載，如表1 所列。 表1 中，上邊坡工況7 對應設計荷載，工況8 取為設計荷載的1.1 倍；下邊坡工況8 對應設計荷載，工況10 為試驗極限荷載。

圖4 試驗加載裝置

本試驗采用砂土料模擬地基土， 并在砂土料外圍用土袋堆壘形成柔性邊界以模擬實際邊坡情況。根據《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)規定[7]，重力式擋土墻的墻趾埋深不應小于1m，本試驗取墻趾埋深為1.3m，如圖4(a)所示；考慮到實際工程遇到較不利地基土時需采用換填砂土層對地基土進行處理以提高基底承載力， 故本試驗在足尺模型下方采用了厚0.2m 的砂石料墊層。在正式試驗之前，根據《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)[8]的相關規定， 實測了砂石料墊層的重度、 內摩擦角及粘結力，其結果如表2 所列。

表1 試驗加載工況(單位：kN)

表2 試驗模型地基土基本參數

1.4 測量內容與測點布置

本試驗的量測內容為足尺模型在各試驗加載工況下的基底土壓力、 墻后土壓力以及墻身不同位置的位移和應變；其中，基底及墻后土壓力均采用土壓力計量測，墻身位移和應變分別采用位移計和應變計量測。 試驗測點布置見圖5， 本試驗共布置了10 個位移測點、14 個應變測點(每個應變測點均布置3 個應變片)和18 個土壓力計(其中墻身上布置14 個，砂石料墊層中布置4 個)。

圖5 測點布置圖

2 試驗現象與結果分析

本試驗在福州大學土木工程多災害防治重點實驗室內實施。 正式試驗之前先進行預備試驗， 以檢驗加載裝置、各傳感器和儀器等的可靠性；在證實加載裝置、各傳感器和儀器等可靠之后，才實施正式試驗。

正式試驗按擋土墻的設置位置分為上邊坡工況和下邊坡工況，試驗加載順序如下：首先，通過豎向千斤頂F1施加520kN 的靜力荷載，并在試驗全程中保持不變；其次， 按表1 所列的上邊坡工況分級加載直至完成工況8 加載；在上邊坡工況試驗成功后，卸除水平向千斤頂F2 和豎向千斤頂F3 施加的荷載， 按表1 所列的下邊坡工況分級加載直至完成工況10 加載；至此，試驗全部結束。

試驗加載過程中， 注意觀察并記錄足尺模型的變形和裂縫情況， 并量測其基底和墻后土壓力以及墻身不同位置的位移和應變等變化情況。

2.1 試驗現象

在上邊坡工況整個加載過程中，足尺模型均未開裂，也沒有出現滑移或傾覆現象， 同時各預制件之間的聯接界面也均未發現明顯的相對錯動，聯接榫頭完好，未出現剪切破壞。試驗現象表明，新型預制拼裝重力式擋土墻在上邊坡設計荷載作用下整體抗滑移和抗傾覆性能良好，各預制件自身承載力和局部連接構造等也均能滿足設計要求。

在下邊坡工況加載過程中，當荷載增加至工況9(略超過設計荷載) 時， 發現足尺模型開始出現整體滑移趨勢，且荷載無法繼續增大，表明其已達到承載能力極限狀態；分析認為，這是由于本試驗足尺模型系按上邊坡工況設計的，故其用于下邊坡工況時，可靠度相對有所減小。此外，下邊坡工況試驗全過程中，足尺模型也均未開裂，聯接榫頭都保持完好無損。試驗現象表明，新型預制拼裝重力式擋土墻亦可適用于下邊坡場合。

2.2 試驗結果分析

(1)墻背土壓力

圖6 顯示足尺模型分別在上、 下邊坡使用條件下各加載工況下實測的墻背土壓力分布曲線。從圖6 中可見，墻背土壓力P 沿墻身高度H 呈曲線分布，且隨試驗荷載的增大而增大， 墻背最大土壓力出現在H=2m 附近；此外，當試驗荷載達到設計荷載時，墻背土壓力合力超過設計主動土壓力的合力， 而且一些部位的土壓應力也已經超過設計靜止土壓力。

圖6 各加載工況下實測墻背土壓力分布曲線

(2)墻身結構主壓應力

根據各應變測點的實測數據， 計算得到了足尺模型的墻身結構分別在上、 下邊坡使用條件下荷載施加至設計荷載時的主壓應力，如表3 所列。 從表3 中可知，足尺模型的墻身結構整體處于受壓狀態， 且榫接處角點位置(測點1-6/2-4)承受較大的主壓應力，是最不利的受力位置；此外，墻身結構各部位的主壓應力值均遠小于C30 混凝土的設計強度值， 表明墻身結構強度具有很高的安全儲備。

表3 墻身結構主壓應力(單位：MPa)

(3)墻身結構位移

預制拼重力式擋土墻在荷載作用下的變形是評價其整體工作性能的重要指標之一。 表4 列出了足尺模型的墻身結構分別在上、 下邊坡使用條件下荷載施加至設計荷載時各位移測點的實測位移值。從表4 可知，在上邊坡和下邊坡應用場合，當墻背土壓力達到設計值時，墻身結構各部位的位移仍均十分微小， 最大位移值約為0.01mm，表明結構具有類似剛體的特性；在下邊坡應用場合，當荷載增加至工況9 時，擋土墻頂部(高程5m 處)位移計實測位移出現較大幅度的增大，達到0.023mm，表明擋土墻結構開始具有滑移趨勢， 這與觀察到的試驗現象相符。

表4 墻身結構實測位移(單位：×10-2mm)

(4)基底壓力

表5 和表6 分別給出了上邊坡和下邊坡應用場合各分級加載工況下基底土壓力的實測結果。 由表5 和表6可知，隨著墻背土壓力的增加，墻踵部位的土壓力逐漸減小， 而墻趾部位的土壓力逐漸增大， 但直至設計荷載工況，兩者也均未超過砂石料墊層的設計承載力，表明擋土墻底部地基承載力滿足設計要求。需要指出的是，在下邊坡應用場合，當加載工況達到工況9 時，墻踵部位的土壓力開始迅速減小，而墻趾部位的土壓力迅速增大，結構開始失效。

表5 上邊坡應用場合基底土壓力實測值(單位：kPa)

表6 下邊坡應用場合基底土壓力實測值(單位：kPa)

3 結論

本文通過足尺模型靜載試驗， 初步探討了新型預制拼裝箱形重力式擋土墻在福建山區公路上、 下邊坡應用場合下的整體工作性能以及聯接構造的局部性能， 得到如下的研究結論：

(1)在設計荷載作用下，墻身結構各部位的主壓應力值均遠小于混凝土材料的設計強度值， 具有很高的安全儲備。

(2)在設計荷載作用下，墻身結構各部位的位移十分微小，可近似視為剛體。

(3)在應用于上邊坡場合時，新型預制拼裝重力式擋土墻在超過1.1 倍設計荷載作用下未出現整體穩定性和局部穩定性問題， 而且各預制件自身承載力和局部連接構造等均能滿足設計要求。

(4)在應用于下邊坡場合時，新型預制拼裝重力式擋土墻仍能滿足設計要求，但可靠度有所減小。