頂部荷載作用下預應力加筋土擋墻性能的試驗研究

周芬，丘友威，杜運興

頂部荷載作用下預應力加筋土擋墻性能的試驗研究

周芬，丘友威，杜運興

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

無黏結預應力加筋土擋墻可以對填料施加主動約束。采用增大填料密度法建立該擋墻的縮尺模型試驗，在非加筋區頂部施加荷載，分析在施工和加載階段墻體的水平位移、墻頂沉降、預拉力損失、水平土壓力和基底土壓力的分布及其發展規律。試驗結果表明：加載后，當荷載達到15%極限荷載時，各層墻面板位移開始增長，增幅從第1層到第4層依次增大；墻頂加筋區中部出現“隆起”，非加筋區在80%極限荷載下出現了不均勻沉降；伴隨著預拉力損失，加筋區內各層水平土壓力隨之減小，但第1層～第3層最大減小幅度要遠小于預拉力的損失幅度；由荷載引起的基底土壓力增量的分布情況表明，加筋區能有效阻擋附加豎向土壓力的擴散。

側向土壓力；預應力；加筋土擋墻；模型試驗

加筋土是被廣泛發展和應用的邊坡填土支護技術，其工作機理是通過加筋材料對填料形成約束起到加固作用[1]。一項關于320個加筋土擋墻失效原因的調查表明[2]，73%破壞的樣本與使用了非砂性土填料有關。而填料性質對筋材與填料界面特性有著顯著影響[3]，土工格柵?填料界面結合力不足是造成加筋土破壞的主要原因。因此不同地區的復雜土質成為加筋土技術推廣應用的限制因素。為增加加筋材料對填料的約束作用，無黏結預應力加筋土技術被提出，該技術是將加筋材料對填料的被動約束轉變為填料兩側墻面板與側壓板對其施加的主動約束，墻面板與側壓板通過預應力筋連接，張拉預應力筋可以實現填料的側向土壓力增加。填料、墻面板、側壓板、預應力筋構成的加筋體仍然是一種柔性的復合支擋結構。由于該技術約束土體的機理有別于傳統的加筋土工作機理，該技術可以適用范圍更廣的填料。深入研究該技術對于該技術的推廣具有重要的意義。原位試驗與縮尺模型試驗都是研究加筋土技術的重要手段。原位試驗能獲得真實的現象和規律，許多國內外學者都進行了相關研 究[4?5]，但原位試驗耗資高、規模大，不便于進行系統性的試驗，因此縮尺模型試驗成為了廣泛、高效地研究各類擋墻的重要手段。開展縮尺模型試驗需要建立相似關系，由于填料的非線性性質，一般模型試驗的結果很難反映實際情況，目前較為成熟的縮尺模型試驗是采用離心機進行的[6?8]。雖然采用離心機模型試驗可以較好地模擬實際情況，但該技術本身也存在一定的問題。離心機試驗中，模型內部的加速度場并不完全等同于自然重力場[9]，模型內部的加速度場隨著距離轉動中心的不同而變化，并不均勻。為減小該類誤差，離心機試驗常需采用小尺寸模型，但小尺寸模型其內部應力測量較為困難，因此作者提出了增大填料密度法來建立試驗縮尺模型。杜運興等[10]采用增大填料密度法對混合加筋土擋墻的力學性能進行了模型試驗，獲得了一些有意義的研究成果，但該試驗采用砝碼對模型上部施加荷載，荷載較小難以全面地反映頂部荷載對該類擋墻結構的影響，而荷載對加筋土擋墻工作性能的影響是擋墻研究的重要內容[11?12]。因此，本文采用千斤頂對縮尺模型上部加載，研究該類擋墻施工和加載階段位移和應力的分布與發展規律。

1 試驗方案

1.1 模型相似

采用量綱分析法[13]確定模型的相似關系。在加筋土擋墻模型試驗中，各物理量滿足以下函數 關系：

其中：，，，和分別為填料的密度、黏聚力、內摩擦角、泊松比、彈性模量；為重力加速度；為擋土墻高度；為筋材的抗拉強度；為擋墻中的力。根據定理，取，，為量綱獨立的基本量，于是各物理量可由基本量表示為無量綱量：1=/()，2=，3=/()，4=，5=/(2)，6=/(3)。當模型和原型對應的都相等時，可以認為模型與原型完全相似。

本試驗模型采用鋼砂模擬實際工程的中砂填料，需要調整鋼砂填料的強度參數與中砂強度參數一致，本文通過調配粗細鋼砂摻量使其達到中砂填料相同的內摩擦角。由于鋼砂的密度是中砂密度的倍，在重力場下，采用鋼砂的模型可以模擬倍尺寸中砂填料模型，2種模型在對應位置具有相同的應力狀態。本試驗主要的相似關系如表1所示。

表1 模型相似關系

1.2 模型設計

1.2.1 試驗箱

如圖1所示，試驗在試驗箱中進行，箱內的擋墻模型尺寸為：長×寬×高=1 500 mm×760 mm× 1 520 mm。試驗箱兩側長邊及一側短邊為19mm厚的鋼化玻璃，在槽內填筑填料，箱體另一側短邊布置墻面板，以底層為第1層，共布置4層墻面板。槽內第1層墻面板位置處設有墻底擋板作為基礎來限制第1層墻面板的位移。

單位：mm

1.2.2 填料

采用鋼砂代替砂性土作為填料開展試驗，通過按比例調配粗、細鋼砂使其除密度外的物理性質近似于天然中砂，得到混合鋼砂的密度為5.305 g/cm3，內摩擦角為34.0°，曲率系數為1.13，不均勻系數為2.891。由于混合鋼砂密度約為天然中砂的3倍，因此縮尺模型可以模擬3倍高度的中砂填料模型。

1.2.3 墻面板與側壓板

墻面板、側壓板由配筋C30混凝土板制成，尺寸分別為375 mm(長)×380 mm(寬)×40 mm(厚)和250 mm×250 mm×40 mm。板的中心都預制了直徑25 mm的孔道用來穿過活結螺栓。

1.2.4 預應力筋

采用1×7型的鋼絞線作為預應力筋，筋長為600 mm，為0.4倍模型高度。鋼絞線兩端分別連接了活結螺栓，穿過墻面板一端的活結螺栓采用螺母、力傳感器、墊片組成預拉力施加與測試系統。鋼絞線外套PVC管使其能在管中自由滑動，模擬預應力筋與填料無黏結接觸。

1.2.5 儀器布置

如圖1所示，使用4個JMDL-2110A位移計和JMZX-3102AT穿心式力傳感器測量各層的水平位移和預應力筋的預拉力；6個JMDL-2105A位移計測量頂面豎向位移；基底布置6個JMZX-5010HA土壓力盒測量基底土壓力；每層埋設5個XY-TX300微型土壓力盒測量水平土壓力，4層共計20個；采用JMZX-3405HAT荷載計測量荷載。傳感器使用JMZX–3003綜合測試儀和JMYJ-2020型靜態自動電阻應變儀讀取數據。

1.3 試驗過程

試驗分為填筑、施加預拉力、加載共3階段進行。1) 填筑階段，開始填筑前在模型箱側壁均勻涂抹無機潤滑油以充分減少填料與箱體的摩擦來降低邊緣效應。按試驗方案布置土壓力傳感器到每層相應位置，每填筑半層整平一次并采集一次數據。填筑完成后再布置位移計和千斤頂，位移計由獨立于模型箱的外部支架固定。2) 預拉力施加階段，采用旋轉螺母推進的方式施加預拉力。周芬等[14]采用數值模擬分析了該類擋墻預拉力的合理取值，根據被動土壓力限值及墻面變形要求，結合實際情況，從下至上依次對擋墻每層施加7，5，3和1 kN大小的預拉力，每層預拉力施加完成后，靜置2 h，如果預拉力出現損失則進行補張拉。在全部預拉力施加完成后，每隔4 h進行測量，出現預拉力損失的再次補張拉，直至2次測量之間讀數差為零再開展下一階段試驗。3) 加載階段，加載區尺寸為0.54×0.65 m，采用螺旋千斤頂以10 kPa為增量進行逐級加載。維持每級荷載大小不變，每隔10 min記錄一次數據，當兩次位移儀器讀數差為零時，再進行下一級加載。根據試驗情況，為保證人員與試驗儀器的安全，本試驗施加的最終荷載為380 kPa。

2 試驗研究內容

本試驗采用增大填料密度法建立擋墻縮尺模型，研究承載時的工作性能，主要的內容包括：

1) 預拉力施加、加載階段的墻面板水平位移、頂面豎向位移的變化規律；

2) 加載階段，預應力筋預拉力大小的變化 規律；

3) 預拉力施加、加載階段的各層水平土壓力、基底豎向土壓力的變化規律。

3 試驗結果與分析

3.1 墻面水平變形

由于填筑階段墻面板易受擾動而引起測量誤差，該階段的墻面板位移不作記錄與分析。圖3(a)是依次施加預拉力時各層墻面板的位移增量沿墻高分布情況，以填筑完成時墻面板的位移為零值。位移正值指墻面板離開擋墻方向的偏移即“外移”，負值指“內移”。如圖3(a)所示，施加預拉力后墻后填料被壓縮，墻面板內移。施加預拉力層上方的墻面板表現為外移。造成這種現象的原因有2個： 1) 上層墻面板在施加預拉力層墻面板的“內移”過程中產生一定的向外側的轉動，造成了施加預拉力層上方的墻面板表現為外移；2) 施加預拉力層中的填料在側壓板和墻面板的側壓作用下會產生豎向的隆起效益，由于側壓板位置的側向應力更大，造成這個位置的隆起效益更明顯，隆起效益推動了施加預拉力層上方填料向墻面板方向發生移動，進而導致相應位置墻面板的位移。

(a) 箱體內壁涂油；(b) 填筑鋼砂、布置土壓力盒；(c) 布置千斤頂、位移計；(d) 加載

(a) 預拉力作用下的墻面板位移沿墻高分布；(b) 荷載引起的墻面板水平位移累積增量；(c) 墻面板累積水平位移沿墻高分布

圖3(b)為各層墻面板由荷載引起的水平位移累積增量曲線，以施工完成后的墻面板位移為零值。根據試驗結果，當荷載在50 kPa(15%極限荷載)以內時，墻面板基本不出現水平位移(＜0.06 mm)，表明該類擋墻具有較強的抗變形能力。荷載超過50 kPa之后位移開始增長，達到80 kPa后，在分級荷載幅度不變的情況下，位移增幅顯著增大并呈上大下小的趨勢。當荷載達到330 kPa時，第4層墻面板水平位移(7.82 mm)超過了規范限值[15](0.5%墻高=7.6 mm)。綜上所述，本文所建立的擋墻模型由位移控制的非加筋區頂部極限荷載為320 kPa。

圖3(c)為由荷載引起的墻面板累積水平位移沿墻高的分布曲線，以施工完成后的墻面板位移為零值。由圖3(c)可知，由荷載引起的各層墻面板累計水平位移曲線沿墻高首先呈線性分布，但隨著荷載增大，1～4層墻面板水平位移增幅依次增大。其原因在于，加筋區填料在自重和預應力作用下的受約束程度越往下越高，墻面板的變形相應減少。

3.2 墻頂變形

圖4為加載后頂面各測點的累積豎向位移變化曲線，豎向位移正值表示沉降，負值表示隆起，取預應力施加完成后的豎向位移為零值。如圖4(a)所示，加載后，加筋區中部出現明顯隆起，并在荷載140 kPa附近最明顯。這是因為非加筋區頂部荷載增加了側壓板背部填料的水平土壓力，側壓板進一步擠壓加筋區填料，引起了加筋區中部隆起。

如圖4(b)～4(c)所示，當荷載小于80%極限荷載(250 kPa)時，非加筋區沉降隨荷載增大呈線性增長，并且3個測點的沉降量基本保持一致。但在荷載增大到80%極限荷載后，3個測點的豎向沉降出現分化，達到極限荷載后更加明顯，靠近加筋區的測點4沉降大幅增加，而離加筋區最遠的測點6保持著原來的增長幅度。結果表明，明顯的不均勻沉降預示上部荷載達到加筋土擋墻的極限荷載。

3.3 預拉力損失

圖5顯示了加載階段擋墻各層預應力筋預拉力的變化。結合圖4(a)可以發現，加載后，預拉力大幅損失的荷載區間(0～150 kPa)與加筋區中部隆起不斷增大的荷載區間一致，可推斷預應力筋的預拉力損失主要是由于側壓板擠壓加筋區填料，引起了側壓板向墻面板移動，造成預應力筋的預拉力降低。在上部荷載增大到一定程度后，墻面板和側壓板向外側的位移一致時，預應力筋的預拉力穩定下來。最終1～4層的預應力筋預拉力損失幅度依次為?20%，?30%，?60%和?60%，卸載后預拉力也基本保持不變。

(a) 加載后加筋區頂面累積豎向位移；(b) 加載后非加筋區頂面累積豎向位移；(c) 頂面累積豎向位移沿墻體縱向分布

圖5 加載后預應力筋預拉力變化

3.4 水平土壓力

作為一種輕型擋土墻，確定墻內填料土壓力的大小及分布對擋墻設計尤為重要。圖6(a)是填筑完成和預拉力完成后各層水平土壓力沿墻體的縱向分布曲線，圖6(b)～6(f)為加載階段由荷載引起的各層各測點水平土壓力的累積增量曲線，由圖可知：

1) 如圖6(a)所示，預拉力施加完成后，加筋區的水平土壓力顯著增長，填料的水平土壓力增大幅度呈現出靠墻面板和側壓板兩端大，中部小的趨勢，其原因在于墻面板與側壓板對填料施加壓力后，填料內部出現壓應力的擴散，其擴散范圍是從板邊向內擴大的棱體范圍。

2) 如圖6(b)～6(d)所示，第1～3層加筋區3個測點的水平土壓力均呈先減小后增大的變化規律，減小幅度在50%極限荷載附近達到最大。水平土壓力下降最大的荷載區間與圖5所示的預拉力損失變化最大的荷載區間一致，由此可判斷加載過程中預應力筋的預拉力損失造成了加筋區水平土壓力的下降。相比于加載前，加載過程中第1層加筋區的水平土壓力從墻面板背部往側壓板方向的各個測點的最大降幅依次為?9.35%，?10.54%和?6.07%，第2層為?20.20%，?6.38%和?4.21%，第3層為?22.91%，?3.70%和?2.02%。從結果來看，加載過程中第1～3層加筋區的水平土壓力最大降幅(?22.91%)遠小于預拉力的最大損失幅度(?60%)，并且達到最大降幅后，第1～3層加筋區水平土壓力隨荷載增長基本不再下降。這說明預應力筋的預拉力損失的幅度與加筋體內水平土壓力降低的幅度并不一致。

(a) 填筑和施加預拉力階段各層水平土壓力大小沿墻體縱向分布；(b) 荷載引起的墻面板背部水平土壓力累積增量；(c) 荷載引起的加筋區中部水平土壓力累積增量；(d) 荷載引起的側壓板前側水平土壓力累積增量；(e) 荷載引起的側壓板后側水平土壓力累積增量；(f) 荷載引起的荷載區中部水平土壓力累積增量

第4層墻面板背部和加筋區中部水平的土壓力在加載過程中不斷減小，直到終載時，墻面板背部和加筋區中部土壓力降幅達到最大(?51.53%和?23.28%)，該降幅遠大于第1～3層。其原因在于，第4層填料約束程度低，隨著墻面板外移不斷增大，第4層加筋區填料出現松動造成密實度不斷降低進而引起了內部土壓力的降低。

3) 如圖6(e)～6(f)所示，加載后，側壓板后側(靠非加筋區一側)、荷載區中部水平土壓力增量從第4層到第1層逐漸減小，這是由于荷載引起的附加水平土壓力也存在擴散效應。

3.5 基底豎向土壓力

圖7顯示了模型從填筑到加載階段各測點基底豎向土壓力的分布曲線。預應力筋的預拉力造成加筋區填料的側壓力增加，由于泊松效應造成了填料內豎向應力增加。加載前，基底土壓力近似為均勻分布，但加載后，加筋區基底豎向土壓力的增幅遠小于非加筋區，處于側壓板兩側的測點3，4僅相距250 mm，但最終土壓力增量卻相差了49 kPa，側壓板后側的基底土壓力增量為前側的427%。結果表明，該類擋墻的加筋體能有效阻擋由非加筋區荷載引起的附加豎向土壓力往加筋區擴散，荷載作用對加筋區基底造成的影響小。

圖7 施工和加載階段基底豎向土壓力變化

4 結論

1) 在施工階段，對擋墻第1～4層預應力筋依次施加從大到小的預拉力后，各層墻面板依次出現從小到大的內移；加筋體內填料的側向土壓力增量呈中間小兩端大的分布，填料內的預應力存在擴散效應。

2) 各層墻面板位移在上部荷載達到15%極限荷載后才開始明顯增長；上部荷載作用下加筋區頂面中部出現“隆起”，非加筋區在80%極限荷載下出現了不均勻沉降。

3) 加載過程中，伴隨著預應力筋預拉力損失，加筋區內水平土壓力出現下降，但第1～3層最大降幅遠小于預拉力的損失幅度，其承載力不會隨著預拉力損失而大幅下降；由荷載引起的基底土壓力增量的分布情況表明，加筋區能有效阻擋附加豎向土壓力的擴散。

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Experimental study on the performance of prestressed reinforced soil retaining walls under top load

ZHOU Fen, QIU Youwei, DU Yunxing

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Unbonded prestressed reinforced earth retaining wall can impose active constraints on the filler. In the paper, an indoor model test was established by increasing the density of the filler, and the load was applied at the top of the unreinforced area. The distribution and development trends of horizontal displacement, top settlement, pretension loss, horizontal earth pressure, and earth pressure at the bottom of the foundation during the construction and load application of the reinforced body were analyzed. The test results show that: after loading, the displacement of the wall panel of each layer starts to increase after the applied load reaches 15% ultimate load, and it increases gradually from the bottom to top. A “bulge” appears in the middle of the reinforced area at the top of the wall, and unreinforced area begins to show uneven settlement after the application of 80% ultimate load. The horizontal earth pressure of each layer in the reinforced area decreases with the large loss of pretension, but the maximum drop of the first to third layers is much smaller than the loss of pretension. The distribution of the earth pressure increment at the bottom of the retaining wall caused by the load indicates that the reinforced area can effectively block the spread of additional vertical earth pressure.

lateral soil pressure; prestress; reinforced earth retaining wall; model test

TU472.3

A

1672 ? 7029(2020)12 ? 3063 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200155

2020?02?26

湖南省自然科學基金面上資助項目(2018JJ2050)；長沙市科技計劃重大專項資助項目(kq1703002，kq1804002，kq1902043)

周芬(1973?)，女，湖北武漢人，副教授，從事加筋土技術研究；E?mail：zhoufen@hnu.edu.cn

(編輯 涂鵬)