反包式建渣土工袋擋土墻承載性狀研究*

董知恩，趙國興，文 華，張玉林，王梓龍，薛 偉

(1.西南科技大學城市學院，四川 綿陽 621000； 2.浙江土工巖土科技有限公司，浙江 杭州 310012；3.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

本文通過設置天然土坡、建渣土工袋擋土墻、反包式建渣土工袋擋土墻的模型對比試驗，探究反包式建渣土工袋擋土墻的承載性狀效果。

1 模型設計與制作

為真實反映原始邊坡的實際受力和變形情況，模型試驗應以相似原理和量綱分析為基礎，確定縮尺試驗模型與原模型的比例為 1∶4，并以縮尺后的模型作為試驗模型。

1.1 試驗材料

邊坡土體采用粉質黏土，其物理力學指標按SL 237—1999《土木試驗規程》進行土工試驗測得，邊坡土體物理力學指標分別為：密度為1.5g/cm3，含水率為15.3%，黏聚力為26.9kPa，內摩擦角為25.9°；模型試驗建渣土工袋的填充物為50%的混凝土塊和50%的磚塊，填充度為80%；模型試驗采用的土工格柵為高密度聚乙烯雙向拉伸塑料；模型試驗所用的土工袋尺寸為110mm×204mm，土工袋材料采用綠色環保的高聚物綠色編織袋，其極限抗拉強度≥30kN/m，斷裂伸長率≤30%；建渣土工袋如圖1所示。

圖1 建渣土工袋

1.2 模型槽設計

根據擋土墻的結構原型與試驗模型的相似比為4∶1，模型槽尺寸為2.43m×1.06m×1.60m(長×寬×高)，模型槽材料采用I12和I14焊接而成，模型槽框架的三面用相同角鋼進行加固處理。模型槽擋板材料側邊兩面使用木板，正面由2.43m×1.60m×15mm(長×寬×厚)的鋼化玻璃代替，方便觀察加載過程中擋土墻的破壞變化，如圖2所示。

圖3 3種不同工況擋土墻模型設計

圖2 模型槽示意

1.3 模型設計

本試驗擋土墻的坡比為1∶0.5，土坡高度為1.5m，擋土墻長度為1m，擋土墻支護寬度為0.37m條件下，統一在擋土墻模型的頂部緊挨著建渣土工袋處施加0.9m×0.5m均布荷載，研究反包式建渣土工袋擋土墻的承載性狀效果(見圖3)。

1.4 測試元件布設

在擋土墻坡頂加載區域的荷載板上布設百分表(50mm)用于測量坡頂的豎向沉降位移；為測得不同擋土墻邊坡高度的墻面水平位移，在水平方向沿擋土墻向上高度布設5排百分表，在每排布設2個百分表，共需10個百分表，百分表量程為30mm和50mm；在擋土墻邊坡土體的邊緣10cm處布設12只100kPa微型應變式土壓力盒，用于測量模型試驗中建渣土工袋擋土墻及反包式建渣土工袋擋土墻的側向土壓力；測試元件布設如圖4所示。

圖4 測試元件布設

1.5 加載裝置

試驗采用較為方便實施的杠桿加載，杠桿比例為1∶7，擋土墻邊坡頂面為加載區域，在加載過程中為防止受力分布不均勻，設置2塊加載鋼板，其尺寸為0.9m×0.5m×10mm，0.3m×0.3m×20mm(長×寬×厚)，加載裝置如圖5所示。

圖5 模型加載裝置

對擋土墻坡頂進行分級加載作用，每級施加3kPa均布荷載，直至擋土墻出現明顯鼓出變形時停止加載；加載過程中，每10min測定1次數據，其中包括觀測和記錄坡頂的沉降位移及擋土墻坡面的水平位移，直至數據穩定再進行下一級加載。

試驗過程中，均布荷載保持不變或有所減小時，坡頂沉降迅速增大或出現明顯嚴重鼓出變形時，此時坡頂荷載稱為坡頂破壞荷載，坡體發生破壞，停止加載，試驗結束。

2 模型試驗結果分析

2.1 坡頂沉降位移分析

3種不同工況下(工況1～3)擋土墻的坡頂均布荷載與坡頂沉降位移關系如圖6所示。

表1 工況1～3坡頂均布荷載與坡頂沉降位移關系

圖6 工況1～3的坡頂均布荷載與坡頂沉降關系

由圖6可得出：在加載初始階段，土體逐漸在荷載作用下被壓實，3種不同工況下的坡頂沉降位移均變化較大；隨著坡頂均布荷載的不斷增大，土體已密實，擋土墻的坡頂沉降位移變化幅度減小。與天然土坡和建渣土工袋擋土墻相比，反包式建渣土工袋擋土墻結構坡頂承受的均布荷載增大；且在相同均布荷載作用下，坡頂沉降位移減小。

3種不同工況下(工況1～3)擋土墻的坡頂均布荷載與坡頂沉降位移關系如表1，2所示。

表2 工況2，3坡頂均布荷載與坡頂沉降位移關系

由表1，2可看出，天然土坡(工況1)在坡頂豎直向下的均布荷載作用下，當荷載加載到15kPa時，天然土坡坡面出現明顯鼓出變形，坡頂最終沉降位移為28.51mm；建渣土工袋擋土墻(工況2)均布荷載加載到30kPa時，建渣土工袋擋土墻嚴重鼓出變形，建渣土工袋擋土墻坡頂的最終沉降位移為49.23mm；加筋長度0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)在加載過程中擋土墻的坡頂沉降位移與建渣土工袋擋土墻的加載結果相似，坡頂破壞荷載為45kPa時，加筋長度0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻出現嚴重鼓出變形，擋土墻的坡頂沉降位移為52.59mm。

由表1，2還可看出，在相同坡頂荷載作用下，建渣土工袋擋土墻和加筋長度為0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻的坡頂沉降位移相較于天然土坡擋土墻要小；在天然土坡坡頂破壞荷載15kPa時，相較于天然土坡擋土墻，建渣土工袋擋土墻的沉降位移降低31.4%，加筋長度0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻的坡頂沉降位移降低44.0%。

2.2 墻面水平位移分析

天然土坡(工況1)的邊坡墻面中間的水平位移沿擋土墻向上高度的變化規律如圖7a所示。由圖7a可知，在坡頂均布荷載作用下，由于天然土坡的邊坡坡面無任何加固措施，隨著坡頂均布荷載的不斷增大，天然土坡坡面的水平位移隨著擋土墻高度向上方向呈現先增大后減小的變化規律。

建渣土工袋擋土墻(工況2)的邊坡墻面水平位移沿擋土墻向上墻高度的變化規律如圖7b所示。由圖7b可看出，建渣土工袋擋土墻的墻面水平位移在最開始加載階段的墻面水平位移并不大，隨著坡頂荷載不斷增大，墻面水平位移也逐漸增大；在均布荷載為28.56kPa時最大，在沿擋土墻向上高度1/2～2/3處出現墻面最大水平位移，在高度越過1/2～2/3處時墻面水平位移逐漸減小，可知建渣土工袋擋土墻的墻面水平位移呈鼓形分布，墻面水平位移的變化規律為沿擋土墻向上高度先增大后減小。

加筋長度為0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)墻面水平位移沿擋土墻向上高度的變化規律如圖7c所示。由圖7c可知，在開始加載階段，反包式建渣土工袋擋土墻在土工格柵建渣土工袋的加固作用下，土工袋對土體邊坡的約束及土工格柵對土體有一定的嵌鎖和咬合作用，從而使得反包式建渣土工袋擋土墻的墻面水平位移較小；隨著坡頂均布荷載的增大，墻面水平位移逐漸增大。與工況2的變化規律相似，工況3的墻面水平位移變化規律也呈鼓形分布。

3種不同工況下(工況1～3)擋土墻的坡頂破壞荷載與邊坡墻面水平位移關系如表3所示。

圖7 工況1～3墻面水平位移

表3 工況1～3的坡頂破壞荷載與墻面水平位移關系

由表3可知，在坡頂破壞荷載情況下，3種工況的墻面水平位移均為先增大后減小趨勢，工況1的最大水平位移在沿擋土墻向上高度105mm處最大，工況2，3的墻面水平位移在沿擋土墻向上高度75mm處最大，其中加筋長度為0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)的邊坡墻面水平位移在3種不同工況中最大。若以天然土坡擋土墻(工況1)的邊坡墻面水平位移為基準水平位移，建渣土工袋擋土墻(工況2)的墻面水平位移比占基準水平位移平均高129.6%左右，加筋長度為0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)的邊坡墻面水平位移比占基準水平位移平均高177.4%左右，加筋長度為0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)的邊坡墻面水平位移比建渣土工袋擋土墻(工況2)的墻面水平位移平均高47.8%左右。

2.3 側向土壓力分析

建渣土工袋擋土墻(工況2)和0.9m加筋長度的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)的墻后側向土壓力分布曲線如圖8所示。

圖8 工況2，3擋土墻的墻后側向土壓力分布

由圖8可知，工況2與工況3擋土墻墻后側向土壓力呈三角形分布，且在1/3～2/3處時擋土墻側向土壓力最大。結合擋土墻的墻面水平位移分析，同一擋土墻高度處產生的最大側向土壓力處與墻面最大水平位移處均出現在沿擋土墻向上高度1/3～2/3處。

為建渣土工袋擋土墻(工況2)和0.9m加筋長度的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)的墻后側向土壓力如表4所示。

由表4可知，工況2，3的擋土墻墻后側向土壓力都是先增大后減小的規律，在沿擋土墻向上高度50mm處，工況2，3的墻后側向土壓力最大；同時可看出工況3占工況2的墻后側向土壓力百分比呈先減小后增大趨勢，在沿擋土墻向上高度50mm處，即工況2，3墻后側向土壓力最大處工況3占工況2的墻后側向土壓力百分比最小；還可知，工況3的墻后側向土壓力比工況2的墻后側向土壓力平均增大165.3%左右。

表4 工況2，3的擋土墻墻后側向土壓力

為更好地分析工況1～3擋土墻邊坡的加固效果，將3種不同工況下坡頂承受的均布荷載及同一均布荷載(12kPa)下擋土墻的坡頂沉降位移、墻面最大水平位移進行整理，如表5所示。

表5 工況1～3擋土墻邊坡對比分析

由表5可知：

1)對比工況1～3，工況1的坡頂破壞荷載為15kPa，工況2的坡頂破壞荷載為30kPa，工況3的坡頂破壞荷載為45kPa；工況3的坡頂破壞荷載比工況1提高300%左右，比工況2提高150%左右。

2)在坡頂均布荷載為12kPa時，工況1的坡頂沉降位移為20.08mm，工況2的坡頂沉降位移為15.97mm，工況3的坡頂沉降位移為12.69mm；工況3的坡頂沉降位移比工況1減小36.80%，比工況2減小20.50%。

3)在坡頂均布荷載為12kPa時，工況1的墻面最大水平位移為9.36mm，工況2的墻面最大水平位移為3.56mm，工況3的墻面最大水平位移為2.36mm；工況3的墻面最大水平位移比工況1減小74.79%，比工況2減小33.71%。

3 結語

1)反包式建渣土工袋擋土墻結構能增強擋土墻后土體的承載力，有效抑制坡頂沉降變形。當均布荷載施加到15kPa時，天然土坡嚴重鼓出變形；當施加到30kPa時，建渣土工袋擋土墻嚴重鼓出變形；當施加到45kPa時，加筋長度0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻出現嚴重鼓出變形。

2)反包式建渣土工袋擋土墻與天然土坡、建渣土工袋擋土墻相比，反包式建渣土工袋擋土墻的坡頂破壞荷載比天然土坡擋土墻提高300%左右，比建渣土工袋擋土墻提高150%左右。在相同均布荷載作用下坡頂沉降位移明顯減小；在坡頂均布荷載為12kPa時，天然土坡擋土墻的坡頂沉降位移為20.08mm，建渣土工袋擋土墻的坡頂沉降位移為15.97mm，反包式建渣土工袋擋土墻的坡頂沉降位移為12.69mm；反包式建渣土工袋擋土墻的坡頂沉降位移比天然土坡擋土墻減小36.80%，比建渣土工袋擋土墻減小20.50%。

3)反包式建渣土工袋擋土墻結構的整體性能較好，能有效抑制擋土墻墻面的側向變形。在坡頂破壞荷載情況下，建渣土工袋擋土墻(工況2)的墻面水平位移比天然土坡(工況1)墻面水平位移平均高129.6%左右，加筋長度為0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)的邊坡墻面水平位移比天然土坡(工況1)墻面水平位移平均高177.4%左右，加筋長度為0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)的邊坡墻面水平位移比建渣土工袋擋土墻(工況2)的墻面水平位移平均高47.8%左右。但在相同均布荷載作用下，反包式建渣土工袋擋土墻的墻面水平位移明顯小于天然土坡、建渣土工袋擋土墻的墻面水平位移。

4)由上述分析可知，反包式建渣土工袋擋土墻的邊坡支護效果比建渣土工袋擋土墻及天然土坡擋土墻的支護效果都要更好，為了更好地將反包式建渣土工袋擋土墻應用在實際工程中，后續可繼續深入研究不同加筋長度、不同坡比、加筋層數及加筋間距對反包式建渣土工袋擋土墻的邊坡加固效果的影響。