高速公路改擴建裝配式懸臂式擋土墻現場力學性能試驗研究

李曉華

摘 要：依托廣東省某高速公路改擴建項目，開展裝配式懸臂式擋土墻現場力學性能試驗研究，探究懸臂式擋土墻在施工期土側壓力和施工車輛荷載作用下裂縫發展規律、破壞歷程和破壞模式，為施工期懸臂式擋土墻施工荷載的控制提供標準。

關鍵詞：懸臂式擋土墻;力學性能試驗;裂縫發展;破壞模式

0 引言

預制化、裝配化是現代工程建設的發展方向，是提高工程結構施工質量和效率、降低現場施工人員勞動強度的重要途徑。對于擋土墻而言，許多工程技術人員與學者也嘗試進行預制化、裝配化[1]。擋土墻的預制裝配化是指通過專用模具進行對擋墻構件工廠化預制生產、標準化養護，達到強度后運輸到施工現場后進行裝配成型，實現擋土墻構件設計標準化、生產工藝標準化、現場施工機械化。與現澆注結構相比，當需求量比較大時裝配式擋土墻不僅具有質量保證，同時具有良好的經濟和生態效益。在公路、鐵路、市政、水利等行業，擋土墻往往都是線性工程，不僅需要量大，而且結構性單一，具備預制裝配化基礎[2]。

本文依托廣東省某高速公路改擴建項目，開展懸臂式裝配擋土墻的現場力學試驗研究，探究裝配式擋土墻在施工期荷載作用下的受力特點、破壞歷程和破壞模式，為施工期擋土墻荷載控制提供標準。

1 現場試驗

1.1 試件制作

面板高度3.0 m，厚度0.25 m，寬度3.0 m，底板長度2.1 m，

厚度0.3 m，寬度3.0 m，在底板與面板相交部位設0.3 m×0.3 m

的直倒角。面板內受拉主筋為Φ22@100 mm，受壓主筋為Φ12@100 mm，水平分布鋼筋為Φ12@150 mm，面板與底板相交倒角內布置Φ12@100 mm的斜鋼筋，底板主筋為Φ16@100 mm。

1.2 施工工況分析

（1）土側壓力。采用朗金（Rankine）土壓力理論[3]分析土體對擋土墻的作用。取墻后填土為碎石土等粗粒土，內摩擦角取ψ=35°，粘聚力取c=0，填土重度取γ=19 kN/m3。

主動土壓力系數：

（1）

取擋土墻高度H=2.7 m，計算得到主動土壓力值（每延米）為：

（2）

合力作用點距離墻底位置：

（3）

填土側壓力產生的墻底剪力（3 m節段寬，取b=3 m）：

（4）

填土側壓力產生的墻底彎矩：

（5）

（2）施工車輛荷載。取施工時車重為。

棱體破壞長度：

（6）

則換算均布土層厚度為：

（7）

車輛荷載引起土側壓力產生的墻底剪力為：

（8）

車輛荷載引起土側壓力產生的墻底彎矩為：

? （9）

1.3 試驗流程

在試驗過程中，首先布置安裝數據采集設備并對儀器進行調零操作，之后進行預壓以消除各部件之間的裝配空隙，進行循環預加載以確保數據采集設備正常工作，之后進行先荷載控制后位移控制的加載方式進行逐級加載，每級荷載加載完成后持荷5分鐘，進行數據采集。

依據《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）計算確定擋土墻結構在施工過程中的受力狀態[4]，并利用“彎剪比相等”原則通過合適的加載方式模擬結構實際工況受力狀態。結合3.2中計算結果，加載合力點距試件底板頂面1.07 m，施工期工況加載合力設為110 kN。

2 試驗結果與討論

試驗中對懸臂式擋土墻進行了18級加載，記錄試件裂縫的開展以及最終破壞形態，懸臂式擋土墻力學試驗試件裂縫分布見表1。

由此可知：

（1）彈性階段：加載合力從0 kN加載至163.1 kN。擋土墻處于彈性變形階段，擋土墻結構位移、鋼筋應變和混凝土應變隨荷載線性變化，未出現明顯裂縫;

（2）帶裂縫工作階段：加載合力從163.1 kN至292.4 kN。當合力達到163.1 kN時面板倒角處出現第一道彎曲裂縫，結構帶裂縫工作;

（3）裂縫發展階段：加載合力從292.4 kN至538.4 kN。隨著加載合力的進一步增加，至292.4 kN時在面板倒角裂縫之上出現第二道彎曲裂縫，至369.0 kN時在底板倒角處出現第三道彎曲裂縫，底板頂面出現多道細小的裂縫，至447.5 kN時在倒角內出現第四道裂縫。

（4）破壞階段：加載合力從538.4 kN至818.8 kN。當荷載至538.4 kN時，裂縫發展完全，此后無新裂縫出現，原有裂縫隨著荷載增加寬度逐漸發展。此后擋土墻墻身水平位移明顯，加載至極限荷載時，擋土墻位移持續增加而千斤頂難以持荷，倒角內主要裂縫相互貫通，鋼筋屈服，結構達到極限狀態。

3 結論

本文得到如下結論：

（1）懸臂式擋土墻破壞過程分彈性階段、帶裂縫工作階段、裂縫發展階段與結構破壞階段，對應的加載合力分別為0 kN～163.1 kN、163.1 kN～292.4 kN、292.4 kN～538.4 kN、538.4 kN～818.8 kN。施工期擋土墻承受荷載的控制標準應低于163.1 kN，使擋土墻受荷處于彈性階段。

（2）首條裂縫出現在面板倒角處，寬度發展最快的裂縫是倒角內裂縫，底板裂縫細小且寬度發展緩慢。

參考文獻：

[1]Ripon Hore，Sudipta Chakraborty，Ayaz Mah mud Shuvon，Md.Fayjul Bari，Mehedi A.Ansary.Dyna mic Response of Reinforced Soil Retaining Wall Resting on Soft Clay[J].Transportation Infrastructure Geotechnology，2021（prepublish）.

[2]周曉靖.裝配式外階梯型鋼筋混凝土生態擋土墻研究[J].華東公路，2017（5）：101-102.

[3]Junhu Li，Wei Xue，Chao Zhang，Wenchao Zhang，Riqing Xu.Rankine earth pressure theory considering? microstructure of porous? materials[J].IOP Conference Series： Earth and Environ mental Science，

2017，94（1）.

[4]史艷，趙衛冬，吳梓敬.土坡穩定性計算[J].公路，2020，

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