平動模式下墻后有限無粘性填土破壞試驗研究

陳豪彪，蘇文輝，廖煒明，陳建輝

(1.福州大學土木工程學院，福建 福州 350108； 2.福建省祿盛市政園林有限公司，福建 廈門 361000； 3.福建領航園林工程有限公司，福建 龍巖 366200； 4.廈門高青園林綠化工程有限公司，福建 廈門 361000)

1 引言

隨著城市建筑物的密集化，在建設過程中常常遇到擋土墻后為有限填土的情況，此時已不滿足傳統Rankine和Coulomb理論中半無限土體的假設。近年來，已有不少關于土壓力理論研究成果，但大多采用假定的滑動面形式和角度進行分析。Fan和Fang針對剛性擋土墻后狹窄填土進行了數值模擬。應宏偉等運用ABAQUS研究鄰近已有地下室外墻填土破壞問題，發現寬高比不同時，有限填土內將產生一道或多道滑動面。楊明輝等進行了平動模式下的有限填土模型試驗，觀察土體的破壞過程，但試驗中沒有觀察到多道滑動面。針對上述情況，設計了可模擬不同復雜工況的模型箱，開展擋墻平動模式下的主動土壓力模型試驗。

2 模型試驗模型與試驗過程

模型箱采用不銹鋼焊接而成，如圖1所示,內側尺寸為長1200×寬720×高×1200 mm。箱體主要包括移動擋墻、固定擋墻和填土區三部分，前者模擬擋土墻，固定擋墻模擬已建建筑物外墻。移動擋墻和固定擋墻均是不銹鋼板。移動擋墻的運動由左側移動桿控制，固定擋墻由四道相互平行的支撐桿支撐并用螺栓固定。固定擋墻與固定擋墻底板用軸承連接，通過調節轉動軸承，可改變固定擋墻的傾角，底板與箱體底板用螺栓進行固定。擋墻變位模擬裝置主要由電機、移動桿和電控箱三個主要構件組成。擋墻的運動由電機控制，電機運轉帶動移動桿運動的同時，擋墻也緩慢移動。

圖1 模型箱示意圖

數據采集主要包括土壓力數據、擋土墻面板位移數據和試驗圖像。傳感器的傳輸線與數據采集儀相連，通過數據線連接電腦，開啟數據采集軟件用以接收試驗數據。試驗圖像通過高清數碼相機采集。在移動擋墻和固定擋墻中線垂直布置十個土壓力傳感器。距離擋墻底部300 mm處水平對稱布置四個土壓力傳感器，間距為100 mm。土壓力傳感器量程為0～10 kPa。在距離箱體底板450 mm、650 mm和1000 mm處各設置一個位移傳感器。最終位移量取三個位移傳感器測量的平均值。在模型箱有鋼化玻璃前方搭建三腳架固定數碼相機進行試驗的間隔定時拍攝，觀察并記錄擋墻平動位移模式下的有限寬度填土變形破壞的全過程。LED光源在試驗填土正前方對稱布置，并呈45°角照射。通過高清數碼相機拍攝一系列試驗圖像后，運用PIV分析軟件對圖像進行處理，捕捉圖像中土顆粒的運動軌跡，獲得土體顆粒的位移變化和剪切破壞過程。

試驗填土選用福州砂。通過室內實驗確定砂土的基本力學參數為：重度14.51 kN/m3、內摩擦角30.16°、相對密實度為40.5、不均勻系數為2.44、曲率系數為1.14以及顆粒比重為2.65。

采用控制變量法控制移動擋的位移。變量主要包括填土寬高比B/H、移動擋墻傾角β1和固定擋墻傾角β2。在平動位移模式下預計擋墻位移量為0.001H～0.002H時，填土達到主動極限破壞狀態。試驗時控制擋墻位移達到0.01H再停止運動，保證填土完全破壞。

3 試驗結果分析

3.1 不同擋墻位移量下的變形分析。

以寬高比為0.1的試驗分析結果為例，填土高度為1 m，兩側邊界豎直（β2=β2=90°），在填土表面添加混凝土塊作為均布超載，均布超載q 約為1.6 kPa。采用變形前網格進行繪圖，不同Sx下填土剪應變變化如圖2所示。擋墻平動模式下，隨著擋墻位移量的增大，滑動面逐漸顯現，剪切破壞程度逐漸加深，滑動面形態表示為一定寬度的剪切帶。在寬高比為0.1的情況下（圖2），共觀察到四道“反射式”滑動面，第一道滑動面與第三道滑動面與水平面的夾角近似，約為69°。第二道滑動面與第四道滑動面與水平面的夾角近似，約為62°。當Sx=2 mm時，可以看出滑動面基本形成，此時位移量約為0.2%H。隨著擋土墻繼續平行移動，剪切變形程度加深，但對破壞形式不產生太大影響。

圖2 不同Sx下填土剪應變變化 (B/H=0.1)

3.2 寬高比對破壞模式的影響

為觀察填土破壞形態，將拍攝圖像導入PIV軟件中進行圖像分析。選取擋土墻水平位移Sx=8 mm的填土破壞圖像進行分析。圖3為隨不同寬高比變化的有限填土剪切變形，εs為剪應變。墻踵開始發展的滑動面稱為第一道滑動面，滑動面與兩側邊界（擋土墻和自然坡面）的交點稱為“反射點”。填土高度不變時有限填土寬度的變化產生不同破壞形式。兩側邊界的限制是擋墻平動模式下有限填土內部產生多道滑動面的主要原因，B/H=0.1時最多產生四條明顯的剪切帶。隨著寬高比的增大，第一道滑動面與右側自然坡面的“反射點”越靠近填土面，直至第一道滑動面貫通整個填土區域。B/H≥0.5時第一道滑動面延伸至填土面，因滑動面與自然坡面的間距很小，滑動面與自然坡面間的土體難以保持穩定狀態，形成二次滑動并最終組合成一條剪切帶。

圖3 不同寬高比下的填土破壞模式 (Sx=8mm)

當有限填土寬度極其狹窄，兩側邊界限制作用明顯，第一道滑動面與水平方向的夾角較大，并產生多次“反射”現象。隨著寬高比的不斷增大，滑動面夾角基本穩定在60°。若有限填土寬度足夠大，最終只產生一道滑動面，第一道滑動面以上為塑性區，第一道滑動面以下為穩定區。此時可近似為半無限填土狀態，滑動面傾角約為64.74°，有限填土與半無限填土分界的臨界寬度約為0.46H。

3.3 擋土墻傾角對破壞模式的影響

圖4表示不同擋土墻傾角下的填土破壞模式。從圖4中可以看出，β1從75°變化到90°的過程中，滑動面由兩道逐漸增加為三道。當β1分別取75°、80°、85°和90°時，第一道滑動面與自然坡面的交點分別位于0.2H、0.4H、0.45H和0.5H高度處，交點位置隨β1的增大而下移。第一道滑動面與自然坡面的交點位置隨β1的增大而下移。隨著β1的減小，填土區域擴展成梯形，填土與移動擋墻接觸更為緊密，滑動面傾角逐漸增大。

圖4 不同擋土墻傾角下的填土破壞模式 (Sx=8mm)

3.4 自然坡面傾角對破壞模式的影響

圖5表示不同自然坡面傾角下的填土破壞模式。β2從90°減小到75°的過程中，滑動面由三道逐漸減小到一道，最終由第一道滑動面貫穿整個填土區域。隨著β2的減小，填土區向右擴展，第一道滑動面與自然坡面交點的位置逐漸上移。當β2=75°時，第一道滑動面與自然坡面已不存在交點。由于滑動面與自然坡面的間距很小，介于兩者中間的填土無法保持穩定，將產生二次滑動。

圖5 不同自然坡面傾角下的填土破壞模式 (Sx=8mm)

β2的變化對滑動面傾角的影響較小。在β1<90°的情況下，滑動面傾角均在58～63°范圍內，接近傳統滑動面傾角的理論值45°+1/2φ。只有β2=90°時，出現第三道滑動面的反射現象。

4 結語

（1）在填土高度不變時，有限填土寬度的變化將產生不同破壞形式。隨著寬高比的增大，滑動面數目逐漸減少。當寬高比為0.6時只有一道滑動面延伸至填土面，此時可作為半無限土體處理。

（2）擋土墻傾角β1從90°減小到75°的過程中，滑動面由三道逐漸減小到兩道，第一道滑動面與自然坡面的交點位置隨β1的增大而下移。隨著β1的減小，填土區域擴展成梯形，作用在擋土墻上的豎向分力越大，擋土墻和自然坡面所受的土壓力隨之增大，土壓力呈非線性分布。第二道滑動面并未反射到擋土墻產生二次“反射”，而是延伸至填土表面。

（3）自然坡面傾角β2從90°減小到75°的過程中，滑動面由三道逐漸減小到一道，最終由第一道滑動面貫穿整個填土區域。隨著β2減小，填土區域向右擴展，第一道滑動面與自然坡面交點位置逐漸上移。