模塊式加筋土擋墻試驗(yàn)研究現(xiàn)狀及展望

苗宇龍 張 琬

(1.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710064； 2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

加筋土擋墻按墻面類(lèi)型可分為筋材反包式墻面、木質(zhì)墻面、電焊鐵絲網(wǎng)、格賓式、預(yù)制混凝土整體墻面、現(xiàn)澆混凝土整體墻面、混凝土模塊式加筋土擋墻[1]。其中模塊式加筋土擋墻最為經(jīng)濟(jì)，且外形美觀，抗變形能力強(qiáng)，于20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始在工程中應(yīng)用，發(fā)展迅速，至今已被廣泛用于鐵路、公路、水利、城建等領(lǐng)域，美國(guó)混凝土產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)為其編寫(xiě)了專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)規(guī)范。

模塊式加筋土擋墻的墻面采用干澆法預(yù)制的小尺寸混凝土塊體堆疊干砌而成，各模塊間通過(guò)凹凸槽、插銷(xiāo)等連接，筋材與模塊間的連接分為摩擦式連接和機(jī)械式連接兩種。墻趾模塊置于一混凝土或碎石制成的水平基座上，基座埋于地基土中。圖1為一模塊式加筋土擋墻典型剖面圖。相對(duì)于其他類(lèi)型的加筋土擋墻依靠筋材與填土之間摩擦力來(lái)平衡墻面板所受的水平土壓力，模塊式加筋土擋墻在此基礎(chǔ)上又增加了墻趾界面間、墻面模塊間、墻面模塊與筋材間的界面摩擦來(lái)共同承擔(dān)水平土壓力，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所以其作用機(jī)理也更為復(fù)雜。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)模塊式加筋土擋墻的工作機(jī)理進(jìn)行了研究，并取得了一系列研究成果。本文從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)模型試驗(yàn)兩方面系統(tǒng)闡述國(guó)內(nèi)外模塊式加筋土擋墻的研究現(xiàn)狀，并對(duì)今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

Yoo等[2]對(duì)一7.4 m高模塊式加筋土擋墻在建成三個(gè)月后倒塌的原因進(jìn)行了調(diào)查，認(rèn)為擋墻不滿(mǎn)足現(xiàn)有規(guī)范的設(shè)計(jì)要求、填土性質(zhì)不良和雨水滲入加筋體是擋墻倒塌的三個(gè)主要原因。

楊廣慶等[3]對(duì)一剛性基礎(chǔ)上的雙級(jí)模塊式加筋土擋墻進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)研究，分析了施工期及竣工后1.5年期間各級(jí)擋墻加筋體底部豎向土壓力、墻面板背部側(cè)向土壓力和筋材應(yīng)變分布規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：剛性基礎(chǔ)上加筋體底部垂直土壓力最大值靠近墻面位置，而柔性基礎(chǔ)上加筋體底部垂直土壓力最大值靠近拉筋尾部；施工期間加筋土擋墻墻背側(cè)向土壓力沿墻高呈曲線(xiàn)分布，其值遠(yuǎn)小于主動(dòng)土壓力，竣工后隨時(shí)間延續(xù)逐步減??；施工期各測(cè)試層的筋材應(yīng)變最大值均小于0.4%，竣工后筋材應(yīng)變基本無(wú)明顯變化。

Allen等[4，5]對(duì)采用K—?jiǎng)偠确ㄔO(shè)計(jì)的6.3 m和11 m高的模塊式加筋土擋墻進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：相較于采用AASHTO方法[6]設(shè)計(jì)的擋墻，采用K—?jiǎng)偠确╗7]設(shè)計(jì)的擋墻其筋材用量可節(jié)省35%～50%，且采用K—?jiǎng)偠确ㄓ?jì)算的各層筋材拉力值更接近實(shí)測(cè)值。

Riccio等[8]對(duì)一4.2 m高、粘土作為填土的模塊式加筋土擋墻進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)了筋材拉力、加筋體的水平和豎向位移、墻面模塊間水平位移和受力，并與理論分析以及有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明：對(duì)于粘性填土模塊式加筋土擋墻，朗肯主動(dòng)土壓力法和K—?jiǎng)偠确ǖ慕畈睦τ?jì)算值分別為負(fù)值和接近于0，而實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)大于兩者計(jì)算值，Leshchinsky[9]所提出的筋材拉力計(jì)算法因沒(méi)有考慮粘性填土的情況而與實(shí)測(cè)值不符；模塊界面上的豎向荷載總是大于其上模塊總重量，這是由于填土的豎向應(yīng)力通過(guò)與填土與模塊的界面摩擦傳遞到模塊上。

周亦濤等[10]對(duì)一由L型擋土墻與加筋土擋墻形成的多級(jí)加筋土復(fù)合式擋墻進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。該擋墻分三級(jí)，中上級(jí)為模塊式加筋土擋墻，底級(jí)為L(zhǎng)型加筋土擋墻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：模塊式加筋土擋墻的加筋土體底部豎向土壓力沿筋長(zhǎng)方向起初呈線(xiàn)性分布且大小基本相同，但隨著填土厚度的增大而呈明顯的非線(xiàn)性分布，且出現(xiàn)雙峰值；模塊式加筋土擋墻的墻背側(cè)向土壓力沿墻高、拉筋應(yīng)變沿筋長(zhǎng)方向均呈非線(xiàn)性分布，且實(shí)測(cè)值均較小。

2 模型試驗(yàn)研究

Bathurst等[11]進(jìn)行了四組基于剛性地基的加筋土擋墻室內(nèi)足尺試驗(yàn)，其中三組為模塊式加筋土擋墻，一組為筋材反包加筋土擋墻。試驗(yàn)結(jié)果表明：筋材與墻面之間的連接力為筋材的最大拉力；墻趾承擔(dān)了大部分的墻背水平土壓力，但現(xiàn)有規(guī)范沒(méi)有考慮墻趾作用而是采用傳統(tǒng)土壓力理論計(jì)算筋材拉力，導(dǎo)致規(guī)范方法過(guò)于保守。

Bathurst等[12]采用足尺模型試驗(yàn)對(duì)比了模塊式加筋土擋墻和反包式加筋土擋墻的性狀，以研究墻面剛度對(duì)擋墻性狀的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型建成后和加載后柔性墻面擋墻的筋材最大拉力分別為模塊式擋墻的3.5倍和2倍，AASHTO方法計(jì)算的模塊式加筋土擋墻的筋材拉力為實(shí)測(cè)值的1.5倍，這說(shuō)明硬質(zhì)墻面作為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元可以顯著減小筋材拉力，AASHTO方法沒(méi)有考慮墻面作用而高估了模塊式擋墻的筋材拉力。然而，Leshchinsky等[13]對(duì)此試驗(yàn)中固定約束的擋墻墻趾是否符合實(shí)際提出了疑問(wèn)，Bathurst等[14]回應(yīng)：實(shí)際工程中，模塊式加筋土擋墻墻趾界面間的摩擦阻力和埋置墻趾的土體提供了墻趾的側(cè)向約束，試驗(yàn)中對(duì)墻趾施加的固定約束即對(duì)應(yīng)此約束。

Ehrlich等[15]進(jìn)行了兩組基于剛性地基的模塊式加筋土擋墻室內(nèi)足尺試驗(yàn)，對(duì)兩組擋墻的填土分別采用輕型和重型手動(dòng)夯實(shí)機(jī)進(jìn)行壓實(shí)，以分析土體壓實(shí)度對(duì)擋墻性狀的影響。研究結(jié)果表明：填土壓實(shí)度對(duì)筋材拉力有顯著影響，重型壓實(shí)的擋墻墻面筋材連接力小于輕型壓實(shí)擋墻，其建成后的筋材拉力卻遠(yuǎn)大于輕型壓實(shí)擋墻；填土壓實(shí)度越大，筋材最大拉力位置越靠近墻面；壓實(shí)度大小所造成的擋墻性狀差別隨墻頂荷載的增加而減小。

Ehrlich等[16]采用室內(nèi)足尺模型試驗(yàn)將一模塊式加筋土擋墻和一筋材反包加筋土擋墻進(jìn)行對(duì)比，以研究墻面剛度和墻趾阻力對(duì)擋墻性狀的影響。研究表明：墻趾無(wú)約束時(shí)，筋材拉力幾乎不受墻面剛度影響，而墻趾固定約束時(shí)，筋材拉力隨墻面剛度增大而減小；不論墻面剛度大小，固定約束擋墻的各層筋材最大拉力以及墻趾荷載的總和幾乎保持恒定，且大于無(wú)約束擋墻；固定約束和無(wú)約束擋墻性狀的差別可能由于固定約束擋墻的水平位移更小而導(dǎo)致。

Xiao等[17]進(jìn)行了一系列模塊式加筋土橋臺(tái)的室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究墻頂條形荷載下荷載距墻面位置、荷載寬度、筋材長(zhǎng)度、筋材與墻面連接模式對(duì)擋墻承載能力的影響。研究結(jié)果表明：對(duì)于筋材與墻面機(jī)械連接和摩擦連接的擋墻，其承載能力分別在墻頂條形荷載距墻面0.3倍和0.4倍墻高處最大；滑動(dòng)面都是從條形荷載的邊緣開(kāi)始發(fā)展并穿過(guò)墻面；條形荷載下模塊式加筋土擋墻的滑動(dòng)面與基于極限平衡理論的Spencer鍥形體法結(jié)果吻合。

3 結(jié)論與展望

本文對(duì)模塊式加筋土擋墻試驗(yàn)研究現(xiàn)狀作了較為詳細(xì)的綜述，發(fā)現(xiàn)研究對(duì)象多集中在墻面、筋材和填土對(duì)擋墻性狀的影響，對(duì)墻趾作用的研究較為有限。然而，墻趾對(duì)擋墻穩(wěn)定性影響顯著，是模塊式加筋土擋墻設(shè)計(jì)中一個(gè)不可忽視的因素?，F(xiàn)有墻趾作用研究都是基于剛性地基上的加筋土擋墻，墻趾的水平約束由一個(gè)線(xiàn)彈性約束充當(dāng)，這與實(shí)際情況顯然不符，且這種理想化的約束條件會(huì)放大墻趾對(duì)墻背水平土壓力的貢獻(xiàn)，故需要對(duì)實(shí)際模塊式加筋土擋墻墻趾約束機(jī)理進(jìn)行研究，并提出合理的擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算方法。