基于砂箱模型試驗的加筋土擋墻最優(yōu)布筋方式探究

徐良付

為了最大程度的發(fā)揮加筋土擋墻抵抗土壓力的能力，我們需要研究出最優(yōu)的布筋方式，為此，我們開展了以信封紙作為加筋材料的砂箱模型試驗，測定了加筋材料以及填料的物理力學(xué)性能后，分析了布筋密度，筋帶寬度及長度等因素對加筋土擋墻穩(wěn)定性的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，我們通過有限元分析結(jié)合試驗探討了加筋方向?qū)咏钔翐鯄Ψ€(wěn)定性的影響。探究表明，在一定的用筋量條件下，采用“窄筋密布”、“窄筋長布”、“錯位布筋”、“上長下短”的布筋方式，能顯著提高加筋土擋墻的穩(wěn)定性，對于以自重為主的加筋土擋墻，設(shè)置10°左右的下傾角筋條，也能提高擋土墻的穩(wěn)定性。

加筋土是在土中加入拉筋，利用拉筋與土之間的摩擦作用，改善土體的力學(xué)性能和提高土體的整體結(jié)構(gòu)性，從而達(dá)到穩(wěn)定土體的作用。加筋土擋墻由填料和在填料中布置的拉筋，以及擋土面板三部分組成?，F(xiàn)有的設(shè)計理論和規(guī)范，主要解決加筋土擋墻的穩(wěn)定問題。由于加筋土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加筋土理論還大大落后于工程實(shí)踐，加筋土擋墻在工程應(yīng)用中仍存在許多問題，為此，我們專門開展了加筋土擋墻最優(yōu)布筋方式以及布筋方向的探究。

模型試驗材料及參數(shù)

填料：干燥清潔粗砂，容重，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，，顆粒級配良好；

加筋材料：信封用牛皮紙，試驗測得其寬度為0.5cm的抗拉強(qiáng)度。

試驗設(shè)計思路

1. 基本假定

墻墻后填土為砂土（黏聚力c≈0）；

擋墻墻后土體達(dá)到主動極限狀態(tài)時，土體形成滑動楔體[2]；

模型墻體承受的土壓力符合線性分布；

筋土之間的摩擦系數(shù)隨填土密實(shí)度變化。

根據(jù)朗肯土壓力理論，計算得砂箱模型擋土墻的主動土壓力分布及填砂破裂面形狀位置，如圖2所示，

2.設(shè)計思路

基于加筋用量最小的加筋土擋墻最優(yōu)布筋方式，主要受筋帶長度、筋帶寬度和布筋密度三個變量的共同影響，其中，筋帶長度、筋帶寬度、布筋密度為獨(dú)立變量，而筋帶總面積為非獨(dú)立變量，因此，我們運(yùn)用控制變量的方法，來確定最小布筋面積。

而對于布筋方向，同樣可以采用控制變量的方法，通過計算機(jī)編程對土體的穩(wěn)定性進(jìn)行有限元分析，從而得出不同情況下最優(yōu)傾斜角度。

模型試驗探究加筋土擋墻最優(yōu)布筋方式以及布筋方向

1.最佳長度試驗探究

筋帶長度的選擇主要考慮不同的層與層之間筋帶的長度，為此我們首先確定了四種方案，a，上下等長，b，上短下長，c，上長下短，d，上下等長，適當(dāng)加大中間層長度。通過圖2的填土破裂面，我們知道擋墻破壞時的理論破裂面是從擋墻底端起，沿拋物線形式向上和向里擴(kuò)展的，因此，a和b方案就顯得很不經(jīng)濟(jì)了，在考慮c，d方案的時候，我們在導(dǎo)師的幫組下用相應(yīng)的軟件進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)，雖然d方案能使墻后更多的土體受到擾動，產(chǎn)生應(yīng)變，也就是說可以提供更大的對擋墻的拉力，防止擋墻破快，但前提是，需要更多的筋帶，綜合考慮起來也是不經(jīng)濟(jì)的，因此，我們最后確定了c方案為比較合理的布筋方式。

2. 最佳寬度試驗探究

為了確定最合理的筋帶寬度，我們想到了一個很好的辦法，我們用彈簧拉力計測試相同埋置深度，相同長度，不同寬度的筋帶從沙土中勻速拔出來時的力，并用這個力除以筋帶的面積，我們定義為“比強(qiáng)度”，這樣，只要找到比強(qiáng)度較大時所對應(yīng)的寬度，即為合理并且經(jīng)濟(jì)的寬度，通過一番試驗之后，我們最終確定了寬度在0.3cm到0.5cm的寬度是比較合理的。即選用“窄筋“布置時，比強(qiáng)度相對較大，寬度比較合理。

3.最優(yōu)布筋密度的試驗探究

在最初做實(shí)驗的時候，為了最大程度簡化試驗影響因素，我們都才用了“寬筋疏布”的方式來布置筋帶，這樣顯然也是不合理的，因為擋墻的剛度并不是很大，他需要一個比較均勻的力，即在擋墻的每一點(diǎn)都能提供有效拉力，從而防止發(fā)生過大變形而破壞，所以，選擇“疏布”筋帶就顯得很不合理了。

為了解決這個問題，我們確定了兩種試驗思路，一方面，選擇“密布”的同時，縮小筋帶的寬度，從而有效的控制筋帶的用量；另一方面，我們選擇“錯位布筋”的方式，即最大限度的減小擋墻的受力空白區(qū)。從而時期能夠有效的抵抗墻后土壓力的同時，不產(chǎn)生過大的繞度或者變形。

在確定了實(shí)驗思路后，我們進(jìn)行了大量的試驗，并將觀察結(jié)果記錄于表1。最后我們確定了“窄筋密布”“錯位布筋”為最優(yōu)布筋方法。

4. 布筋方向的試驗探究

在實(shí)際工程中，常因種種需要而采用傾斜布筋的方式，就粘著破壞條件而言，設(shè)置一定角度的向下傾斜的角度的筋條，可使作用在筋條表面的摩擦力對應(yīng)的法向力作用位置降低，從而可以提高加筋土的強(qiáng)度，為此，我們通過等梯度連續(xù)設(shè)置不同的傾斜角度，使用計算機(jī)編程進(jìn)行有限元計算，繪出圖3所示的擋土墻穩(wěn)定性安全系數(shù)曲線，從曲線走勢可以看出，當(dāng)荷載中超載所占的比例大時， 筋條水平布置， 其效果更好； 而當(dāng)其自重占的比例大時，設(shè)置10°左右的下傾角，其穩(wěn)定性更好。

結(jié)論

應(yīng)用控制變量的方法，通過對影響加筋土擋墻穩(wěn)定性的布筋密度，筋帶寬度及長度等因素的試驗探究，我們得出了基于最小布筋面積的最優(yōu)布筋方式，總結(jié)來說，即“窄筋密布”、“窄筋長布”、“錯位布筋”、“上長下短”的布筋方法，能顯著提高加筋土擋墻的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，我們通過等梯度連續(xù)設(shè)置不同的傾斜角度，使用計算機(jī)編程進(jìn)行有限元計算，繪出土擋墻穩(wěn)定性的安全系數(shù)曲線，從曲線走勢可以看出，當(dāng)荷載中超載所占的比例大時， 筋條水平布置， 其效果更好； 而當(dāng)其自重占的比例大時，設(shè)置10°左右的下傾角，則能提高擋土墻的穩(wěn)定性。

（作者單位：中南大學(xué)土木工程學(xué)院）