砂土潮濕狀態(tài)下懸臂式擋土墻RBT模型試驗

張宏博，崔兵兵，陳 奇，孟慶宇，宋修廣

(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061; 2.山東大學(xué) 山東省路基安全工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250061)

0引 言

懸臂式擋土墻作為一種常見的支擋結(jié)構(gòu)，廣泛用于土木、水利、交通等行業(yè)的相關(guān)工程中，但在實際運(yùn)營過程中易受外界環(huán)境因素影響，不少學(xué)者[1-6]研究發(fā)現(xiàn)其位移狀態(tài)與墻背填料性質(zhì)處于動態(tài)變化過程中，多呈現(xiàn)為擋土墻平移和繞墻底轉(zhuǎn)動的組合位移(RBT)變形模式，且墻背填料經(jīng)常處于潮濕狀態(tài)。這些問題的出現(xiàn)對懸臂式擋土墻墻背土壓力的影響較大，目前經(jīng)典土壓力理論難以合理反映。國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，如王元戰(zhàn)等[7-8]系統(tǒng)地推導(dǎo)了擋土墻平移、繞墻底轉(zhuǎn)動和繞墻頂轉(zhuǎn)動時土壓力的分布，得到了位移模式對土壓力的合力無影響，但對土壓力分布和合力作用點位置影響顯著的結(jié)論。張吉全等[9]對繞墻頂轉(zhuǎn)動位移模式下的擋土墻被動土壓力進(jìn)行了研究，用水平層分析法給出了墻體繞墻頂轉(zhuǎn)動時的土壓力解析公式，并且與庫侖極限土壓力進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示：土壓力計算值小于庫侖極限土壓力，合力作用點在0.27倍墻高處。馬文國等[10-11]用水平層分析法詳細(xì)推導(dǎo)了3種位移模式下土壓力與位移的關(guān)系，得到主動、被動土壓力的解析式，并得到試驗數(shù)據(jù)的驗證。

以上研究多集中在剛性擋土墻平動位移、繞墻底轉(zhuǎn)動和繞墻頂轉(zhuǎn)動這3種典型位移模式，而對于組合位移模式RBT則研究較少。同時，關(guān)于潮濕狀態(tài)的墻背填料對土壓力影響的研究也相對較少。因此，本文設(shè)計制作了基于RBT模式的懸臂式擋土墻模型試驗裝置，開展了不同RBT轉(zhuǎn)動位移量下的模型試驗，揭示了土體潮濕狀態(tài)及RBT模式下懸臂式擋土墻墻后土壓力分布規(guī)律，其研究結(jié)果具有一定的工程應(yīng)用價值。

1方案設(shè)計

1.1模型結(jié)構(gòu)組成

[12]～[18]設(shè)計了如圖1，2所示的室內(nèi)模型試驗裝置，試驗裝置尺寸為2.4 m×1.0 m×0.8 m。懸臂式擋土墻由圍護(hù)墻、底座、位移控制系統(tǒng)及監(jiān)測系統(tǒng)組成。模型槽各部分均采用厚度為2 cm的鋼板制作而成。模型槽內(nèi)側(cè)布置有機(jī)玻璃板，用于觀察土體位移。

1.2模型填料

以含水率為4%的潮濕砂土作為研究對象。按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)要求測試填料相關(guān)的物理、力學(xué)指標(biāo)，得到墻后填土顆粒篩分曲線，如圖3所示。通過計算可知，砂土的細(xì)度模數(shù)Mx=2.435，為中砂。

通過測試得到試驗用砂的基本力學(xué)參數(shù)(表1)。

1.3試驗工況設(shè)計

本試驗采用分級加載的方式對墻體施加轉(zhuǎn)動位移，加載工況如表2所示，加載示意如圖4所示，其中，P為側(cè)向力，S為墻體位移。

表1試驗用砂的基本力學(xué)性能Tab.1Basic Mechanical Performance of Test Sand

表2分級加載工況Tab.2Graded Loading Conditions

1.4監(jiān)測方案設(shè)計

1.4.1土壓力盒的布設(shè)

為監(jiān)測不同工況下?lián)跬翂Ρ硞?cè)向土的受力特性，在懸臂式擋土墻沿高度方向間隔100 mm布設(shè)8個土壓力盒，沿?fù)跬翂χ胁孔笥覂蓚?cè)各50 mm處布設(shè)2排，土壓力盒布置如圖5所示。

1.4.2位移計的布設(shè)

為了研究懸臂式擋土墻轉(zhuǎn)動角度與側(cè)向土壓力之間的關(guān)系，在擋土墻外側(cè)布設(shè)位移計監(jiān)測墻體側(cè)向位移，在擋土墻外側(cè)兩側(cè)沿高度方向每隔0.2 m布設(shè)1個位移計，位移計布置如圖6所示。

2土壓力分布規(guī)律

2.1土壓力分布規(guī)律研究

依據(jù)模型試驗結(jié)果，繪制RBT模式下懸臂式擋土墻位移變化曲線以及墻背土壓力-位移的關(guān)系曲線，如圖7～9所示，其中H為墻體總高度，h為墻體高度，ΔSmax為墻體最大側(cè)向位移。

由圖7可知，懸臂式擋土墻發(fā)生RBT轉(zhuǎn)動時，墻身變形底部小、上部大，主要原因在于基底摩阻力的存在極大限制了擋土墻變形，因此，墻體近似于懸臂板結(jié)構(gòu)，在較小側(cè)向位移條件下，墻身變形近似線性分布。

由圖8可知，隨著墻體側(cè)向位移的增大，0～1/3H范圍內(nèi)墻背土壓力呈現(xiàn)較為明顯的先減小后增大趨勢，這與已有剛性擋土墻位移與土壓力關(guān)系的研究成果相吻合。在2/3H～H范圍內(nèi)，土壓力一直呈現(xiàn)較為明顯的衰減趨勢。結(jié)合試驗現(xiàn)象分析發(fā)現(xiàn)，由于潮濕砂土假性黏聚力的存在，造成墻背填料并未隨墻體變形而發(fā)生塑性流動，而是僅少量土體發(fā)生了側(cè)向位移，即此處出現(xiàn)了張拉裂縫。

由此可知懸臂式擋土墻達(dá)到主動極限狀態(tài)所需位移量Sc≈0.5%H，這與文獻(xiàn)中所得到的RBT位移模式擋土墻Sc為0.1%H～0.5%H相吻合。

不同墻高處土壓力如表3所示。由表3可知，在0～1/3H范圍內(nèi)隨著墻高的增加，墻背側(cè)向土壓力達(dá)到波谷所需的位移量越來越小，波谷處對應(yīng)的土壓力Pmin與初始土壓力P0的比Pmin/P0越來越小。這是由于擋土墻繞墻底轉(zhuǎn)動，擋土墻下部達(dá)到主動極限狀態(tài)所需的頂部位移量更大。中部土體脫空使得隨著墻高的增加，土壓力減小的越來越多。

由圖9可知，當(dāng)填土完成后，墻背側(cè)向土壓力沿高度近似呈直線分布，這與半無限空間體條件下靜止土壓力分布基本一致。當(dāng)墻體產(chǎn)生主動側(cè)向位移后，墻體上部由于位移量較大，墻背側(cè)向土壓力迅速衰減至主動土壓力；墻體中部由于試驗用砂為濕砂，存在假性黏聚力，當(dāng)產(chǎn)生位移后，墻后土體產(chǎn)生裂縫，中部土體脫空，因此墻體中部側(cè)向土壓力小于庫侖主動土壓力；墻體底部由于位移量相對較小，因此墻背側(cè)向土壓力略有減小。

表3不同墻高處土壓力分析Tab.3Analysis of Earth Pressure at Different Wall Heights

綜上所述，在RBT模式與假性黏聚力共同影響下，土壓力變化可劃分為3個階段：階段Ⅰ，初始狀態(tài)至主動極限位移狀態(tài)，土壓力呈減小趨勢；階段Ⅱ，主動極限位移至土壓力二次峰值狀態(tài)，土壓力呈增大趨勢；階段Ⅲ，二次峰值后的衰減階段，土壓力再次呈減小并趨緩的發(fā)展趨勢。

2.2土壓力合力與合力作用點變化

根據(jù)土壓力分布規(guī)律，進(jìn)一步整理得到墻背土壓力合力Pa與庫侖主動土壓力Pc的比值Pa/Pc、合力作用點高度ha隨RBT位移量的變化規(guī)律，如圖10所示。

由圖10可知，隨著墻體側(cè)向位移量的逐漸增大，擋土墻墻背側(cè)向土壓力合力呈現(xiàn)先急劇減小后趨向穩(wěn)定的變化規(guī)律。當(dāng)墻體ΔSmax/H達(dá)到0.1%后，墻背側(cè)向土壓力合力達(dá)到庫侖主動土壓力，由于墻體中部土體脫空，隨著墻體側(cè)向位移的繼續(xù)增大，墻背上部及中部側(cè)向土壓力繼續(xù)減小，當(dāng)墻體ΔSmax/H達(dá)到0.2%后，墻體側(cè)向土壓力合力趨向穩(wěn)定，約為0.6倍庫侖主動土壓力。

填土完成后，墻背側(cè)向土壓力合力接近靜止土壓力，土壓力合力作用點高度為0.25 m(1/3H)，符合靜止土壓力分布規(guī)律。隨著墻體側(cè)向位移量的逐漸增大，土壓力合力作用點高度逐漸下降，當(dāng)墻體ΔSmax/H達(dá)到0.2%后，墻體側(cè)向土壓力與合力作用點高度基本穩(wěn)定不變，作用點高度為0.22 m(約1/4H)。

3模型試驗結(jié)果驗證

3.1RBT模式下主動土壓力與擋土墻位移的近似關(guān)系

為反映RBT模式下懸臂式擋土墻墻背土壓力的變化，選取龔慈等[19]和盧坤林等[20]的計算方法，分別計算墻體不同位移下墻后土壓力沿墻身高度的分布規(guī)律，與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

文獻(xiàn)[16]計算方法為

其中

tan(φm)=tan(φ0)+Kd[tan(φ)-tan(φ0)]

tan(δm)=tan(δ0)+Kd[tan(δ)-tan(δ0)]

式中：phm為擋土墻任一轉(zhuǎn)角時的主動土壓力；φ0，φm分別為填土內(nèi)摩擦角初始值和發(fā)揮值；δ0，δm分別為墻土接觸面上外摩擦角初始值和發(fā)揮值；γ為砂土重度；z為距墻頂距離；Kd為影響系數(shù)。

文獻(xiàn)[17]計算方法為

其中

Kam=tan2(45°-φm/2)

3.2計算結(jié)果對比分析

分別采用文獻(xiàn)[16]，[17]的計算方法計算擋土墻位移比分別為0，0.35，0.6，1，4時沿墻身高度分布的墻后側(cè)向土壓力，并與相應(yīng)狀態(tài)下試驗測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖11，12所示，其中Sm為墻體處土體水平位移，S和Sc分別為文獻(xiàn)[16]，[17]定義某點土體達(dá)到主動狀態(tài)所需的水平位移，Sm/Sc和Sm/S為墻體位移比。

由圖11，12可知，在墻頂與墻下部處，使用文獻(xiàn)[16]，[17]計算方法的計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較一致，而其余部分有一定差異，主要原因在于假性黏聚力的影響。

4結(jié)語

(1)懸臂式擋土墻發(fā)生RBT轉(zhuǎn)動時，墻身變形底部小、上部大。墻體近似于懸臂板結(jié)構(gòu)，在較小側(cè)向位移條件下，墻身變形近似線性分布。

(2)隨著墻體側(cè)向位移的增大，0～1/3H范圍內(nèi)墻背土壓力呈現(xiàn)較為明顯的先減小后增大趨勢。但在2/3H～H范圍內(nèi)，由于潮濕砂土假性黏聚力的存在，造成墻背填料并未隨墻體變形而發(fā)生塑性流動，而是僅少量土體發(fā)生了側(cè)向位移，土壓力一直呈現(xiàn)較為明顯的衰減趨勢。

(3)在RBT模式與假性黏聚力共同影響下，土壓力變化可劃分為3個階段：即階段Ⅰ，初始狀態(tài)至主動極限位移狀態(tài)，土壓力呈減小趨勢；階段Ⅱ，主動極限位移至土壓力二次峰值狀態(tài)，土壓力呈增大趨勢；階段Ⅲ，二次峰值后的衰減階段，土壓力再次呈減小并趨緩的發(fā)展趨勢。

(4)隨著墻體轉(zhuǎn)動量的逐漸增大，擋土墻墻背側(cè)向土壓力合力呈現(xiàn)先急劇減小后趨向穩(wěn)定的變化規(guī)律，土壓力合力作用點高度逐漸下降。

(5)在不同轉(zhuǎn)動位移量下水平土壓力計算值與實測值比較接近。隨著轉(zhuǎn)角增大，水平土壓力減小，且下部土體減小趨勢較緩，墻體中部位置水平土壓力計算值大于實測值。

參考文獻(xiàn)：

[1] TERZAGHI K.Record Earth Pressure Testing Machine[J].Engineering News Record,1932,109(29):365-369.

[2] TERZAGHI K.Theoretical Soil Mechanics[M].New York:John Wiley and Sons,1943.

[3] 周應(yīng)英,任美龍.剛性擋土墻主動土壓力的試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,1990,12(2):19-26.

ZHOU Ying-ying,REN Mei-long.An Experimental Study on Active Earth Pressure Behind Rigid Retaining Wall[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1990,12(2):19-26.

[4] 岳祖潤,彭胤宗,張師德.壓實粘性填土擋土墻土壓力離心模型試驗[J].巖土工程學(xué)報,1992,14(6):90-96.

YUE Zu-run,PENG Yin-zong,ZHANG Shi-de.Centrifuge Model Tests on Lateral Pressure on Walls Retaining Compacted Clayey Backfill[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1992,14(6):90-96.

[5] 梅國雄,宰金珉.考慮位移影響的土壓力近似計算方法[J].巖土力學(xué),2001,22(4):83-85.

MEI Guo-xiong,ZAI Jin-min.Earth Pressure Calculating Method Considering Displacement[J].Rock and Soil Mechanics,2001,22(4):83-85.

[6] 盧國勝.考慮位移的土壓力計算方法[J].巖土力學(xué),2004,25(4):586-589.

LU Guo-sheng.A Calculation Method of Earth Pressure Considering Displacement[J].Rock and Soil Mechanics,2004,25(4):586-589.

[7] 王元戰(zhàn),唐照評,鄭 斌.墻體繞墻頂轉(zhuǎn)動情況下?lián)跬翂χ鲃油翂毫Ψ植糩J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué),2004,25(7):695-700.

WANG Yuan-zhan,TANG Zhao-ping,ZHENG Bin.Distribution of Active Earth Pressure of Retaining Wall with Wall Movement of Rotation About Top[J].Applied Mathematics and Mechanics,2004,25(7):695-700.

[8] 王元戰(zhàn),黃長虹.關(guān)于擋土墻主動土壓力計算問題[J].港工技術(shù),2003(2):22-27.

WANG Yuan-zhan,HUANG Chang-hong.For Active Earth Pressure on Retaining Wall[J].Port Engineering Technology,2003(2):22-27.

[9] 張吉全,孔 亮.剛性擋土墻繞墻頂轉(zhuǎn)動時的被動土壓力分布[J].寧夏工程技術(shù),2005,4(1):22-24.

ZHANG Ji-quan,KONG Liang.Distribution of Passive Earth Pressure with Top Rotation of Rigid Wall Movement[J].Ningxia Engineering Technology,2005,4(1):22-24.

[10] 馬文國,張 剛.非極限平動變位模式下?lián)跬翂ι系耐翂毫τ嬎鉡J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2010,32(19):75-79.

MA Wen-guo,ZHANG Gang.Analysis of Earth Pressure on Retaining Wall with Non-limit Translation Mode[J].Journal of Wuhan University of Technology,2010,32(19):75-79.

[11] 馬文國,孔 亮,王燕昌,等.擋土墻繞墻底轉(zhuǎn)動下非極限主動土壓力的研究[J].寧夏大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,28(4):330-333.

MA Wen-guo,KONG Liang,WANG Yan-chang,et al.Research of Active Earth Pressure on Retaining Wall with Mode of Rotation About Base Under Non-limit State[J].Journal of Ningxia University:Natural Science Edition,2007,28(4):330-333.

[12] 張宏博,孟慶宇,岳紅亞,等.對拉式擋土墻側(cè)向土壓力分布規(guī)律試驗研究[J].公路,2016(2):6-11.

ZHANG Hong-bo,MENG Qing-yu,YUE Hong-ya,et al.Test and Study of Lateral Earth Pressure Distribution Law for Mutual Anchoring Retaining Wall[J].Highway,2016(2):6-11.

[13] 張宏博,解全一,岳紅亞,等.對拉式擋土墻穩(wěn)定性模型試驗研究[J].混凝土與水泥制品,2016(4):85-89.

ZHANG Hong-bo,XIE Quan-yi,YUE Hong-ya,et al.Study on the Stability Model of the Pull-type Retaining Wall[J].China Concrete and Cement Products,2016(4):85-89.

[14] 王婭娜.懸臂式擋土墻力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].成都:西南交通大學(xué),2015.

WANG Ya-na.Research on the Mechanical Properties and Structure Optimization of Cantilever Retaining Wall[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2015.

[15] 張 勇.懸臂式擋土墻土壓力研究[D].太原:太原理工大學(xué),2013.

ZHANG Yong.Study of Earth Pressure on Cantilever Retaining Wall[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2013.

[16] 張 波.山西省科技館錨定板擋土墻分析[J].山西建筑,2015,41(35):81-83.

ZHANG Bo.Analysis on Anchoring Plate Retaining Wall of Shanxi Science and Technology Museum[J].Shanxi Architecture,2015,41(35):81-83.

[17] 薛志超,宋修廣,陳寶強(qiáng),等.壓力分散型擋土墻支護(hù)高填土路基施工過程的受力特征[J].公路交通科技,2013,30(4):11-16.

XUE Zhi-chao,SONG Xiu-guang,CHEN Bao-qiang,et al.Stress Characteristics of Pressure Dispersive Retaining Wall for Supporting High-filling Embankment During Construction[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2013,30(4):11-16.

[18] 宋修廣,吳建清,張宏博,等.對拉式擋土墻受力特性試驗研究[J].鐵道建筑,2014(9):79-83.

SONG Xiu-guang,WU Jian-qing,ZHANG Hong-bo,et al.Experimental Study on the Stress Characteristics of the Ram-type Retaining Wall[J].Railway Engineering,2014(9):79-83.

[19] 龔 慈,俞建霖,徐日慶,等.繞墻底向外轉(zhuǎn)動剛性擋土墻的土壓力計算[J].浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2005,39(11):1690-1694.

GONG Ci,YU Jian-lin,XU Ri-qing,et al.Calculation of Earth Pressure Against Rigid Retaining Wall Rotating Outward About Base[J].Journal of Zhejiang University:Engineering Science,2005,39(11):1690-1694.

[20] 盧坤林,楊 揚(yáng).考慮位移影響的主動土壓力近似計算方法[J].巖土力學(xué),2009,30(2):553-557.

LU Kun-lin,YANG Yang.Approximate Calculation Method of Active Earth Pressure Considering Displacement[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(2):553-557.