墻面結(jié)構(gòu)對加筋土擋墻變形性能的影響

王宗建， 馬書文， 盧 諒， 張耿川， 沈 權(quán)

(1. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400044；3. 上海永升物業(yè)管理有限公司重慶分公司，重慶 401120； 4. 中交路橋華北工程有限公司，北京 101100)

加筋土擋墻主要由填料、筋材和面板組成[1]。作為一種新型支擋結(jié)構(gòu)，加筋土擋墻憑借其較好的穩(wěn)定性能[2-3]，顯著的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益[4-5]在橋梁、水運(yùn)、邊坡等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛[6]。按照面板結(jié)構(gòu)分類，常見的加筋土擋墻面板有整體式[7]、分隔式[8]和復(fù)合式[9]等3種。

目前，國內(nèi)外學(xué)者分別對加筋土擋墻模型實(shí)驗(yàn)[10-11]、加筋復(fù)合體試件三軸試驗(yàn)[12]、極限平衡[13-14]和有限元分析[15]等理論計(jì)算法[16-17]進(jìn)行了諸多研究。但其研究重點(diǎn)多集中在加筋土擋墻穩(wěn)定性上[18]，針對面板結(jié)構(gòu)形式對加筋土擋墻變形性能影響相關(guān)研究尚少。面板作為擋墻重要組成部分，具有約束墻后填土和美化環(huán)境作用。隨著面板類型越來越豐富，關(guān)于面板對加筋土擋墻變形性能的影響，相關(guān)規(guī)范尚未作詳細(xì)說明[19]。有學(xué)者認(rèn)為面板對加筋土擋墻穩(wěn)定性影響很小[20]；也有學(xué)者認(rèn)為面板在加筋土擋墻穩(wěn)定性影響上占很大比重[21-23]。

筆者通過改變面板的結(jié)構(gòu)和剛度(厚度)，基于外荷載作用下對加筋土擋墻變形進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，并探討了面板結(jié)構(gòu)對加筋土擋墻變形性能影響。

1 加筋土擋墻面板類型

按墻面板常見的組合方式，可將加筋土擋墻(圖1)分為幾種類型。

1)整體式面板〔圖2(a)〕：該結(jié)構(gòu)面板通常采用混凝土一次澆筑成形，結(jié)構(gòu)抗震性能良好，面板具有整體剛度，能在一定程度上抵抗墻面局部變形。但其施工工藝復(fù)雜，施工難度較大。

2)分隔式面板〔圖2(b)〕：該結(jié)構(gòu)面板由若干層條狀(帶狀)面板單元體疊加而成。由于其結(jié)構(gòu)組合的不連續(xù)性，較整體式面板而言，其抵抗墻面局部變形能力稍弱，但其施工簡便、易行。

3)復(fù)合式“十”字型面板〔圖2(c)〕：在分隔式面板基礎(chǔ)上，加以豎向和水平向約束(連梁)以增強(qiáng)面板整體性和穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)適應(yīng)變形能力較好，施工難度介于整體式與分隔式面板之間。

圖1 加筋土擋墻結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of the reinforced earth retaining wall

圖2 加筋土擋墻的幾種類型Fig. 2 Several types of the reinforced earth retaining wall

2 模型實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

為使實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈锢憩F(xiàn)象與實(shí)際情況相似，筆者在實(shí)驗(yàn)材料、幾何條件、邊界條件等方面按照一定比例將原型尺寸適當(dāng)縮小，以使模型實(shí)驗(yàn)所涉及的受力、變形等主要參量最大程度與原型相似。本實(shí)驗(yàn)主要模擬加筋土擋墻面板在外界條件下變形的規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)中不考慮擋墻排水固結(jié)，實(shí)驗(yàn)材料盡可能采用與原型相似介質(zhì)，其中填料采用天然砂，筋材采用100 g/m2牛皮紙，加筋土擋墻墻面板采用強(qiáng)度統(tǒng)一的壓密硬紙板。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭嘘P(guān)鍵結(jié)構(gòu)的幾何形狀與尺寸盡量與實(shí)際情況相似，擋墻及面板高度、筋材尺寸等幾何相似比相等。本次模型實(shí)驗(yàn)中各結(jié)構(gòu)尺寸按相似比10∶1進(jìn)行制作。模型實(shí)驗(yàn)加載介質(zhì)采用可拆卸沙袋自重力模擬活載或建筑物等豎向荷載，沙袋底面尺寸與擋墻頂部填土尺寸相等，模擬如圖3(a)。

由于模擬水平荷載難度較大，筆者通過給千斤頂加壓來抬升擋墻后緣，用填料在垂直面板方向的重力分力Gx模擬墻后填料水平荷載，模擬如圖3(b)。

實(shí)際工程中，加筋土擋墻除擋墻面板方向外均為無限體，變形可忽略，可簡化為平面應(yīng)變問題。在平面應(yīng)變條件下，除面板所在平面，加筋土擋墻其他邊界處位移為零，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎脛傂詡?cè)壁來滿足平面應(yīng)變條件。

圖3 荷載示意Fig. 3 Schematic diagram of load

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)在長方體木制模型槽中進(jìn)行，該模型槽的尺寸為：75 cm(長)×45 cm(寬)×50 cm(高)，模型槽板厚2 cm，墻體后緣由千斤頂托起〔圖3(a)〕。

模型槽各棱邊接縫處加焊角鋼，實(shí)驗(yàn)時將面板進(jìn)行回折處理以防止實(shí)驗(yàn)裝置邊緣處漏砂。填料裝填緩慢進(jìn)行，速度控制為在每1 cm高度上裝填5 kg，裝填完成后實(shí)驗(yàn)裝置如圖4。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 4 Test model

2.3 實(shí)驗(yàn)材料和物理力學(xué)特性

2.3.1 實(shí)驗(yàn)材料

墻后填料采用天然砂；筋材采用100 g/m2牛皮紙，擋墻墻面板采用強(qiáng)度統(tǒng)一的壓密硬紙板，筋材與面板進(jìn)行黏結(jié)處理。由于筆者主要研究面板變形問題，故筋材長度按照安全等級最低的構(gòu)造配比(墻高的40%)進(jìn)行選取，即筋材構(gòu)造鋪設(shè)長度為20 cm。

2.3.2 填料物性試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)、篩分試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)，參照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[24]和GBJ 123—1988《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[25]。

填料擊實(shí)試驗(yàn)采用輕型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。篩分法得到填料的顆粒級配曲線如圖5，比重試驗(yàn)得到填料比重Gs=2.62。填料抗剪強(qiáng)度采用應(yīng)變控制式直接剪切儀來測定，抗剪強(qiáng)度曲線如圖6。由圖6可知：填料粘聚力c=0 kPa，內(nèi)摩擦角φ=32.4°。

表1 天然砂擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Compaction test data of natural sand

圖5 填料顆粒級配曲線Fig. 5 Particle gradation curve of filler

圖6 填料抗剪強(qiáng)度曲線Fig. 6 Shear strength curve of filler

2.3.3 筋材拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)用筋材尺寸為150 mm(長)×5 mm (寬)，筋材線彈性模量Et計(jì)算如式(1)：

(1)

式中：FN為所施加的拉力；b為筋材寬度；ε為筋材應(yīng)變；t為筋材厚度。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如圖7。則筋材平均線彈性模量Et=1.034 kN/m。

圖7 筋材應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 7 Stress-strain curves of steel bars

2.4 實(shí)驗(yàn)方案

為研究不同擋墻面板結(jié)構(gòu)和不同面板厚度對加筋土擋墻變形性能影響，筆者分別對整體式、分隔式和復(fù)合式面板加筋土擋墻進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案如表2。

2.5 擋墻面板尺寸(圖8)

加筋土擋墻面板尺寸為48 cm(長)×47 cm(寬)，每個面板上均勻鋪設(shè)4層×4根筋材，筋材寬度2 cm、水平間距12 cm、豎向間距12 cm。

分隔式面板加筋土擋墻實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D9。擋墻由面板單元體疊加而成，單元體尺寸如圖10，其中陰影部分為實(shí)驗(yàn)時的回折部分。

復(fù)合式面板加筋土擋墻如圖11。面板豎向約束材料采用48 cm×6 cm壓密硬紙板，其中紙板中心以下部分貼雙層壓密硬紙板，以增加中心以下部分約束。連梁采用9 cm×6 cm壓密硬紙板，置于擋墻面板與豎向約束之間以增加約束整體性。

表2 加筋土擋墻實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Experimental scheme of the reinforced earth retaining wall

圖8 加筋土擋墻面板筋材鋪設(shè)示意(單位：cm)Fig. 8 Layout of the reinforced earth retaining wall panel setting

圖9 分隔式面板加筋土擋墻模型Fig. 9 Model of partitioned panel reinforced earth retaining wall

圖10 加筋土擋墻面板結(jié)構(gòu)(單位：cm)Fig. 10 Structure of the reinforced earth retaining wall panel

圖11 復(fù)合式面板加筋土擋墻模型Fig. 11 Model of composite panel reinforced earth retaining wall

2.6 實(shí)驗(yàn)過程

為統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)條件，面板與筋材之間的黏結(jié)劑用量均控制在同一量級內(nèi)。擋墻面板變形情況由墻面中心軸到實(shí)驗(yàn)裝箱邊緣的距離Si表示，其中i∈[1，6]。實(shí)驗(yàn)擋墻填充完整后，以此時面板中心軸位置與實(shí)驗(yàn)裝箱底部邊緣距離為變形基準(zhǔn)值S1；施加荷載后，測得中心軸與邊緣距離Si(i=2,3,4,5,6)與基準(zhǔn)值S1差值即為面板變形量Δdj(j=1,2,3,4,5)。實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)布置如圖12，在每塊面板中心軸線上布設(shè)13個測點(diǎn)，測點(diǎn)自下而上開始讀數(shù)，相鄰測點(diǎn)間距為4 cm。

實(shí)驗(yàn)過程如下：

1)由千斤頂將實(shí)驗(yàn)裝箱升至預(yù)設(shè)高度，安放加筋土擋墻墻面板，裝填填料，測量面板初始變形，即墻面與實(shí)驗(yàn)裝箱邊緣距離，計(jì)為S1(圖4)；

2)在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ晚敳渴┘? kN的豎向荷載，施加方法如圖3(a)，待擋墻穩(wěn)定后測量擋墻面板變形S2，此時面板變形量為S1-S2，記為Δd1；

3)撤去豎向荷載，用千斤頂將墻體抬升2 cm，待穩(wěn)定后測量擋墻面板變形量S1-S3，計(jì)為Δd2；

4)繼續(xù)對千斤頂加壓，當(dāng)擋墻依次抬升4、6、12 cm，待穩(wěn)定后測量擋墻面板變形量，分別計(jì)為Δd3、Δd4、Δd5；

5)持續(xù)抬升，直至擋墻破壞，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖12 擋墻墻面測點(diǎn)布置(單位：cm)Fig. 12 Layout of measuring points on retaining wall surface

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 加筋土擋墻變形性能分析

筆者以擋墻面板變形量Δdj為研究對象，對6個實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并繪制出加筋土擋墻變形曲線，曲線匯總?cè)绫?。

由表3可知：3種類型加筋土擋墻面板變形大致呈“上大、下小”分布。當(dāng)擋墻墻面板結(jié)構(gòu)一定時，對比不同面板剛度(厚度)下?lián)鯄ψ冃吻€可知：隨著面板剛度增加，擋墻自身強(qiáng)度和與外界接觸面摩擦力均得以增加、承載土壓力變形量減少，因此加筋土擋墻適應(yīng)變形能力、承受荷載能力、整體性及穩(wěn)定性均逐漸增加。

表3 加筋土擋墻模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Experiment data of the reinforced earth retaining wall model

當(dāng)擋墻墻面板剛度(厚度均為0.8 mm)一定時，對比這3種加筋土擋墻變形曲線可知：整體式擋墻在水平荷載作用下變形波動較大，最大變形位于32 cm處，最大變形量為0.75 cm；分隔式擋墻變形較均勻，但局部變形量較大，大變形主要集中于面板單元體連接處，最大變形位于36 cm處，最大變形量為0.3 cm；復(fù)合式擋墻在這3種加筋土擋墻中適應(yīng)變形能力最強(qiáng)，最大變形位于墻頂，變形量為0.18 cm。

3.2 加筋土擋墻整體穩(wěn)定性分析

整體式面板加筋土擋墻墻后填土對墻面進(jìn)行局部擠壓，面板局部向外凸起，致使擋墻在抬升16.0 cm時發(fā)生滑動破壞，破壞情況如圖13；分隔式面板加筋土擋墻整體性較整體式稍差，穩(wěn)定性較整體式稍好，千斤頂升至最高時未發(fā)生破壞；復(fù)合式面板加筋土擋墻承受荷載能力最強(qiáng)，千斤頂升至最高時未發(fā)生破壞，在這3種擋墻中整體性和穩(wěn)定性最好。

圖13 整體式面板加筋土擋墻的滑動破壞Fig. 13 Sliding failure of the reinforced earth retaining wall with integral panel

對比整體式擋墻和分隔式擋墻，由于整體式擋墻面板是發(fā)生整體性變形，分隔式擋墻墻面板之間存在縫隙而發(fā)生“局部-整體”變形，因此前者整體性和適應(yīng)變形性能均較后者強(qiáng)；但在同一荷載水平下，整體式擋墻面板變形量較后者大，施工難度也較后者大。故復(fù)合式擋墻綜合了二者優(yōu)點(diǎn)，在分隔式擋墻面板上設(shè)置了豎向約束和連梁，既保證了墻面整體變形較小，也增大了擋墻整體穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

1)變形性能方面：在豎向或水平荷載作用下，這3種類型加筋土擋墻面板變形均呈現(xiàn)出擋墻面板上部變形大、下部變形小的特點(diǎn)。與分隔式擋墻相比，復(fù)合式和整體式擋墻的整體性及適應(yīng)變形能力較好；

2)水平方向承載能力方面：在水平荷載Gx作用下，這3種面板類型加筋土擋墻中，復(fù)合式擋墻承受荷載能力最強(qiáng)，分隔式擋墻次之，整體式擋墻最弱；

3)整體穩(wěn)定性方面：在這3種面板類型加筋土擋墻中，整體式擋墻發(fā)生整體滑動破壞，分隔式和復(fù)合式擋墻發(fā)生局部剪切破壞。擋墻面板類型在加筋土擋墻穩(wěn)定性研究中占有較為重要地位，工程上可根據(jù)實(shí)際情況選擇面板結(jié)構(gòu)形式；

4)筆者采用概化材料對實(shí)際加筋土擋墻進(jìn)行模擬，如用牛皮紙條模擬筋材、硬紙板模擬混凝土面板等。概化處理對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響、更加接近工程實(shí)際的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)際工程中幾種典型加筋土擋墻的變形性能均尚不明確，有待于進(jìn)一步研究。