宋修廣，吳建清，張宏博，張思峰，于一凡

(1.山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250061;2.山東省路基安全工程技術(shù)研究中心，山東濟南 250061;3.山東建筑大學交通工程學院，山東濟南 250101)

隨著交通設(shè)施建設(shè)向山區(qū)擴展，以及交通網(wǎng)密度增大引起跨線、跨河路段增多，高填方路堤越來越多。為了少占耕地，最有效的辦法就是設(shè)置擋墻，從而減少占地面積、節(jié)約取土方量［1］。由于傳統(tǒng)的重力式、半重力式、懸臂式、扶壁式擋土墻在使用時常受到客觀條件的限制，從而促進錨桿式、加筋土、柱板式輕型支擋結(jié)構(gòu)的發(fā)展［2］。

對于路基兩側(cè)均需設(shè)置擋土墻的地段，若采用常規(guī)方法設(shè)計加筋土擋土墻，則會出現(xiàn)以下問題:每側(cè)面板的拉筋均有一定長度的無效段;左右兩側(cè)拉筋因分別設(shè)置而相互重疊造成浪費。通過分析大量擋土墻結(jié)構(gòu)形式，提出了對拉式擋土墻結(jié)構(gòu)［3］。對拉式擋土墻由對稱設(shè)置在路基兩側(cè)的懸臂式鋼筋混凝土擋土墻體與貫通路基寬度的對拉錨桿連接而成。該類型擋土墻可以分級建設(shè)，極限高度大于傳統(tǒng)擋土墻。由于對拉式擋土墻構(gòu)造特殊，土壓力的影響因素更為復雜，從而使得這種結(jié)構(gòu)的土壓力分布有很大的不確定性。關(guān)于對拉式擋土墻的模型試驗較為少見，其原因是保證兩面對拉擋土墻相對平行較為困難，僅江屹東［4］對置筋式擋土墻進行了理論設(shè)計并對不同的預應(yīng)力張拉工況進行了研究，提出了預緊力與頂部荷載的函數(shù)關(guān)系式。鑒于此，本文設(shè)計制作了對拉式擋土墻模型試驗裝置并進行了試驗分析，系統(tǒng)地研究對拉式擋土墻支護高填土路基的受力特征，其結(jié)果可為該類型擋土墻的設(shè)計和施工提供參考。

1 對拉式擋土墻模型試驗設(shè)計

1.1 試驗?zāi)康募澳Ｐ蜆?gòu)造

通過室內(nèi)模型試驗研究對拉式擋土墻的變形規(guī)律、土壓力分布規(guī)律以及錨桿受力分布規(guī)律。按照幾何相似原則［5］，將擋土墻按3∶1比例相似縮小為模型。對拉式擋土墻模型長2.4 m，寬1.8 m，高2.0 m。錨桿分兩層布設(shè)，上層錨桿直徑為25 mm，位于擋土墻高度1.4 m處，下層錨桿直徑為32 mm，位于擋土墻高度1.0 m處，模型如圖1所示。

圖1 幾何模型(單位:mm)

試驗裝置能夠隨時調(diào)整模型尺寸、錨桿支護形式、加固時機等參數(shù)，適用于不同工況條件下錨拉式擋墻應(yīng)力及位移測試，易于加工，安裝、拆卸方便，能夠重復利用，降低成本，提高工作效率。對拉式擋土墻模型主要由錨桿、懸臂擋墻和加載設(shè)備組成。其中，將填土荷載換算為均布荷載，通過反力架使用千斤頂加載，并通過千斤頂下的鋼板轉(zhuǎn)化為均布荷載來模擬填土過程。

1.2 模型安裝

模型安裝步驟如下:

1)地基處理和鋼板擋土墻及反力架的安裝

地基采用碎石鋪墊，攤鋪厚度為40 cm，分兩層攤鋪，攤鋪過程中用TRD-80電動沖擊夯進行夯實，每層夯實次數(shù)為5～7遍，直至攤鋪層沒有豎向的沉降變形，這樣可以保證兩面對拉擋土墻的相對平行。地基處理如圖2(a)所示。

在處理過的碎石地基上安裝鋼板擋土墻和反力架，采用大型的吊車和鏟車安裝，反力架安裝完成后如圖2(b)所示。與反力架跨向平行的為施加預應(yīng)力的兩塊鋼板擋土墻，另外兩墻為剛性擋土板，擋土板之間用4條鋼筋對拉，以保證模型斷面處于平面應(yīng)變狀態(tài)。

圖2 地基處理及擋墻反力架安裝

2)填土壓實

為了保證壓實度，填土每層厚度控制在30 cm左右。采用電動沖擊夯和人工夯實相結(jié)合的方法，因為砂土黏聚力幾乎為0，所以電動沖擊夯對每層填土表層夯實效果不佳。層間填土先用電動沖擊夯夯實，再用人工夯實，為了避免電動沖擊對埋設(shè)儀器的擾動。在距儀器埋設(shè)處50 cm內(nèi)只用人工夯實，如圖3(a)所示。

通過最大干密度試驗測得墻間填土的最大干密度為1.716 g/cm3，墻間填土每層壓實度按最大干密度的85%以上控制。為了保證擋墻之間在填土過程中不產(chǎn)生位移，在擋土墻端部之間用螺栓固定，待填土結(jié)束后卸下螺栓，如圖3(b)所示。

圖3 墻間土夯實及擋土墻的固定

3)監(jiān)測儀器的埋設(shè)

為了分析新型擋土墻力學機理，在不同高度處開挖埋設(shè)土壓力盒，用于監(jiān)測土壓力的變化規(guī)律。同時安裝了錨索測力計用于監(jiān)測錨桿的拉力變化。錨桿測力計與精軋螺紋鋼之間采用焊接連接，錨桿之間采用配套的錨桿連接器連接。為了監(jiān)測擋土墻的側(cè)向位移，在擋土墻一側(cè)的豎直方向安裝百分表進行監(jiān)測。土壓力盒設(shè)備編號及儀器埋設(shè)位置如圖4(a)所示。

采用振弦式土壓力盒監(jiān)測土壓力。待墻間填土至土壓力盒埋設(shè)處時開挖20 cm將壓力盒埋入。土壓力盒的埋設(shè)如圖4(b)、圖4(c)所示。

采用錨桿測力計監(jiān)測錨桿受力。待墻間填土填至高過錨桿測力計埋設(shè)位置30 cm，開挖埋入錨桿測力計，錨桿測力計與精軋螺紋鋼之間采用焊接連接，錨桿之間采用配套的錨桿連接器連接，如圖4(d)所示。錨桿穿過擋土墻上預留的錨孔，用螺栓錨定。

為了監(jiān)測擋土墻的側(cè)向位移，在擋墻一側(cè)的豎直方向固定一根鋼筋，并在測位移的位置套入固定鐵環(huán)作為與百分表接觸的固定端。在所測位移處，借助于強性磁鐵和鐵環(huán)作為固定端，將百分表固定于擋墻一側(cè)，并使百分表的末端接觸點與固定鐵環(huán)的接觸面相垂直，以確保水平位移的監(jiān)測，如圖4(e)所示。

為了使填土表面均勻受力，待墻間填土填筑完成之后，在頂部放置一塊厚 30 mm，長2 400 mm，寬1 700 mm的承壓板，承壓板上面固定兩層工字鋼，下層工字鋼間隔分布，上層工字鋼相鄰布置。最后將加載所用到的LYD型立式千斤頂置于工字鋼上面，如圖4(f)所示。

圖4 測試儀器安裝

1.3 試驗方案

模型加載采用分級加載的方式進行。頂部荷載通過千斤頂分別施加 20，40，60，80，100 及 120 kPa 的壓力。為了減少試驗過程中分級加載塑性變形的影響，在分級加載前對土體進行了加載預壓，預壓時所加荷載大約為分級加載最大值120 kPa的10%。加載流程如圖5所示。

圖5 模型試驗流程

2 對拉式擋土墻變形規(guī)律

為了研究不同填土高度處擋土墻的變形規(guī)律，對百分表測得的擋墻變形數(shù)據(jù)進行分析，如圖6所示。由圖6可知:擋土墻變形隨著頂部荷載的增加而呈外傾增大趨勢，卸載后有塑性變形。擋土墻位移沿高度方向形成位移土拱效應(yīng)，隨高度呈類拋物線型分布，在上下兩排錨桿中間區(qū)域，由于對拉錨桿對擋土墻的約束作用，擋土墻變形最小。對拉式擋土墻位移量整體較小，墻體穩(wěn)定性好。

圖6 擋土墻位移與高度的關(guān)系

3 對拉式擋土墻土壓力分布規(guī)律

3.1 基底土壓力增量變化規(guī)律

擋土墻基底內(nèi)外側(cè)的土壓力增量分布如圖7所示。

圖7 基底土壓力增量分布

由圖7可知:基底內(nèi)外側(cè)土壓力均隨著頂部荷載的增加而增大;隨著頂部荷載的增加，基底外側(cè)壓力明顯增大;而基底內(nèi)側(cè)壓力雖然也隨荷載增大，但變化不明顯，趨于穩(wěn)定。說明擋墻有外傾傾向，使得基底外側(cè)壓力增大。

3.2 L/2處豎向壓力的變化規(guī)律

為了監(jiān)測中心位置豎向土壓力的變化，在兩面對拉擋土墻水平中心不同填土高度(0，0.4，0.8，1.2，1.4和1.6 m)埋設(shè)土壓力盒(即圖 4(a)中的 6，9，13，18，26，29)，得到的豎向土壓力沿深度變化曲線如圖8所示。

圖8 不同荷載條件下豎向土壓力沿深度變化曲線

由圖8可知，路基內(nèi)部1.2 m高度位置處的豎向土壓力明顯偏大，底部位置處的豎向土壓力明顯偏小。這是由于錨桿的存在，相當于在路基內(nèi)部施加了一根橫系梁，而該橫系梁的剛度明顯大于周圍土體，且由于直徑較大，則在豎向土壓力作用下，該梁具有較強的承載作用及空間遮蔽效應(yīng)，從而引起橫系梁上部應(yīng)力集中，下部應(yīng)力明顯偏低。因此，在進行錨桿設(shè)計特別是注漿防腐設(shè)計時，必須要充分考慮其抗剪性能，防止注漿體的開裂失效。

3.3 擋土墻側(cè)向土壓力增量變化規(guī)律

側(cè)向土壓力分布是擋土墻設(shè)計施工時的重要理論依據(jù)［6］。側(cè)向土壓力增量沿擋土墻高度的變化曲線如圖9所示。

圖9 側(cè)向土壓力增量沿擋墻高度變化曲線

由圖9可知，側(cè)向土壓力增量隨著頂部荷載的增加而增大，隨擋土墻高度呈類拋物線型分布，在上層錨桿以上的位置隨著深度的增加而增大，最大位置出現(xiàn)在上下兩層錨桿之間，即擋土墻高度1 m附近，土壓力增量最高達115 kPa。這說明設(shè)置對拉錨桿后擋土墻的承載能力增加，錨桿起到了有效的支護作用。由于上下錨桿約束了擋墻的側(cè)向變形，使上下兩錨桿之間土壓力較其他位置大。錨桿下方的側(cè)向土壓力增量隨著深度的增加而減少。這可由擋土墻側(cè)向位移發(fā)展規(guī)律予以解釋，研究表明，如果擋土墻的上端和下端都向外移動，當位移的大小未達到足以使填土發(fā)生主動破壞時，壓力是曲線分布的，總土壓力作用點位于墻高1/2附近;當位移超過某一值后，填土中將發(fā)生主動破壞，壓力呈直線分布，總壓力作用點降至墻高的1/3處。

4 對拉式擋土墻錨桿受力分布規(guī)律

錨桿受力變化如圖10所示。由圖可知:填土完成后，上層錨桿所受拉力高于下層，這符合錨桿橫系梁的空間遮蔽效應(yīng)。隨著頂部荷載的增加，荷載繼續(xù)向下傳遞，上下兩層錨桿受力重新分布，下部錨桿對擋墻的約束作用也逐漸體現(xiàn)，下層錨桿受力逐漸超過上層錨桿，上下層錨桿均處于受拉狀態(tài)，符合擋土墻外傾規(guī)律。當頂部荷載較高時，需要采取增大下層錨桿直徑、加密下層錨桿等措施提高下層錨桿的承載力。

圖10 錨桿受力變化

5 預應(yīng)力的影響分析

5.1 不同預應(yīng)力

為了研究在高填土條件下錨桿預應(yīng)力對對拉式擋土墻受力特性的影響，采用千斤頂對錨桿進行預應(yīng)力張拉試驗。在頂部施加指定大小荷載并維持5 min恒壓后對錨桿的一側(cè)進行張拉。由前文可知，頂部荷載較大時，下層錨桿所受拉力較大，因此，在維持頂部荷載100 kPa時，對下層錨桿分別施加100，150 kN預應(yīng)力，并與無預應(yīng)力工況進行對比。上下兩層錨桿受力如表1所示?？芍?，與錨桿無預應(yīng)力相比，下層錨桿施加預應(yīng)力后，上下兩層錨桿所受拉力均有所增加，下層錨桿承擔荷載的比例有所增加。

表1 不同預應(yīng)力下錨桿受力分布 kN

頂部荷載為100 kPa時，對下層錨桿分別施加100，150 kN預應(yīng)力，并與無預應(yīng)力工況對比，擋土墻的側(cè)向土壓力分布及墻體的位移如圖11所示。由圖11(a)可知，錨桿施加預應(yīng)力后，錨桿附近的側(cè)向土壓力顯著增加，且隨著預應(yīng)力的增加而逐漸增大。錨桿施加預應(yīng)力后，錨桿拉緊，對擋土墻的約束作用也有明顯提高，約束墻體外傾(如圖11(b)所示)，錨桿以下位置墻體由外傾向內(nèi)傾發(fā)展，錨桿以上位置墻體外傾趨勢也減少。由于在施加預應(yīng)力的過程中會不可避免地對墻體產(chǎn)生擾動，造成150 kN預應(yīng)力時1.5 m高度處百分表數(shù)據(jù)異常。錨桿周圍擋土墻由于承擔的側(cè)向土壓力較大，設(shè)計施工時需進行加固處理，防止其產(chǎn)生裂縫。

5.2 錨桿失效

錨桿在長期的使用過程中，可能會發(fā)生防腐體破裂，引起錨桿的腐蝕破壞，對擋墻及鄰近錨桿的受力不利，因此，有必要研究錨桿失效效應(yīng)。錨桿預應(yīng)力損失即為錨索體失效的一個重要表現(xiàn)。采用對錨桿預應(yīng)力分級卸載的方式模擬錨桿的失效。頂部荷載維持120 kPa，對下層錨桿施加110 kN預應(yīng)力，預應(yīng)力卸載時，第1級卸載至100 kN，第2級卸載至80 kN，第3級卸載至60 kN，最后卸載至0。側(cè)向土壓力分布如圖12所示。

圖12 錨桿失效時的側(cè)向土壓力

由圖12可知，在預應(yīng)力卸載過程中，擋墻側(cè)向土壓力明顯減小，其中錨桿附近土壓力減小最快，表明錨索松弛或破壞均引起擋土墻側(cè)向變形增大，從而造成側(cè)向應(yīng)力釋放嚴重。在擋土墻運營過程中，有必要建立錨桿拉力定期監(jiān)測機制，對錨桿的運營狀態(tài)進行評估，預防和及時處理錨桿病害。

6 結(jié)論

本文通過室內(nèi)模型試驗對對拉式擋土墻的受力特性進行了研究，主要結(jié)論如下:

1)擋土墻有外傾趨勢，錨桿具有較強的承載作用及空間遮蔽效應(yīng)。

2)側(cè)向土壓力沿擋土墻高度呈類拋物線型分布。

3)高填土條件下，下層錨桿受力較大，需進行加固處理。施加預應(yīng)力對提高對拉式擋土墻承載力具有顯著作用，可有效減少墻體外傾。

4)錨索失效會造成擋土墻變形增大，需定期監(jiān)測。

［1］周恒宇.錨桿擋土墻在邊坡防護中力學機理的研究［D］.成都:西南交通大學，2010.

［2］薛志超，宋修廣，陳寶強，等.壓力分散型擋土墻支護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.

［3］宋飛，張建民.考慮側(cè)向變形的各向異性砂土土壓力試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(9):1884-1895.

［4］江屹東.置筋式擋土墻的理論分析及模型試驗的設(shè)計［D］.山東:山東大學，2011.

［5］吳建清，宋修廣，張宏博，等.不同預應(yīng)力對互錨式擋土墻受力特征影響研究［J］.公路，2014(1):122-125.

［6］徐日慶.考慮位移和時間的土壓力計算方法［J］.浙江大學學報:工學版，2000，34(4):370-375.