佘志清

(中鐵五局集團(tuán)機(jī)械化公司， 衡陽(yáng) 421000)

高加筋土擋土墻墻背土壓力測(cè)試研究

佘志清

(中鐵五局集團(tuán)機(jī)械化公司， 衡陽(yáng) 421000)

目前加筋土擋土墻通常采用0.3H法進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，這種方法在低矮擋墻設(shè)計(jì)中得到了成功的應(yīng)用，但當(dāng)墻高較大時(shí), 墻體的實(shí)際狀態(tài)與0.3H法的假設(shè)存在較大差異。文章通過(guò)7 m、10 m、12 m 3個(gè)不同高度加筋土擋墻斷面的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，圍繞拉筋拉力、墻背土壓力進(jìn)行分析研究，得到了加筋土擋土墻拉筋拉力沿拉筋長(zhǎng)度方向的分布規(guī)律和墻背土壓力的分布規(guī)律，顯示墻背的側(cè)向土壓力分布呈現(xiàn)鋸齒形。經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，認(rèn)為0.3H法用于低矮加筋土擋土墻與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近，但用于高墻的設(shè)計(jì)結(jié)果過(guò)于保守，采用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算其加筋墻的側(cè)向土壓力更合適。

高加筋土擋墻； 拉筋拉力； 側(cè)向土壓力； 0.3H法

加筋土擋土墻是一種自重輕、抗震性能好的路基支擋結(jié)構(gòu)。與其他剛性擋土墻相比，在地震地區(qū)它更能適應(yīng)結(jié)構(gòu)抗震的要求。在承載力較低的軟土地區(qū)，它更能適應(yīng)地基的變形，因而目前在鐵路、公路建設(shè)工程中應(yīng)用較多。

目前的工程設(shè)計(jì)中，加筋土擋土墻的設(shè)計(jì)方法通常采用極限平衡方法。這種方法是根據(jù)具體工程條件，通過(guò)假定破裂面位置、形狀等，利用力的平衡方程計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。采用極限平衡理論進(jìn)行加筋土擋墻的設(shè)計(jì)，必須解決墻面板后側(cè)向土壓力的大小和分布、加筋土擋墻的破裂面形狀和位置等主要問(wèn)題。本文對(duì)高度為7 m、10 m和12 m的3個(gè)加筋土擋土墻斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了高加筋土擋墻墻背土壓力分布規(guī)律，并對(duì)目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的0.3H法進(jìn)行了討論。

1 0.3H法及存在的問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范中普遍采用的方法是基于試驗(yàn)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的0.3H法，設(shè)計(jì)示意如圖1所示。

圖1 0.3H法加筋墻設(shè)計(jì)示意圖

這種方法做了以下的基本假設(shè)：

(1)認(rèn)為破裂面分為兩段，在墻高H/2以上為距離墻面板0.3H的豎直線，下段為與水平方向成45+φ/2角度的斜直線。

(2)拉筋上拉力最大值在距面板一定距離處，與潛在破裂面位置一致，該最大拉力分擔(dān)了墻背后的側(cè)向土壓力。

(3)墻背側(cè)向土壓力在6 m以下為主動(dòng)土壓力KA，從墻高6 m向上漸變至頂端靜止土壓力K0。

(4)認(rèn)為豎向土壓力均勻分布于拉筋帶表面。

由以上假設(shè)，根據(jù)極限狀態(tài)時(shí)拉筋拉力與墻背側(cè)向土壓力的平衡條件，可以得到拉筋的最大張力及可以產(chǎn)生的最大粘結(jié)力。

上述方法在低矮擋墻的設(shè)計(jì)中得到了成功的應(yīng)用，但根據(jù)它的假設(shè)，我們不難看出其墻背填料的內(nèi)摩擦角φ被限定為固定值，忽略了填料實(shí)際內(nèi)摩擦角的大小，這顯然是不符合實(shí)際的。另外這種方法是關(guān)于8 m及以下的低矮加筋墻的工程試驗(yàn)和模型試驗(yàn)總結(jié)得到的，對(duì)于高加筋土擋墻，墻體的實(shí)際狀態(tài)與0.3H法的假設(shè)存在較大差異。

2 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)選擇了加筋土擋墻斷面進(jìn)行測(cè)試，所選擇的試驗(yàn)斷面墻高分別為7 m、10 m、12 m，其中斷面A和C墻后采用CAT30020C型鋼塑復(fù)合筋帶，破斷拉力為12 kN，延伸率小于1%，填料為山砂，墻面板為C25型十字形混凝土面板。斷面A筋帶按7 m等長(zhǎng)布置；斷面C下部4 m的筋帶長(zhǎng)8 m，上部的筋帶長(zhǎng)12 m。斷面B墻后采用CAT30020B型鋼塑復(fù)合筋帶，破斷拉力為10.53 kN，延伸率為1.6%，筋帶按12 m等長(zhǎng)布置，填料為風(fēng)化泥巖，墻面板為CB-2型矩形混凝土面板。

本次測(cè)試主要圍繞拉筋拉力、墻背土壓力進(jìn)行。拉筋拉力的測(cè)試通過(guò)貼在拉筋上的應(yīng)變片獲得。墻背土壓力由靠近墻面并排布置的兩根拉筋拉力通過(guò)換算得到，認(rèn)為這兩根拉筋分擔(dān)了墻背承受的側(cè)向土壓力。測(cè)試點(diǎn)布置，如圖2所示。

圖2 測(cè)試斷面布置圖

圖3 實(shí)測(cè)拉筋拉力分布圖

3 試驗(yàn)分析

3.1 拉筋拉力

試驗(yàn)結(jié)果表明，拉筋上拉力一般均在2 kN以?xún)?nèi)，而拉筋的設(shè)計(jì)允許最大拉力為6 kN，破斷拉力在10 kN以上，另外拉筋可以產(chǎn)生的極限抗拔力也遠(yuǎn)大于拉筋上的最大拉力，這些表明目前墻體內(nèi)部穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)比較保守，不會(huì)發(fā)生拉筋破斷破壞。同時(shí)實(shí)測(cè)拉筋拉力分布，如圖3所示，拉筋上普遍存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的拉力峰值，且存在筋帶受壓的現(xiàn)象。

分析認(rèn)為，加筋土擋土墻拉筋拉力多峰值為正?，F(xiàn)象。第一個(gè)峰值是加筋區(qū)內(nèi)部拉筋拉力破壞或粘結(jié)破壞的潛在破壞面的位置，第二個(gè)峰值是當(dāng)墻高大于一定數(shù)值后，不僅只在墻趾附近產(chǎn)生一個(gè)破裂面，還在加筋土擋土墻內(nèi)部形成一個(gè)破裂楔體，拉筋一部分位于潛在滑動(dòng)楔體上，另一部分在穩(wěn)定體上，為保持平衡，則將出現(xiàn)第二個(gè)峰值。潛在破壞面位置，如圖4所示。

圖4 潛在破壞面位置

對(duì)加筋土擋墻的設(shè)計(jì)，特別是高加筋土擋土墻，應(yīng)該充分考慮到這一點(diǎn)，可以采用與破裂楔體法類(lèi)似的平衡分析方法。

此外，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，拉筋局部沒(méi)有受到張拉反而受壓。分析其原因可能有：一是施工中的因素(如填料不夠均勻、鋪設(shè)筋帶的土層表面不夠平整、施工機(jī)具碾壓等)會(huì)導(dǎo)致柔性筋帶受壓受扭，而不是理想的單純受拉狀態(tài)，從而導(dǎo)致電阻應(yīng)變片測(cè)出的拉力是筋帶在多種作用下產(chǎn)生的合力；二是在加筋墻內(nèi)可能存在兩個(gè)潛在的破裂面，形成兩個(gè)破裂楔體，當(dāng)兩者位移不一致時(shí)(如前者位移小，后者位移大)，形成局部擠密區(qū)，不同的擠密區(qū)產(chǎn)生的位移往往不一致，這種不均勻變形會(huì)導(dǎo)致筋帶受壓。

3.2 墻背土壓力分布

對(duì)高加筋土擋墻的墻背土壓力分布，M.D.Bolton教授曾經(jīng)采用離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果擬合，得到其分布情況符合經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Ei——墻背側(cè)向土壓力(kN)；Ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)；L——筋帶長(zhǎng)度(m)；H——墻高(m)；γ——填料容重(kN/m3)；hi——第i條筋帶與墻頂?shù)木嚯x(m)。

為了便于比較，將3個(gè)斷面的實(shí)測(cè)墻背土壓力分布及0.3H法、經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖5～圖7所示。

圖5 斷面A(墻高7 m)墻背側(cè)向土壓力

圖6 斷面B(墻高10 m)墻背側(cè)向土壓力

圖7 斷面C(墻高12 m)墻背側(cè)向土壓力

從圖5～圖7中可以看出它有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)實(shí)測(cè)土壓力的分布呈明顯的鋸齒形，這反映了加筋土擋墻的兩個(gè)特點(diǎn)：一是由于相鄰兩層拉筋之間形成承壓土拱，如圖8所示，卸掉了來(lái)自墻背的土壓力；二是由于加筋墻的墻面為柔性結(jié)構(gòu)，發(fā)生的位移由墻面的整體位移(公移)和墻面板因?yàn)樽陨磔S線與整體墻面的軸線不重合而產(chǎn)生的位移(自移)兩部分組成(如圖9所示)，從而使墻背側(cè)向土壓力呈鋸齒狀。

圖8 拉筋間土體承壓拱示意圖

圖9 墻面板位移示意圖

(2)總體上看，側(cè)向土壓力的外輪廓線呈現(xiàn)上下兩端小、中間大的趨勢(shì)，這與一般擋土墻背后土壓力分布規(guī)律一致。當(dāng)墻高越大時(shí)，墻后側(cè)向土壓力在下部變小的趨勢(shì)越明顯，甚至接近于零。

比較圖5～圖7中的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值可知，面板后的側(cè)向土壓力隨埋深減小的趨勢(shì)非常明顯，按0.3H法計(jì)算值在墻高為7 m時(shí)與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近， 而對(duì)于墻高為10 m和12 m的斷面， 0.3H法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)相差過(guò)大，過(guò)于保守，采用經(jīng)驗(yàn)公式的結(jié)果更合理一些。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及對(duì)結(jié)果分析比較可以得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于高大加筋土擋土墻，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮兩個(gè)破裂楔體的存在，分別檢算。

(2)墻背的側(cè)向土壓力分布呈現(xiàn)鋸齒形，整體趨勢(shì)為中間大，兩端小，對(duì)于高加筋土擋墻，土壓力在下部減小的趨勢(shì)更明顯。

(3)0.3H法用于低矮加筋土擋土墻設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近，但用于高墻的設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守。采用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算高加筋土擋土墻的側(cè)向土壓力更合適。

以上結(jié)論是對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)定性分析的結(jié)果，若要將其定量應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)還需要更進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

[1] 楊廣慶,蔡英,蘇謙.高路堤加筋土擋土墻的變形和受力研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2003, 22(2):321-326. YANG Guangqing, CAI Ying, SU Qian.Testing study on deformation and stress of reinforced earth retaining wall for high embankment [J]. Chinese journal of rock mechanics and engineering， 2003, 22(2):321-326.

[2] 常維君.鐵路路堤加筋土擋墻工程試驗(yàn)及設(shè)計(jì)理論分析[D].成都:西南交通大學(xué), 2000. CHANG Weijun. Engineering tests and theoretical studies on reinforced earth retaining walls of railway embankment [D]. Chengdu:Southwest Jiaotong University, 2000.

[3] 楊廣慶,周敏娟,張保儉.加筋土擋土墻水平位移研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005, 24(7):1248-1252. YANG Guangqing, ZHOU Minjuan, ZHANG Baojian. Study on the horizontal displacement of reinforced retaining walls [J]. Chinese journal of rock mechanics and engineering， 2005, 24(7):1248-1252.

[4] 張孟喜，孫遇祺，李國(guó)祥.加筋土擋墻工作機(jī)理的室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，1999，21(5):79-82. ZHANG Mengxi, SUN Yuqi, LI Guoxiang. Laboratory test study of the fundamental mechanism of reinforced earth retaining walls [J]. Journal of the China railway society, 1999,21(5):79-82.

[5] 俞錫健.土工合成材料加筋土支擋結(jié)構(gòu)的理論研究[J].路基工程，1997，15(2):45-52. YU Xijian. Theoretical study on geosynthetics reinforced earth retaining structures [J]. Subgrade engineering, 1997,15(2):45-52.

Testing Study on Earth Pressure of High Reinforced Earth Retaining Wall

SHE Zhiqing

(China Railway No.5 Engineering Group Co.,Ltd.,Hengyang 421000， China)

0.3H method is usually used for reinforced retaining wall design now. This method has been successfully applied in the design of low retaining wall, but there is a big difference between the actual state of the high wall and the assumption of the 0.3H method. In this paper, three reinforced earth retaining wall sections with height of 7 m, 10 m, and 12 m are tested at site. The tensile force of the tied reinforcement and back earth pressure are analyzed, the distribution pattern of the tensile force of the tied reinforcement along the tied reinforcement length direction as well as that of wall back earth pressure are obtained, which shows that the lateral earth pressure distribution on the wall back is zigzag. Through comparing between the test data and the traditional design results, it is considered that the 0.3H method used for low reinforced earth retaining wall is more close to the measured results, but too conservative for high retaining wall design, using the empirical formula to calculate the lateral soil pressure of high retaining wall is more appropriate.

high reinforced earth retaining wall; tensile force of the tied reinforcement; lateral earth pressure; 0.3H method

2016-03-08

佘志清(1971-)，男，高級(jí)工程師。

1674—8247(2016)03—0038—04

U417.3

A