工作狀態(tài)下加筋土擋墻土壓力分布規(guī)律研究

周亦濤,梁小勇,王蓉蓉,薛曉輝,王道遠(yuǎn)

(1.河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校水利工程系,河北滄州 061001;2.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北石家莊 050018;3.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,陜西渭南 714000;4.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系,河北石家莊 050091)

工作狀態(tài)下加筋土擋墻土壓力分布規(guī)律研究

周亦濤1,梁小勇2,王蓉蓉1,薛曉輝3,王道遠(yuǎn)4

(1.河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校水利工程系,河北滄州 061001;2.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北石家莊 050018;3.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,陜西渭南 714000;4.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系,河北石家莊 050091)

加筋土擋墻墻背側(cè)向土壓力的計(jì)算方法都不能很好地解釋工作狀態(tài)下的分布情況,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明土壓力沿墻高呈上下小、中間大的形式分布。微元體法得出的重力式擋墻墻背主動(dòng)土壓力與靜止土壓力分布形式與加筋土擋墻現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果比較接近,然而2種土壓力進(jìn)行組合后,分布形式吻合得非常好,但大小相差比較大。綜合考慮了拉筋垂直層間距與填料的影響,提出了加筋土擋墻墻背土壓力計(jì)算模型,并對(duì)模型中的拉筋層豎向間距對(duì)加筋土擋墻墻背土壓力的影響系數(shù)進(jìn)行了初步探討,然后與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,證實(shí)了該模型的合理性。

側(cè)向土壓力;加筋土擋墻;土壓力系數(shù);豎向間距

加筋土擋墻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是拉筋拉力的計(jì)算,而拉筋拉力是用來抵消墻背土壓力的[1]。因此,加筋土擋墻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵實(shí)質(zhì)上是怎樣確定墻背土壓力。墻背土壓力的計(jì)算,目前有庫(kù)侖合力法、庫(kù)侖力矩法、正應(yīng)力均勻分布法、正應(yīng)力梯形分布法、正應(yīng)力梅氏分布法、Osman能量法、經(jīng)驗(yàn)法和公路變系數(shù)法[2]等,都是對(duì)朗肯土壓力理論進(jìn)行修正,且填土表面有荷載下土中應(yīng)力的影響都是按一定的角度擴(kuò)散的[3]。其中公路變系數(shù)法較其他方法能合理解釋一些實(shí)際土壓力分布情況,因而在加筋土擋墻設(shè)計(jì)中得以廣泛應(yīng)用。但這些計(jì)算理論都是基于極限平衡理論的,而擋墻在工作狀態(tài)下并沒有達(dá)到極限狀態(tài),因而加筋土擋墻墻背土壓力分布非上述理論能解釋。

許多研究人員用微元體法對(duì)處在主動(dòng)極限狀態(tài)下的滑楔體進(jìn)行了研究,得出了墻背土壓力沿墻高呈上下小、中間大的曲線分布公式[4～9]。目前,加筋土擋墻現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究結(jié)果表明墻背土壓力沿墻高呈上下小、中間大的分布形式[10,11],因而筆者將利用他們的研究成果,并對(duì)筋材豎向間距加以考慮,來對(duì)加筋土擋墻墻背側(cè)向土壓力分布進(jìn)行探討。

1 重力式擋墻墻背土壓力

假設(shè)擋墻高 h(m),填土表面水平且有均布荷載q(kN/m),無黏性填土容重為γ(kN/m3)。墻后填土沿破裂角為θ的破裂面沿下有滑動(dòng)趨勢(shì),其微元體受力如圖1所示[4]。

距離填土表面z處的擋墻墻背土壓力按王元占等推導(dǎo)的公式[4]計(jì)算:

圖1 填土微元體受力簡(jiǎn)圖Fig.1 Forces acting on differential element of backfill

2 加筋土擋墻墻背土壓力計(jì)算

2.1 工作狀態(tài)下的墻背側(cè)向土壓力計(jì)算

工作狀態(tài)下,擋墻墻背土壓力一般處在主動(dòng)土壓力與靜止土壓力之間,且沿墻高呈上下兩端小、中間大的曲線分布[4～9],擋墻總會(huì)出現(xiàn)一定的位移(可能是平移、繞墻趾轉(zhuǎn)動(dòng))[7,12],墻趾處位移微小。筆者認(rèn)為墻趾處不發(fā)生位移,墻頂處為主動(dòng)土壓力,墻趾處為靜止土壓力,則可按式(4)來計(jì)算墻背土壓力(簡(jiǎn)稱組合法土壓力)。

式中:σL為距離填土表面 z處的重力式擋墻墻背側(cè)向土壓力;σa按式(2)計(jì)算;σ0按式(3)計(jì)算。

式(4)適合于計(jì)算重力式擋墻背向填土的位移情況;也適合于加筋土擋墻,因?yàn)榧咏钔翐鯄σ话銇碚f不會(huì)發(fā)生擠壓填土的情況。

2.2 加筋土擋墻墻背土壓力計(jì)算模型

式(4)計(jì)算得出的加筋土擋墻墻背側(cè)向背土壓力偏大,這是因?yàn)樵撚?jì)算式?jīng)]有考慮筋材的作用。筆者在考慮拉筋豎向?qū)娱g距影響的情況下,建立了如式(5)所示的模型來計(jì)算加筋土擋墻墻背土壓力(簡(jiǎn)稱加筋組合法土壓力)。

式中:σ為距離填土表面z處的加筋土擋墻背側(cè)向土壓力;f(s)為加筋土擋墻土壓力拉筋豎向間距影響系數(shù),f(s)=1-e-λs,λ為由填土與筋材物理特性所決定的系數(shù),且λ>0;s為拉筋層間距;σL按式(4)計(jì)算。

2.3 模型的合理性分析

由于λ>0,則d f(s)/d s>0,所以加筋土擋墻墻背土壓力隨筋材豎向間距的增加而增加。

當(dāng)s=0時(shí),f(0)=0,則有σ=0。這說明墻后全是筋材而沒有填土的時(shí)候,墻背沒有壓力,這與筋材的自立性相符合。

當(dāng)s→+∞時(shí),f(+∞)=1,則有σ=σL。即加筋土擋墻墻背土壓力隨筋材豎向間距的增加而增加,且有界。說明沒有拉筋的時(shí)候墻背土壓力就是重力式擋墻墻背土壓力。

由于筋材豎向間距s的取值為(0,+∞),則加筋土擋墻墻背土壓力σ的相應(yīng)取值為(0,σL)。以上的討論,說明了式(5)計(jì)算加筋土擋墻墻背土壓力的合理性。

2.4 模型中參數(shù)λ的確定

模型中的參數(shù)λ與回填土的物理特性及筋材的物理特性有關(guān)。填土壓縮模量與內(nèi)摩擦角越大,筋土間相互作用越大,墻背土壓力也越大;筋材的彈性模量越大,墻背土壓力越小。則擬將按式(6)確定參數(shù)λ。

式中:Ef為筋材的彈性模量(M Pa);Es為回填土的壓縮模量(M Pa);vs為回填土的泊松比。

沒有材料的物理參數(shù)時(shí),對(duì)土工格柵拉筋加筋土擋墻可以取λ=2.5。當(dāng)s=1時(shí),f(1)=1-e-2.5×1=0.92≈1,這說明拉筋層間距不宜大于1 m。

2.5 模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

例1 贛(州)龍(巖)鐵路線上某段加筋土擋墻,墻高 h=12.2 m,填土表面荷載 q=0,墻體上部4.7～12.2 m,填土容重γ=17 kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=22°,彈性模量 Es=25 M Pa,泊松比 vs=0.3,拉筋采用A型,其彈性模量 Ef=2 515 M Pa;墻體下部0～4.7 m填土容重γ=19.2 kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=35°,彈性模量Es=55 M Pa,泊松比 vs=0.3,拉筋采用B型,其彈性模量 Ef=2 017 M Pa。整個(gè)擋墻的拉筋豎向間距s=0.5 m,這里取填土與墻背之間的摩擦角δ=φ/2[13]。

表1 土壓力參數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.1 Parameters calculation of lateral soil p ressure

參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1,加筋土擋墻竣工后墻背側(cè)向土壓力實(shí)測(cè)值與理論值的比較見圖2。從圖2可以看出,實(shí)測(cè)值與理論值相當(dāng)接近,差值都在5 kPa左右,實(shí)測(cè)與理論最大值基本上在同一高度,且中下部土壓力較大處誤差相差10%左右,說明加筋土擋墻墻背土壓力實(shí)測(cè)值與理論值非常吻合。因此,加筋組合法土壓力能有效反映工作狀態(tài)下的墻背土壓力分布。

例2 梅(州)坎(市)鐵路某路堤雙級(jí)加筋土擋墻上級(jí)墻,墻高 h=6.4 m,填土容重γ=19 kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=35°,拉筋豎向間距 s=0.3 m[14,15]。其他參數(shù)缺失 ,取 q=20 kPa,δ=φ/2,λ=2.5,則f(s)=0.528。理論計(jì)算與實(shí)測(cè)值的比較見圖3,實(shí)測(cè)最大值與理論值相當(dāng)接近,其誤差在10%以內(nèi)。從圖3可以看出,本模型計(jì)算出的土壓力對(duì)臺(tái)階式加筋土擋墻上級(jí)墻也是比較有效的。

圖2 加筋土擋墻側(cè)向土壓力分布圖Fig.2 Distribution of lateral soil p ressure of reinforced earth retaining wall

從以上2個(gè)例子可以看出,筆者的模型計(jì)算值都大于實(shí)測(cè)值,因此本模型是偏于安全的,可以用于指導(dǎo)施工與設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 論

通過以上的研究分析,得出如下結(jié)論。

1)筆者提出的加筋土擋墻墻背側(cè)向土壓力計(jì)算模型較好地反映了土壓力隨墻高呈中間大、上下小的分布規(guī)律,即土壓力先隨加筋填土深度的增加而增加,達(dá)到最大值后便開始減小。對(duì)單級(jí)加筋土擋墻,本模型與實(shí)測(cè)值吻合得尤其好,不但分布形式一致,而且?guī)缀踉谕晃恢贸霈F(xiàn)最大值。

2)本模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相當(dāng)接近,在中部出現(xiàn)最大值處誤差在10%左右。且筆者提出的加筋組合法土壓力值都比實(shí)測(cè)值大,是偏于安全的,可以用于指導(dǎo)施工設(shè)計(jì)。

3)拉筋豎向間距影響系數(shù)隨豎向間距的增加而增加,墻背土壓力也隨著增加,但豎向間距大于1 m后影響系數(shù)增加很微小,土壓力也基本上沒有什么變化。因而拉筋豎向間距不宜大于1 m。

4)筆者的研究只是一種嘗試,需要大量的試驗(yàn)來進(jìn)一步研究。

圖3 多級(jí)臺(tái)階式加筋土擋墻側(cè)向土壓力分布圖Fig.3 Distribution of lateral soil p ressure of multi-steps reinforced earth retaining wall

[1] 凌天清,曾德榮.公路支擋結(jié)構(gòu)[M].北京:人民交通出版社,2006.

[2] 張師德,吳邦穎.加筋土結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1986.

[3] 楊廣慶.路基工程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2003.

[4] 王元占,李新國(guó),陳楠楠.擋土墻主動(dòng)土壓力分布與側(cè)壓力系數(shù)[J].巖土力學(xué)(Rock and Soil M echanics),2005,26(7):1 019-1 022.

[5] 劉忠玉,馬德遂,何盛東.層狀填土的主動(dòng)土壓力計(jì)算[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)(Journal of Zhengzhou University(Engineering Science)),2004,25(3):56-59.

[6] 蔣希雁,宋思忠.層狀填土的主動(dòng)土壓力的理論研究與計(jì)算分析[J].建筑科學(xué)(Building Science),2006,22(6):22-24.

[7] 高 軍.復(fù)合土釘支護(hù)技術(shù)在軟巖高邊坡防護(hù)中的應(yīng)用及其作用機(jī)理[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)(Journal of Hebei University of Science and Technology),2004,25(2):69-73.

[8] 岳祖潤(rùn),彭胤宗,張師德.壓實(shí)粘性土填土擋土墻土壓力離心模型試驗(yàn)[J].巖土工程學(xué)報(bào)(Chinese Journal of Geotechnical Engineering),1992,14(6):90-96.

[9] 陳雪華,律文田,王永和.橋臺(tái)臺(tái)背土壓力的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)(Rock and Soil Mechanics),2006,27(8):1 407-1 410.

[10] 唐輝明,林 彤.三峽工程庫(kù)區(qū)巫縣加筋土擋墻離心模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)(Chinese Journal of Rock Mechanics Engineering),2004,23(17):2 893-2 901.

[11] 周世良,何光春,汪承志,等.臺(tái)階式加筋土擋墻模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)(Chinese Journal of Geotechnical Engineering),2007,29(1):152-156.

[12] 梅國(guó)雄,宰金珉.考慮變形的朗肯土壓力模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)(Chinese Journal of Rock Mechanics Engineering),2001,20(6):851-853.

[13] 楊廣慶.土工格柵加筋土擋墻水平變形研究[D].北京:北京交通大學(xué),2005.

[14] 王 祥,徐林榮.雙級(jí)土工格柵加筋土擋墻的測(cè)試分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)(Chinese Jouranl of Geotechnical Engineering),2003,25(2):20-24.

[15] 范春起.風(fēng)壓式高層建筑外墻清洗機(jī)的控制系統(tǒng)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)(Journal of Hebei University of Science and Technology),2003,24(4):77-81.

Study on distribution of working lateral soil p ressures fo r reinfo rced earth retaining w all

ZHOU Yi-tao1,L IANG Xiao-yong2,WANG Rong-rong1,XUE Xiao-hui3,WANGDao-yuan4
(1.Department of Hydraulic Engineering,Hebei Engineering and Technical College,Cangzhou Hebei 061001,China;2.College of A rchitecture Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei050018,China;3.Department of Civil Engineering and A rchitecture,Shaanxi Railway Institute,Weinan Shaanxi714000,China;4.Departmentof Civil Engineering,Hebei Jiaotong Vocational and Technical College,Shijiazhuang Hebei 050091,China)

A t p resent,no methods fo r lateral soil p ressure of reinfo rced earth retaining wall can explain the distribution of wo rking p ressure.The site tests show that the lateral soil p ressure is distributed w ith greater value in the middle and less though at the bo ttom and the top.The distribution of the active and static soil p ressure in the gravity retaining wall,w hich is obtained acco rding to differential element method,is quite close to the site tests of the lateral soil p ressure in reinforced earth retaining wall.The linear combination of the active and static soil p ressure is consistent w ith the site test in shape,but not in values.Acco rding to soil p ressure combination,lateral soil p ressuremodel considering vertical spacing of in reinforced earth retaining wall was put forward.This paper discusseed influence coefficient of the vertical spacing of the reinforcement to the lateral soil p ressure in reinfo rced earth retaining wall.Then the model was confirmed by the site tests and the results show the reasonability of the model.

lateral soil p ressure;reinfo rced earth retaining wall;coefficient of earth p ressure;vertical spacing

TU 43

A

1008-1542(2010)01-0067-04

2009-06-15;責(zé)任編輯:馮 民

周亦濤(1978-),男,四川宣漢人,講師,碩士,主要從事土木工程方面的教學(xué)與研究。