基于砂箱模型試驗的肋板式擋墻穩(wěn)定性及合理布置方式分析

姚陽，羅強，謝濤，張玉廣,張良，蔣良濰

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

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基于砂箱模型試驗的肋板式擋墻穩(wěn)定性及合理布置方式分析

姚陽1,2，羅強1,2，謝濤1,2，張玉廣1,2,張良1,2，蔣良濰1,2

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

肋板式擋墻是由墻面擋土板、摩擦錨固肋板和肋間土體組成的一種新型支擋結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性主要受肋板長度及布置間距的影響，為此開展了采用紙質(zhì)作為擋墻面板和肋板的小型砂箱模型試驗。研究結(jié)果表明：肋板式擋墻承受的土壓力主要通過肋板與肋間土體的摩阻力平衡，穩(wěn)定需滿足肋板最小長度，且肋板長度≥布置間距的基本布置要求；根據(jù)不同的肋板布置方式，肋板式擋墻存在長肋疏布的摩擦錨固型和短肋密布的整體土墻型2種典型作用模式；極限穩(wěn)定狀態(tài)下，肋板長度≈布置間距的過渡型布置方式最合理，所需肋板面積最小。

肋板式擋墻；砂箱模型；墻體穩(wěn)定性；作用模式；布置方式

肋板式擋土墻是一種新型的輕型支擋結(jié)構(gòu)，由擋墻面板與垂直分布在面板上的肋板組成，如圖1所示。肋板式擋墻是利用鋼筋混凝土肋板豎直植入陡坡地基穩(wěn)定土層中獲得的抗拔抗傾抗剪力，來平衡土體對擋墻面板的側(cè)向土壓力，實現(xiàn)陡坡地基擋土結(jié)構(gòu)的平衡穩(wěn)定，從而防止陡坡路基土體變形失穩(wěn)。肋板式擋墻的肋板具有較大的剛度，可以約束土體的側(cè)向變形，其施工時對土體的擾動較小。由于肋板與面板可以預(yù)制，施工裝配較為簡單快捷。墻面板可以垂直砌筑，可大量減少占地，且擋墻結(jié)構(gòu)造型美觀?，F(xiàn)在普遍應(yīng)用的支擋結(jié)構(gòu)有重力式擋墻，懸臂式擋墻，卸荷板式擋墻，加筋土擋墻等[1-8]。其中，重力式擋墻是依靠墻身自重抵抗土體側(cè)壓力；懸臂式擋墻由底板和固定在底板上的直墻構(gòu)成，主要靠底板上的填土重量來維持穩(wěn)定；卸荷板式擋墻是一種墻背帶有卸荷板的輕型擋墻，由于卸荷板的存在，使卸荷板上的填料作為墻體重量，而卸荷板又減少了下墻的土壓力，增加全墻的抗傾覆穩(wěn)定性；加筋土擋墻是在土中加入拉筋，利用拉筋土之間的摩擦作用來維持墻體的穩(wěn)定。一些學(xué)者[9]設(shè)計出新型結(jié)構(gòu)的擋土墻，也在工程中取得了良好的效果。而肋板式擋墻不同于以上各類擋墻的受力模式，它是通過肋板與土體間的摩擦力來平衡土體水平土壓力來保證土體穩(wěn)定。受試驗規(guī)模、場所條件的限制，根據(jù)Roscoe[10]的定性小模型試驗理論，不嚴格考慮材料相似性，以紙板模擬擋墻模型，砂箱模擬墻后土體制定砂箱模型試驗[11-13]。通過砂箱模型試驗開展肋板式擋墻穩(wěn)定特性研究，重點分析不同肋板長度及間距下，肋板式擋土墻的穩(wěn)定情況，從而得出肋板式擋墻的合理布置方案。使肋板式擋墻中的肋板得到充分的利用，探討作用機理，建立結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

圖1　肋板式擋墻構(gòu)造Fig.1 Ribbed plate type retaining wall structure

1　模型試驗設(shè)計及參數(shù)

模型砂箱：幾何尺寸為長75 cm，寬50 cm，高50 cm，面板可拆卸，箱體材料側(cè)板為1.5 cm厚膠合板，底板厚度為2 cm厚膠合板，砂箱開口處有一塊可拆卸面板，距砂箱頂端2 cm處有一連桿，如圖2(a)所示。

單位：cm(a)砂箱構(gòu)造；(b)移動面板圖2　試驗用砂箱及可移動面板尺寸Fig.2 Test sand box and movable panel size

擋墻面板采用250 g白卡紙，平面尺寸為50 cm×46 cm，如圖2(b)所示。試驗中需根據(jù)砂箱凈尺寸對墻面紙板進行折疊，兩側(cè)向后折疊1.5 cm。折疊后實際尺寸47 cm×46 cm。擋墻面板安放在距離砂箱外表面2 cm處。緊靠著可移動模型面板。

擋墻肋板：采用2 mm全灰紙板，預(yù)制所需尺寸。

表1　砂土顆粒級配

圖3　粒徑級配曲線Fig.3 Grain size distribution curve

2　模型試驗基本原理

對于多變量影響的問題，往往采用控制變量的方法來研究問題，即控制某一個變量改變而其他的幾個變量保持不變來做試驗，得到此改變的變量對試驗結(jié)果的影響。然后用同樣的方法控制另一個變量變化而其他變量不變重復(fù)試驗，這樣就可以分析得到所有單一變量對試驗結(jié)果的影響，對問題的研究更加科學(xué)精確。

肋板式擋墻的穩(wěn)定性主要受到肋板長度、肋板間距、肋板高度3個因素影響。肋板用料總面積=肋板長度×肋板高度×肋板數(shù)量，其中，肋板高度與面板高度等高，在本試驗中為定值。肋板數(shù)量與肋板間距有關(guān)。因此，只有肋板長度和肋板間距2個獨立變量對肋板式擋墻的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。以極限穩(wěn)定狀態(tài)為條件，探討肋板間距與肋板長度對擋墻穩(wěn)定性影響關(guān)系，得到在肋板用料面積最小時的合理布置方式及相應(yīng)破壞模式。

基于砂箱模型的肋板式擋墻試驗基本假定：1)擋土墻墻后填土為砂土(黏聚力c≈0)；2)擋土墻墻后土體達到主動極限狀態(tài)時，土體形成滑動楔體；3)砂箱模型墻體承受的土壓力符合線性分布。

采用朗肯土壓力[16]理論，土壓力呈上小下大的三角形分布，如圖4所示。

單位：cm圖4　填土破裂面及土壓力Fig.4 Earth filled fracture surface and earth pressure

3　肋板式擋墻極限穩(wěn)定狀態(tài)的模型試驗

3.1模型試驗方案

將模型面板與肋板按照設(shè)計尺寸制作裁剪，并通過木膠黏接，放置24 h令其充分固化后形成擋墻模型。試驗時先將擋墻模型緊貼放置于模型砂箱活動面板內(nèi)側(cè)，然后分層填筑墻后土體，并鋪平夯實，每層填筑10 cm，共5層。模型填筑完成后，緩慢撤去活動面板，觀察記錄擋墻模型是否穩(wěn)定，如圖5～6所示。

模型試驗通過改變肋板長度與肋板間距來探究其對穩(wěn)定性的影響，布置方案如表2所示。

表2　模型試驗方案

圖5　模型擋墻穩(wěn)定Fig.5 Model retaining wall stability

圖6　模型擋墻失穩(wěn)Fig.6 Model retaining wall instability

3.2墻體肋板等間距布置條件下的模型試驗

共進行了16個模型試驗，其中肋板數(shù)量分別為2，3，4和5塊，肋板長度分為10，15，20和25 cm。肋板采用等間距布置，墻體穩(wěn)定條件為墻面無明顯變形或漏砂。墻體肋板布置及穩(wěn)定狀態(tài)如表3所示。

表3　墻體肋板布置及穩(wěn)定狀態(tài)

試驗表明：1)肋板布置的疏密程度對肋板式擋墻面板變形有影響，肋板布置越疏，墻面板局部變形越大；肋板布置越密，墻面板平整度越好，如圖7～8所示。 2)在極限穩(wěn)定狀態(tài)下，長度為10 cm的4塊肋板布置方式所用肋板面積最小，如圖9所示。

圖7　2塊肋板下墻面板變形(局部變形大)Fig.7 Two floors under the deformation of wall panels (local deformation)

圖8　3塊肋板下墻面板變形(平整度好)Fig.8 Three ribs under the deformation of wall panel (good flatness)

圖9　4塊肋板布置方式Fig.9 Four ribs layout

3.3肋板合理布置方式試驗

表2試驗結(jié)果顯示，當肋板數(shù)目在2～3塊板時墻體穩(wěn)定性較差，在4～5塊時，墻面比較平整，因此在4塊以上肋板布置下繼續(xù)探究當肋板長度在10 cm及以下時肋板合理布置方式，如表4～7所示，肋板分布尺寸示意圖如圖10所示。

試驗表明：1)18號，1號與2號模型，在達到穩(wěn)定時肋板的總面積最小，屬于肋板較優(yōu)布置方式；2)肋板長度在8 cm以下時就很難保證試驗?zāi)Ｐ瓦_到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10　肋板分布尺寸示意圖Fig.10 Rib size distribution diagram

模型編號a/cmb/cmc/cmd/cme/cm肋板長度/cm肋板面積/cm2現(xiàn)象19.09.59.09.59.010.028.010.010.010.08.010.037.010.511.010.57.010.046.011.012.011.06.010.055.011.513.011.55.010.01840穩(wěn)定穩(wěn)定失穩(wěn)失穩(wěn)失穩(wěn)69.09.59.09.59.09.078.010.010.010.08.09.087.010.511.010.57.09.096.011.012.011.06.09.0105.011.513.011.55.09.01656失穩(wěn)失穩(wěn)失穩(wěn)失穩(wěn)失穩(wěn)119.09.59.09.59.08.0128.010.010.010.08.08.0137.010.511.010.57.08.0146.011.012.011.06.08.01354失穩(wěn)失穩(wěn)失穩(wěn)失穩(wěn)

表5　5塊肋板試驗結(jié)果

表6　6塊肋板試驗結(jié)果

表7　7塊肋板試驗結(jié)果

4　肋板式擋墻破壞模式與布置方式探討

4.1肋板式擋墻破壞模式

4.1.1長肋疏布下的錨固型破壞模式

當肋板長度較長且肋板間距較大時，在極限穩(wěn)定條件下，肋板與肋板間土體的摩擦力無法約束肋板間土體的滑動，使肋板間部分土體成為滑動體，破裂面位于肋板間土體內(nèi)部，如圖11所示。

4.1.2短肋密布下的整體土墻型破壞模式

當肋板長度較短且肋板間距較小時，在極限穩(wěn)定條件下，肋板與肋板間土體的摩擦力足夠約束肋板間土體的滑動而使肋板與肋板間土體形成整體式土墻，破裂面只能出現(xiàn)在假想墻背后，如圖12所示。

4.2破壞模式與肋板布置方式關(guān)系分析

為了更加明確地得到2種破壞模式與肋板布置方式的關(guān)系，引入3個肋板布置系數(shù)進行輔助分析：間距系數(shù)α；長度系數(shù)β；結(jié)構(gòu)系數(shù)δ。各組試驗達到極限穩(wěn)定狀態(tài)時3個系數(shù)如表8所列。

基于本試驗條件下得到的試驗結(jié)果，分析總結(jié)了極限穩(wěn)定狀態(tài)下各組試驗所需肋板最小面積與相對應(yīng)肋板數(shù)量的相互關(guān)系。當肋板數(shù)量為5塊，肋板長度為8 cm時擋墻可以保持穩(wěn)定，而當肋板長度減小為7 cm，肋板數(shù)量為6塊、7塊時擋墻無法保持穩(wěn)定，可認為本試驗條件下保證肋板總面積最小時能夠穩(wěn)定的肋板的最小長度為8 cm。因此，當肋板由長度為8 cm時的5塊增加到相同肋板長度的6塊、7塊時達到極限穩(wěn)定狀態(tài)下的肋板最小面積將呈增加的變化趨勢，對應(yīng)于圖13中直線cde?？梢?，長度為10 cm的4塊肋板布置方式和長度為8 cm的5塊肋板布置方式在極限穩(wěn)定狀態(tài)下所需肋板面積較小，對應(yīng)于曲線的最低點b和c，屬于短肋密布破壞模式，此時的肋板長度系數(shù)與間距系數(shù)均約為0.17～0.18；長度為25 cm的3塊肋板布置方式所需肋板面積較大，對應(yīng)于曲線a點，屬于長肋疏布方式，長度系數(shù)為0.272，間距系數(shù)為0.544?？梢?，滿足短肋密布破壞模式的肋板式擋墻肋板布置方法可以使擋墻在極限穩(wěn)定狀態(tài)下肋板面積最小。

(a)I-I截面；(b)俯視圖圖11　長肋疏布方式Fig.11 Long ribs sparse distribution method

(a)II-II截面；(b)俯視圖圖12　短肋密布方式Fig.12 Short ribs dense pattern

間距系數(shù)α(間距/高度)長度系數(shù)β(長度/高度)結(jié)構(gòu)系數(shù)δ(長度×間距/高2)0.2720.5440.1480.2170.5430.1180.4340.0940.3260.0710.2170.0470.1800.5420.0980.4320.0780.3240.0580.2180.0390.1740.1740.0300.1960.0340.1960.3260.0640.1520.1960.030

圖13　極限穩(wěn)定狀態(tài)下肋板數(shù)量與肋板面積Fig.13 Rib area and number of rib under the limit equilibrium state

圖13中a，b，c，d，e 5個點的肋板布置方式對應(yīng)的肋板布置系數(shù)與肋板數(shù)量關(guān)系如表9所示。進而得到滿足肋板布置最小面積條件下，肋板面積、肋板布置系數(shù)分別與肋板數(shù)量的關(guān)系如圖14所示。根據(jù)曲線的變化規(guī)律可將圖14分為3個區(qū)域，區(qū)域Ⅰ為長肋疏布區(qū)，對應(yīng)的破壞模式為摩擦錨固型；區(qū)域Ⅲ為短肋密布區(qū)，為整體土墻型破壞模式；區(qū)域Ⅱ為2種破壞模式的過渡區(qū)。在極限穩(wěn)定狀態(tài)下，隨肋板數(shù)量增加(間距系數(shù)變小)，肋板長度系數(shù)呈下降趨勢并最后趨于穩(wěn)定，最小長度系數(shù)βmin≈0.174；同時，結(jié)構(gòu)系數(shù)也呈下降趨勢。其中，長度系數(shù)>間距系數(shù)(肋板長度>肋板間距)，且結(jié)構(gòu)系數(shù)δ>0.047時為長肋疏布方式，而結(jié)構(gòu)系數(shù)δ<0.030時則為短肋密布方式；長度系數(shù)≈間距系數(shù)(肋板長度≈肋板間距)，且結(jié)構(gòu)系數(shù)0.030≤δ≤0.047為2種布置形式的過渡區(qū)，所需肋板面積最小，為合理布置方式。由此可見，肋板式擋墻達到穩(wěn)定狀態(tài)需滿足：1)長度系數(shù)β≥βmin；2)肋板長度≥肋板間距。

表9肋板面積最小的肋板布置系數(shù)

Table 9 Rib arrangement coefficient when the area of ribs is minimum

肋板數(shù)量/塊間距系數(shù)α長度系數(shù)β結(jié)構(gòu)系數(shù)δ30.2720.5440.14840.2170.2170.04750.1740.1740.03060.1430.1740.02570.1250.1740.022

圖14　肋板數(shù)量與肋板布置系數(shù)及肋板面積關(guān)系Fig.14 Number of ribs and rib plate arrangement coefficient and rib area

5　結(jié)論

1)肋板式擋墻是由墻面板、肋板和肋間土體組成，依靠肋板與土體摩擦平衡土壓力作用的輕型支擋結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性主要受肋板長度和布置間距的影響。試驗表明，肋板式擋墻的穩(wěn)定條件為長度系數(shù)β≥βmin≈0.174，肋板長度≥肋板間距。

2)肋板式擋墻的肋板由疏至密變化將依次呈現(xiàn)出摩擦錨固型和整體土墻型兩種作用模式。試驗表明，肋板長度>肋板間距，結(jié)構(gòu)系數(shù)δ>0.047為摩擦錨固型的長肋疏布區(qū)Ⅰ，δ<0.030為整體土墻型的短肋密布區(qū)Ⅲ。肋板長度≈肋板間距，0.030≤δ≤0.047為兩種模式的過渡區(qū)Ⅱ。

3)極限穩(wěn)定狀態(tài)下，過渡區(qū)肋板布置方式最合理，所需肋板面積最小。試驗表明，長肋疏布所需肋板面積隨肋板間距增加而提高；受肋板最小長度限制，短肋密布所需肋板面積則隨肋板間距的減小而增加。

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The stability and arrangement of ribbed slab retaining wall based on sandbox model test

YAO Yang1,2, LUO Qiang1,2, XIE Tao1,2,ZHANG Yuguang1,2, ZHANG Liang1,2,JIANG Liangwei1,2

(1.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Chengdu 610031, China)

Ribbed slab retaining wall is a new kind of retaining structure constructed of retaining plate, its stability is mainly affected by rib length and spacing. The sandbox model test was conducted using paper face-plate and ribbed plate. It shows that the soil pressure under ribbed slab retaining wall was mainly balanced by the friction of rib and intercostal soil. The stability conditions need to meet the layout requirements that the minimum length of the ribs is reached, and rib length is larger than floors spacing layout requirements. According to different floor layout of the structure. ribbed slab retaining wall mechanics model for long rib sparsely distributed friction anchoring type and short ribs clouds the whole wall type. On the limit steady state, between the two typical mechanical functions model, the floor layout is the reasonable arrangement—Rib length = rib spacing, and the floor area is minimum.

ribbed slab retaining wall; sandbox model test; stability of wall; mechanical model; arrangement of ribbed slab

2015-11-05

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB036204)

羅強(1963-)，男，四川宜賓人，教授，博士，從事高速鐵路路基工程研究；E-mail：LQROCK@swjtu.edu.cn>

TU476

A

1672-7029(2016)08-1499-08