砂袋擋土墻土壓力和變形特性的試驗(yàn)研究

肖玉強(qiáng)，李 偉，耿瑩瑩，李福棟

(1.中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司， 北京 100161；2.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110168)

砂袋擋土墻施工簡(jiǎn)單，不用特殊設(shè)備，有時(shí)僅靠人力也可施工，施工時(shí)也不像打樁那樣會(huì)有噪音，不會(huì)影響周圍環(huán)境。文獻(xiàn)[1]結(jié)合工程實(shí)例介紹了砂袋加固地基的原理、基本特性。文獻(xiàn)[2]分析砂袋擋墻的地震動(dòng)力響應(yīng)特征。對(duì)于所用的砂袋也有了很多研究，文獻(xiàn)[3-4]研究了砂袋的特性，具有很高的承載力，同時(shí)還有減振效果，砂袋內(nèi)裝的材料比較隨意，可以是不同類別的土或者是各種建筑廢棄渣料。文獻(xiàn)[5]結(jié)合從砂袋疊放方式、砂袋大小、等不同角度，研究砂袋墊層之間的摩擦及承載力影響因素。楊春山等[6]開(kāi)展了不同界面之間的摩擦特性直剪試驗(yàn)，例如袋與袋之間，土和袋之間，探討了不同充填度對(duì)模袋砂間界面摩擦特性的影響。

袋裝土最早應(yīng)用于防洪堤壩的構(gòu)筑中，近年來(lái)應(yīng)用及其廣泛，李偉等[7]利用袋裝砂土對(duì)地下管道進(jìn)行保護(hù)，進(jìn)行了袋裝砂土加固地基并維護(hù)地下管道的室內(nèi)模型試驗(yàn)，取得了極好的效果。張力等[8]針對(duì)寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌排工程中排水溝道局部滑移、坍塌問(wèn)題，探索將砂袋裝技術(shù)用于農(nóng)田排水溝道穩(wěn)固邊坡治理工程。武萍等[9]從傳統(tǒng)重力式擋土墻談起，引入新型的生態(tài)式土工格柵擋土墻，結(jié)合實(shí)際工程，從技術(shù)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)效益等方面對(duì)不同類型的擋土墻進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)加快生態(tài)式土工格柵擋土墻提出了合理的建議和意見(jiàn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)城市建設(shè)的和諧發(fā)展具有積極意義。

土壓力變形特性是影響擋土墻穩(wěn)定性的重要因素，其與擋土墻高度、寬度、墻背坡比等有密切關(guān)系。文獻(xiàn)[10]運(yùn)用水平微分單元法推導(dǎo)了主動(dòng)平衡狀態(tài)下砂袋柔性擋土墻土壓力的計(jì)算公式，并進(jìn)行了模型試驗(yàn)用砂袋層間摩擦試驗(yàn)，分析了土壓力沿砂袋墻體水平方向的傳遞規(guī)律。文獻(xiàn)[11]采用FLAC3D軟件對(duì)某三級(jí)加筋擋墻進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析得出土體摩擦角與擋土墻位移與剪應(yīng)力的關(guān)系，文獻(xiàn)[12]也介紹了與砂袋擋土墻相似的加筋擋土墻，探討擋土墻側(cè)向土壓力確定標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性原則，以及對(duì)擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析提供更具理論依據(jù)的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[13-14]研究砂袋柔性擋墻在頂部豎向荷載作用下的擋墻變位模式及土壓力系數(shù)分布情況，進(jìn)行了砂袋柔性擋墻二維模型試驗(yàn)，分析了不同豎向荷載作用下土壓力系數(shù)沿墻高的分布規(guī)律。砂袋擋土墻與加筋擋土墻還有些相似，劉明志等[15]對(duì)土工格柵加筋土擋墻的變形行為進(jìn)行了綜合研究分析。但砂袋擋土墻依然屬于重力式擋土墻。本文設(shè)置不同寬度和坡比作為對(duì)照組，主要研究：(1) 在均布荷載作用下墻內(nèi)及墻背土壓力分布規(guī)律；(2) 砂袋擋墻不同高度位置處墻中和墻邊水平位移變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料特性及設(shè)備

1.1.1 砂土

本次試驗(yàn)選用的砂土粒徑介于0.075 mm～0.6 mm，顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1砂土顆粒級(jí)配曲線

1.1.2 砂袋模型

本試驗(yàn)所用砂袋是由剪裁塑料編織袋后縫紉而成，尺寸為200 mm×100 mm。將砂土裝入袋中，填充度為80%。砂袋實(shí)物圖見(jiàn)圖2。

圖2填砂封口后的模型砂袋

1.1.3 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所用模型砂槽尺寸為3.0 m×1.5 m×1.4 m，如圖3所示。試驗(yàn)采用有機(jī)玻璃柔性承載板，尺寸為680 mm×370 mm，采用微型應(yīng)變式土壓力計(jì)間接測(cè)定土壓力，土壓力計(jì)尺寸為28 mm×10 mm(直徑×厚度)，靈敏度系數(shù)為2.0。試驗(yàn)用油壓千斤頂對(duì)模型擋土墻后填土進(jìn)行豎向加載，加載系統(tǒng)選用高精度伺服液壓設(shè)備。傳力架傳達(dá)方式如圖4所示，可以將集中荷載轉(zhuǎn)化為八個(gè)距離相等的線荷載，以模擬均布荷載。數(shù)據(jù)則通過(guò)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖3 模型砂槽

圖4傳力架傳達(dá)方式

1.2 試驗(yàn)方案及步驟

1.2.1 試驗(yàn)方案

在不考慮砂袋擋土墻墻背坡度的情況下，改變砂袋擋土墻寬度，進(jìn)行墻身寬度分別為400 mm、600 mm、800 mm的室內(nèi)模型試驗(yàn)，在不考慮墻頂寬度的情況下，改變砂袋擋土墻墻背坡度，進(jìn)行墻背坡度分別為1∶0.25、1∶0.40、1∶0.55，墻頂寬度統(tǒng)一為300 mm的模型試驗(yàn)，墻高統(tǒng)一為1 000 mm。研究以下兩點(diǎn)內(nèi)容：(1) 在均布荷載作用下墻內(nèi)及墻背土壓力分布及傳遞規(guī)律；(2) 砂袋擋土墻在均布荷載作用下不同高度位置的墻中及墻邊水平位移分布規(guī)律。模型擺放形式如圖5所示，以寬度400 mm和墻背坡比1∶0.25為例。

圖5模型擺放形式(單位：mm)

1.2.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)前對(duì)模型砂槽底部及兩側(cè)內(nèi)壁進(jìn)行清理。在砂槽底部鋪一層薄砂。砂槽內(nèi)的砂袋縱橫交錯(cuò)排列，在鋪下一層砂袋之前，要在砂袋表面撒一層砂土并壓實(shí)，層與層之間的縫隙要用砂土填充。

墻高均設(shè)計(jì)為1 m，在擋土墻外側(cè)堆積砂土高度為200 mm，用來(lái)模擬擋土墻的嵌固深度。把擋土墻墻后逐漸填砂土，當(dāng)填的砂土與擋土墻高度一致時(shí)停止，即填充高度為1 000 mm。在填充墻后砂土?xí)r，為測(cè)定水平土壓力的大小，需埋設(shè)土壓力計(jì)，本試驗(yàn)將墻背土壓力定義為F1列，砂袋之間的土壓力依次計(jì)為F2列和F3列，土壓力計(jì)豎直放置并固定，土壓力計(jì)距離墻底高度分別為150 mm、300 mm、450 mm、600 mm、750 mm，土壓力計(jì)之間的距離隨寬度和坡比的變化而變化。在砂袋擋土墻后的填土表面放置有機(jī)玻璃承載板，承載板上放置自制傳力架，在砂袋擋土墻墻面的中間及靠近邊緣位置分別設(shè)置一列水平位移標(biāo)記點(diǎn)A1列和A2列，兩列標(biāo)記點(diǎn)之間的距離為550 mm，標(biāo)記點(diǎn)距離墻底高度分別為250 mm、400 mm、550 mm、700 mm、850 mm，每列5個(gè)點(diǎn)，共10個(gè)點(diǎn)。加載前和加載后分別量測(cè)標(biāo)記點(diǎn)到砂槽的水平距離，差值即為標(biāo)記點(diǎn)的水平位移。試驗(yàn)通過(guò)千斤頂進(jìn)行分級(jí)加載，每級(jí)4.03 MPa。測(cè)試元件布置如圖6所示，以墻寬800 mm為例。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 墻背及墻內(nèi)土壓力結(jié)果分析

2.1.1 墻背土壓力結(jié)果分析

以墻寬800 mm和墻背坡比1∶0.55為例，由圖7可知， 其余幾組與其分布規(guī)律一致。在相同的豎向均布荷載作用下，不同墻寬和坡比的墻背土壓力的最大值和最小值的分布位置也都相同，最大值均在距墻底300 mm(即距墻底約1/3)處，土壓力最小值在距離墻底約3/4處。在不同高度位置處，墻寬800 mm和墻背坡比1∶0.55的墻背土壓力最大值在這三組試驗(yàn)中最大，墻寬800 mm的墻背土壓力值為39.65 kPa，墻背坡比為1∶0.55時(shí)的墻背土壓力值為為35.21 kPa。在相同的墻頂壓力作用下，隨著擋土墻寬度和墻背坡比的增加，不同高度位置處的墻背土壓力也都逐漸增加。

圖6測(cè)試元件的布置

圖7墻頂壓力與墻背土壓力關(guān)系曲線

2.1.2 墻內(nèi)土壓力結(jié)果分析

本試驗(yàn)選取4.03 kPa、12.09 kPa、20.15 kPa三種荷載下?lián)跬翂υ诓煌叨忍幫翂毫χ底龇治鰧?duì)比。以荷載為12.09 kPa為例，在相同均布荷載作用下，隨擋土墻寬度的增加，F(xiàn)2列呈現(xiàn)出鼓型分布，隨著墻體高度的增加時(shí)，F(xiàn)2列先增大到最大值，之后由最大值逐漸減小，F(xiàn)2列的最大值在距離墻底約1/3處，最小值在距離墻底約3/4處，這些規(guī)律均與墻背土壓力F1列相似。F3列增量不明顯，呈現(xiàn)出近似直線的分布，也可看出F3列

圖8 均布荷載為12.09 kPa時(shí)不同墻寬下墻內(nèi)土壓力及墻高度關(guān)系

圖9均布荷載為12.09kPa時(shí)不同墻背坡比下墻內(nèi)土壓力及墻高度關(guān)系

2.2 擋土墻水平位移結(jié)果分析

本試驗(yàn)選取12.09 kPa、24.18 kPa、36.27 kPa、52.41 kPa四種荷載下?lián)跬翂υ诓煌叨忍幩轿灰浦底龇治鰧?duì)比。以均布荷載12.09 kPa和52.41 kPa為例，由圖10可知，擋土墻寬為400 mm時(shí)，墻中的最大水平位移為19.6 mm，墻頂壓力為52.41 kPa，出現(xiàn)在距離墻底約2/5墻高位置處，此時(shí)最小位移為14.2 mm，距離墻底約9/10墻高處，接近擋土墻頂部，水平位移呈鼓型分布。擋土墻的墻邊水平位移依然呈鼓型分布，位移值也隨著墻體高度先增大后減小，當(dāng)擋土墻寬度為600 mm和800 mm時(shí)，在墻頂壓力的作用下，擋土墻的墻中和墻邊位置的水平位移分布及位移值大小關(guān)系規(guī)律，與墻寬為400 mm時(shí)一致，最大位移和最小位移的分布位置也與墻寬為400 mm相同。

圖10不同均布荷載下墻邊水平位移墻中A1列和墻邊A2列與墻高關(guān)系

當(dāng)墻背坡比為1∶0.25，荷載為55.62 kPa時(shí)，墻中最大水平位移為20.5 mm，最大位移均是出現(xiàn)在距離墻底約2/5處，此時(shí)最小位移為16.7 mm，距離墻底約9/10墻高處。對(duì)于墻邊最大位移分布位置與墻中相同。不同的墻背坡比呈現(xiàn)的規(guī)律與不同墻寬是一致的，墻中和墻邊的水平位移也呈現(xiàn)的是鼓型分布的特點(diǎn)，水平位移值先增大后減小。在相同墻頂壓力的作用下，無(wú)論是墻邊還是墻中的水平位移都是隨擋土墻墻背坡比越大，擋土墻的水平位移越小，可見(jiàn)增加擋墻墻背坡比，能夠增加擋土墻的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)不同寬度和墻背坡比砂袋擋墻進(jìn)行了對(duì)比研究，得出以下結(jié)論：

(1) 在相同豎向均布荷載作用下，隨著砂袋擋土墻寬度和坡比的增大，則墻背和墻內(nèi)土壓力值均越大，隨著墻體高度的增加時(shí)，F(xiàn)2列先增大到最大值，之后由最大值逐漸減小。

(2) 當(dāng)墻背坡比為1∶0.25，荷載為55.62 kPa時(shí)，墻中最大水平位移為20.5 mm，最大位移均也是出現(xiàn)在距離墻底約2/5處，此時(shí)最小位移為16.7 mm，也是距離墻底約9/10墻高處，接近擋土墻頂部。擋土墻寬為400 mm時(shí)，墻中的最大水平位移為19.6 mm，墻頂壓力為52.41 kPa，出現(xiàn)在距離墻底約2/5墻高位置處，此時(shí)最小位移為14.2 mm，距離墻底約9/10墻高處。

(3) 無(wú)論是不同墻寬還是不同墻背坡比，墻中和墻邊水平位移均成鼓型分布，但墻中水平位移變化值要大于墻邊，擋墻寬度和坡比越大水平位移值越小?？傮w來(lái)說(shuō)，同一級(jí)荷載作用下，擋墻寬度和坡比越大，水平位移值也越小，所以增加擋土墻寬度和墻背坡比可以提高其整體穩(wěn)定性。