反包式建渣土工袋擋土墻承載性狀研究*

董知恩，趙國(guó)興，文 華，張玉林，王梓龍，薛 偉

(1.西南科技大學(xué)城市學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000； 2.浙江土工巖土科技有限公司，浙江 杭州 310012；3.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

本文通過(guò)設(shè)置天然土坡、建渣土工袋擋土墻、反包式建渣土工袋擋土墻的模型對(duì)比試驗(yàn)，探究反包式建渣土工袋擋土墻的承載性狀效果。

1 模型設(shè)計(jì)與制作

為真實(shí)反映原始邊坡的實(shí)際受力和變形情況，模型試驗(yàn)應(yīng)以相似原理和量綱分析為基礎(chǔ)，確定縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原模型的比例為 1∶4，并以縮尺后的模型作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

1.1 試驗(yàn)材料

邊坡土體采用粉質(zhì)黏土，其物理力學(xué)指標(biāo)按SL 237—1999《土木試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行土工試驗(yàn)測(cè)得，邊坡土體物理力學(xué)指標(biāo)分別為：密度為1.5g/cm3，含水率為15.3%，黏聚力為26.9kPa，內(nèi)摩擦角為25.9°；模型試驗(yàn)建渣土工袋的填充物為50%的混凝土塊和50%的磚塊，填充度為80%；模型試驗(yàn)采用的土工格柵為高密度聚乙烯雙向拉伸塑料；模型試驗(yàn)所用的土工袋尺寸為110mm×204mm，土工袋材料采用綠色環(huán)保的高聚物綠色編織袋，其極限抗拉強(qiáng)度≥30kN/m，斷裂伸長(zhǎng)率≤30%；建渣土工袋如圖1所示。

圖1 建渣土工袋

1.2 模型槽設(shè)計(jì)

根據(jù)擋土墻的結(jié)構(gòu)原型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨票葹?∶1，模型槽尺寸為2.43m×1.06m×1.60m(長(zhǎng)×寬×高)，模型槽材料采用I12和I14焊接而成，模型槽框架的三面用相同角鋼進(jìn)行加固處理。模型槽擋板材料側(cè)邊兩面使用木板，正面由2.43m×1.60m×15mm(長(zhǎng)×寬×厚)的鋼化玻璃代替，方便觀察加載過(guò)程中擋土墻的破壞變化，如圖2所示。

圖3 3種不同工況擋土墻模型設(shè)計(jì)

圖2 模型槽示意

1.3 模型設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)擋土墻的坡比為1∶0.5，土坡高度為1.5m，擋土墻長(zhǎng)度為1m，擋土墻支護(hù)寬度為0.37m條件下，統(tǒng)一在擋土墻模型的頂部緊挨著建渣土工袋處施加0.9m×0.5m均布荷載，研究反包式建渣土工袋擋土墻的承載性狀效果(見圖3)。

1.4 測(cè)試元件布設(shè)

在擋土墻坡頂加載區(qū)域的荷載板上布設(shè)百分表(50mm)用于測(cè)量坡頂?shù)呢Q向沉降位移；為測(cè)得不同擋土墻邊坡高度的墻面水平位移，在水平方向沿?fù)跬翂ο蛏细叨炔荚O(shè)5排百分表，在每排布設(shè)2個(gè)百分表，共需10個(gè)百分表，百分表量程為30mm和50mm；在擋土墻邊坡土體的邊緣10cm處布設(shè)12只100kPa微型應(yīng)變式土壓力盒，用于測(cè)量模型試驗(yàn)中建渣土工袋擋土墻及反包式建渣土工袋擋土墻的側(cè)向土壓力；測(cè)試元件布設(shè)如圖4所示。

圖4 測(cè)試元件布設(shè)

1.5 加載裝置

試驗(yàn)采用較為方便實(shí)施的杠桿加載，杠桿比例為1∶7，擋土墻邊坡頂面為加載區(qū)域，在加載過(guò)程中為防止受力分布不均勻，設(shè)置2塊加載鋼板，其尺寸為0.9m×0.5m×10mm，0.3m×0.3m×20mm(長(zhǎng)×寬×厚)，加載裝置如圖5所示。

圖5 模型加載裝置

對(duì)擋土墻坡頂進(jìn)行分級(jí)加載作用，每級(jí)施加3kPa均布荷載，直至擋土墻出現(xiàn)明顯鼓出變形時(shí)停止加載；加載過(guò)程中，每10min測(cè)定1次數(shù)據(jù)，其中包括觀測(cè)和記錄坡頂?shù)某两滴灰萍皳跬翂ζ旅娴乃轿灰?，直至?shù)據(jù)穩(wěn)定再進(jìn)行下一級(jí)加載。

試驗(yàn)過(guò)程中，均布荷載保持不變或有所減小時(shí)，坡頂沉降迅速增大或出現(xiàn)明顯嚴(yán)重鼓出變形時(shí)，此時(shí)坡頂荷載稱為坡頂破壞荷載，坡體發(fā)生破壞，停止加載，試驗(yàn)結(jié)束。

2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 坡頂沉降位移分析

3種不同工況下(工況1～3)擋土墻的坡頂均布荷載與坡頂沉降位移關(guān)系如圖6所示。

表1 工況1～3坡頂均布荷載與坡頂沉降位移關(guān)系

圖6 工況1～3的坡頂均布荷載與坡頂沉降關(guān)系

由圖6可得出：在加載初始階段，土體逐漸在荷載作用下被壓實(shí)，3種不同工況下的坡頂沉降位移均變化較大；隨著坡頂均布荷載的不斷增大，土體已密實(shí)，擋土墻的坡頂沉降位移變化幅度減小。與天然土坡和建渣土工袋擋土墻相比，反包式建渣土工袋擋土墻結(jié)構(gòu)坡頂承受的均布荷載增大；且在相同均布荷載作用下，坡頂沉降位移減小。

3種不同工況下(工況1～3)擋土墻的坡頂均布荷載與坡頂沉降位移關(guān)系如表1，2所示。

表2 工況2，3坡頂均布荷載與坡頂沉降位移關(guān)系

由表1，2可看出，天然土坡(工況1)在坡頂豎直向下的均布荷載作用下，當(dāng)荷載加載到15kPa時(shí)，天然土坡坡面出現(xiàn)明顯鼓出變形，坡頂最終沉降位移為28.51mm；建渣土工袋擋土墻(工況2)均布荷載加載到30kPa時(shí)，建渣土工袋擋土墻嚴(yán)重鼓出變形，建渣土工袋擋土墻坡頂?shù)淖罱K沉降位移為49.23mm；加筋長(zhǎng)度0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)在加載過(guò)程中擋土墻的坡頂沉降位移與建渣土工袋擋土墻的加載結(jié)果相似，坡頂破壞荷載為45kPa時(shí)，加筋長(zhǎng)度0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻出現(xiàn)嚴(yán)重鼓出變形，擋土墻的坡頂沉降位移為52.59mm。

由表1，2還可看出，在相同坡頂荷載作用下，建渣土工袋擋土墻和加筋長(zhǎng)度為0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻的坡頂沉降位移相較于天然土坡?lián)跬翂σ?；在天然土坡坡頂破壞荷載15kPa時(shí)，相較于天然土坡?lián)跬翂Γㄔ凉ご鼡跬翂Φ某两滴灰平档?1.4%，加筋長(zhǎng)度0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻的坡頂沉降位移降低44.0%。

2.2 墻面水平位移分析

天然土坡(工況1)的邊坡墻面中間的水平位移沿?fù)跬翂ο蛏细叨鹊淖兓?guī)律如圖7a所示。由圖7a可知，在坡頂均布荷載作用下，由于天然土坡的邊坡坡面無(wú)任何加固措施，隨著坡頂均布荷載的不斷增大，天然土坡坡面的水平位移隨著擋土墻高度向上方向呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。

建渣土工袋擋土墻(工況2)的邊坡墻面水平位移沿?fù)跬翂ο蛏蠅Ω叨鹊淖兓?guī)律如圖7b所示。由圖7b可看出，建渣土工袋擋土墻的墻面水平位移在最開始加載階段的墻面水平位移并不大，隨著坡頂荷載不斷增大，墻面水平位移也逐漸增大；在均布荷載為28.56kPa時(shí)最大，在沿?fù)跬翂ο蛏细叨?/2～2/3處出現(xiàn)墻面最大水平位移，在高度越過(guò)1/2～2/3處時(shí)墻面水平位移逐漸減小，可知建渣土工袋擋土墻的墻面水平位移呈鼓形分布，墻面水平位移的變化規(guī)律為沿?fù)跬翂ο蛏细叨认仍龃蠛鬁p小。

加筋長(zhǎng)度為0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)墻面水平位移沿?fù)跬翂ο蛏细叨鹊淖兓?guī)律如圖7c所示。由圖7c可知，在開始加載階段，反包式建渣土工袋擋土墻在土工格柵建渣土工袋的加固作用下，土工袋對(duì)土體邊坡的約束及土工格柵對(duì)土體有一定的嵌鎖和咬合作用，從而使得反包式建渣土工袋擋土墻的墻面水平位移較?。浑S著坡頂均布荷載的增大，墻面水平位移逐漸增大。與工況2的變化規(guī)律相似，工況3的墻面水平位移變化規(guī)律也呈鼓形分布。

3種不同工況下(工況1～3)擋土墻的坡頂破壞荷載與邊坡墻面水平位移關(guān)系如表3所示。

圖7 工況1～3墻面水平位移

表3 工況1～3的坡頂破壞荷載與墻面水平位移關(guān)系

由表3可知，在坡頂破壞荷載情況下，3種工況的墻面水平位移均為先增大后減小趨勢(shì)，工況1的最大水平位移在沿?fù)跬翂ο蛏细叨?05mm處最大，工況2，3的墻面水平位移在沿?fù)跬翂ο蛏细叨?5mm處最大，其中加筋長(zhǎng)度為0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)的邊坡墻面水平位移在3種不同工況中最大。若以天然土坡?lián)跬翂?工況1)的邊坡墻面水平位移為基準(zhǔn)水平位移，建渣土工袋擋土墻(工況2)的墻面水平位移比占基準(zhǔn)水平位移平均高129.6%左右，加筋長(zhǎng)度為0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)的邊坡墻面水平位移比占基準(zhǔn)水平位移平均高177.4%左右，加筋長(zhǎng)度為0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)的邊坡墻面水平位移比建渣土工袋擋土墻(工況2)的墻面水平位移平均高47.8%左右。

2.3 側(cè)向土壓力分析

建渣土工袋擋土墻(工況2)和0.9m加筋長(zhǎng)度的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)的墻后側(cè)向土壓力分布曲線如圖8所示。

圖8 工況2，3擋土墻的墻后側(cè)向土壓力分布

由圖8可知，工況2與工況3擋土墻墻后側(cè)向土壓力呈三角形分布，且在1/3～2/3處時(shí)擋土墻側(cè)向土壓力最大。結(jié)合擋土墻的墻面水平位移分析，同一擋土墻高度處產(chǎn)生的最大側(cè)向土壓力處與墻面最大水平位移處均出現(xiàn)在沿?fù)跬翂ο蛏细叨?/3～2/3處。

為建渣土工袋擋土墻(工況2)和0.9m加筋長(zhǎng)度的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)的墻后側(cè)向土壓力如表4所示。

由表4可知，工況2，3的擋土墻墻后側(cè)向土壓力都是先增大后減小的規(guī)律，在沿?fù)跬翂ο蛏细叨?0mm處，工況2，3的墻后側(cè)向土壓力最大；同時(shí)可看出工況3占工況2的墻后側(cè)向土壓力百分比呈先減小后增大趨勢(shì)，在沿?fù)跬翂ο蛏细叨?0mm處，即工況2，3墻后側(cè)向土壓力最大處工況3占工況2的墻后側(cè)向土壓力百分比最?。贿€可知，工況3的墻后側(cè)向土壓力比工況2的墻后側(cè)向土壓力平均增大165.3%左右。

表4 工況2，3的擋土墻墻后側(cè)向土壓力

為更好地分析工況1～3擋土墻邊坡的加固效果，將3種不同工況下坡頂承受的均布荷載及同一均布荷載(12kPa)下?lián)跬翂Φ钠马敵两滴灰?、墻面最大水平位移進(jìn)行整理，如表5所示。

表5 工況1～3擋土墻邊坡對(duì)比分析

由表5可知：

1)對(duì)比工況1～3，工況1的坡頂破壞荷載為15kPa，工況2的坡頂破壞荷載為30kPa，工況3的坡頂破壞荷載為45kPa；工況3的坡頂破壞荷載比工況1提高300%左右，比工況2提高150%左右。

2)在坡頂均布荷載為12kPa時(shí)，工況1的坡頂沉降位移為20.08mm，工況2的坡頂沉降位移為15.97mm，工況3的坡頂沉降位移為12.69mm；工況3的坡頂沉降位移比工況1減小36.80%，比工況2減小20.50%。

3)在坡頂均布荷載為12kPa時(shí)，工況1的墻面最大水平位移為9.36mm，工況2的墻面最大水平位移為3.56mm，工況3的墻面最大水平位移為2.36mm；工況3的墻面最大水平位移比工況1減小74.79%，比工況2減小33.71%。

3 結(jié)語(yǔ)

1)反包式建渣土工袋擋土墻結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)擋土墻后土體的承載力，有效抑制坡頂沉降變形。當(dāng)均布荷載施加到15kPa時(shí)，天然土坡嚴(yán)重鼓出變形；當(dāng)施加到30kPa時(shí)，建渣土工袋擋土墻嚴(yán)重鼓出變形；當(dāng)施加到45kPa時(shí)，加筋長(zhǎng)度0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻出現(xiàn)嚴(yán)重鼓出變形。

2)反包式建渣土工袋擋土墻與天然土坡、建渣土工袋擋土墻相比，反包式建渣土工袋擋土墻的坡頂破壞荷載比天然土坡?lián)跬翂μ岣?00%左右，比建渣土工袋擋土墻提高150%左右。在相同均布荷載作用下坡頂沉降位移明顯減小；在坡頂均布荷載為12kPa時(shí)，天然土坡?lián)跬翂Φ钠马敵两滴灰茷?0.08mm，建渣土工袋擋土墻的坡頂沉降位移為15.97mm，反包式建渣土工袋擋土墻的坡頂沉降位移為12.69mm；反包式建渣土工袋擋土墻的坡頂沉降位移比天然土坡?lián)跬翂p小36.80%，比建渣土工袋擋土墻減小20.50%。

3)反包式建渣土工袋擋土墻結(jié)構(gòu)的整體性能較好，能有效抑制擋土墻墻面的側(cè)向變形。在坡頂破壞荷載情況下，建渣土工袋擋土墻(工況2)的墻面水平位移比天然土坡(工況1)墻面水平位移平均高129.6%左右，加筋長(zhǎng)度為0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)的邊坡墻面水平位移比天然土坡(工況1)墻面水平位移平均高177.4%左右，加筋長(zhǎng)度為0.9m的反包式建渣土工袋擋土墻(工況3)的邊坡墻面水平位移比建渣土工袋擋土墻(工況2)的墻面水平位移平均高47.8%左右。但在相同均布荷載作用下，反包式建渣土工袋擋土墻的墻面水平位移明顯小于天然土坡、建渣土工袋擋土墻的墻面水平位移。

4)由上述分析可知，反包式建渣土工袋擋土墻的邊坡支護(hù)效果比建渣土工袋擋土墻及天然土坡?lián)跬翂Φ闹ёo(hù)效果都要更好，為了更好地將反包式建渣土工袋擋土墻應(yīng)用在實(shí)際工程中，后續(xù)可繼續(xù)深入研究不同加筋長(zhǎng)度、不同坡比、加筋層數(shù)及加筋間距對(duì)反包式建渣土工袋擋土墻的邊坡加固效果的影響。