高速公路改擴(kuò)建裝配式懸臂式擋土墻現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

李曉華

摘 要：依托廣東省某高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目，開(kāi)展裝配式懸臂式擋土墻現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)性能試驗(yàn)研究，探究懸臂式擋土墻在施工期土側(cè)壓力和施工車(chē)輛荷載作用下裂縫發(fā)展規(guī)律、破壞歷程和破壞模式，為施工期懸臂式擋土墻施工荷載的控制提供標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：懸臂式擋土墻;力學(xué)性能試驗(yàn);裂縫發(fā)展;破壞模式

0 引言

預(yù)制化、裝配化是現(xiàn)代工程建設(shè)的發(fā)展方向，是提高工程結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量和效率、降低現(xiàn)場(chǎng)施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度的重要途徑。對(duì)于擋土墻而言，許多工程技術(shù)人員與學(xué)者也嘗試進(jìn)行預(yù)制化、裝配化[1]。擋土墻的預(yù)制裝配化是指通過(guò)專(zhuān)用模具進(jìn)行對(duì)擋墻構(gòu)件工廠化預(yù)制生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)護(hù)，達(dá)到強(qiáng)度后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行裝配成型，實(shí)現(xiàn)擋土墻構(gòu)件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械化。與現(xiàn)澆注結(jié)構(gòu)相比，當(dāng)需求量比較大時(shí)裝配式擋土墻不僅具有質(zhì)量保證，同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。在公路、鐵路、市政、水利等行業(yè)，擋土墻往往都是線(xiàn)性工程，不僅需要量大，而且結(jié)構(gòu)性單一，具備預(yù)制裝配化基礎(chǔ)[2]。

本文依托廣東省某高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目，開(kāi)展懸臂式裝配擋土墻的現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)試驗(yàn)研究，探究裝配式擋土墻在施工期荷載作用下的受力特點(diǎn)、破壞歷程和破壞模式，為施工期擋土墻荷載控制提供標(biāo)準(zhǔn)。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 試件制作

面板高度3.0 m，厚度0.25 m，寬度3.0 m，底板長(zhǎng)度2.1 m，

厚度0.3 m，寬度3.0 m，在底板與面板相交部位設(shè)0.3 m×0.3 m

的直倒角。面板內(nèi)受拉主筋為Φ22@100 mm，受壓主筋為Φ12@100 mm，水平分布鋼筋為Φ12@150 mm，面板與底板相交倒角內(nèi)布置Φ12@100 mm的斜鋼筋，底板主筋為Φ16@100 mm。

1.2 施工工況分析

（1）土側(cè)壓力。采用朗金（Rankine）土壓力理論[3]分析土體對(duì)擋土墻的作用。取墻后填土為碎石土等粗粒土，內(nèi)摩擦角取ψ=35°，粘聚力取c=0，填土重度取γ=19 kN/m3。

主動(dòng)土壓力系數(shù)：

（1）

取擋土墻高度H=2.7 m，計(jì)算得到主動(dòng)土壓力值（每延米）為：

（2）

合力作用點(diǎn)距離墻底位置：

（3）

填土側(cè)壓力產(chǎn)生的墻底剪力（3 m節(jié)段寬，取b=3 m）：

（4）

填土側(cè)壓力產(chǎn)生的墻底彎矩：

（5）

（2）施工車(chē)輛荷載。取施工時(shí)車(chē)重為。

棱體破壞長(zhǎng)度：

（6）

則換算均布土層厚度為：

（7）

車(chē)輛荷載引起土側(cè)壓力產(chǎn)生的墻底剪力為：

（8）

車(chē)輛荷載引起土側(cè)壓力產(chǎn)生的墻底彎矩為：

? （9）

1.3 試驗(yàn)流程

在試驗(yàn)過(guò)程中，首先布置安裝數(shù)據(jù)采集設(shè)備并對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)零操作，之后進(jìn)行預(yù)壓以消除各部件之間的裝配空隙，進(jìn)行循環(huán)預(yù)加載以確保數(shù)據(jù)采集設(shè)備正常工作，之后進(jìn)行先荷載控制后位移控制的加載方式進(jìn)行逐級(jí)加載，每級(jí)荷載加載完成后持荷5分鐘，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）計(jì)算確定擋土墻結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的受力狀態(tài)[4]，并利用“彎剪比相等”原則通過(guò)合適的加載方式模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際工況受力狀態(tài)。結(jié)合3.2中計(jì)算結(jié)果，加載合力點(diǎn)距試件底板頂面1.07 m，施工期工況加載合力設(shè)為110 kN。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)中對(duì)懸臂式擋土墻進(jìn)行了18級(jí)加載，記錄試件裂縫的開(kāi)展以及最終破壞形態(tài)，懸臂式擋土墻力學(xué)試驗(yàn)試件裂縫分布見(jiàn)表1。

由此可知：

（1）彈性階段：加載合力從0 kN加載至163.1 kN。擋土墻處于彈性變形階段，擋土墻結(jié)構(gòu)位移、鋼筋應(yīng)變和混凝土應(yīng)變隨荷載線(xiàn)性變化，未出現(xiàn)明顯裂縫;

（2）帶裂縫工作階段：加載合力從163.1 kN至292.4 kN。當(dāng)合力達(dá)到163.1 kN時(shí)面板倒角處出現(xiàn)第一道彎曲裂縫，結(jié)構(gòu)帶裂縫工作;

（3）裂縫發(fā)展階段：加載合力從292.4 kN至538.4 kN。隨著加載合力的進(jìn)一步增加，至292.4 kN時(shí)在面板倒角裂縫之上出現(xiàn)第二道彎曲裂縫，至369.0 kN時(shí)在底板倒角處出現(xiàn)第三道彎曲裂縫，底板頂面出現(xiàn)多道細(xì)小的裂縫，至447.5 kN時(shí)在倒角內(nèi)出現(xiàn)第四道裂縫。

（4）破壞階段：加載合力從538.4 kN至818.8 kN。當(dāng)荷載至538.4 kN時(shí)，裂縫發(fā)展完全，此后無(wú)新裂縫出現(xiàn)，原有裂縫隨著荷載增加寬度逐漸發(fā)展。此后擋土墻墻身水平位移明顯，加載至極限荷載時(shí)，擋土墻位移持續(xù)增加而千斤頂難以持荷，倒角內(nèi)主要裂縫相互貫通，鋼筋屈服，結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文得到如下結(jié)論：

（1）懸臂式擋土墻破壞過(guò)程分彈性階段、帶裂縫工作階段、裂縫發(fā)展階段與結(jié)構(gòu)破壞階段，對(duì)應(yīng)的加載合力分別為0 kN～163.1 kN、163.1 kN～292.4 kN、292.4 kN～538.4 kN、538.4 kN～818.8 kN。施工期擋土墻承受荷載的控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)低于163.1 kN，使擋土墻受荷處于彈性階段。

（2）首條裂縫出現(xiàn)在面板倒角處，寬度發(fā)展最快的裂縫是倒角內(nèi)裂縫，底板裂縫細(xì)小且寬度發(fā)展緩慢。

參考文獻(xiàn)：

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