平動(dòng)模式下墻后有限無(wú)粘性填土破壞試驗(yàn)研究

陳豪彪，蘇文輝，廖煒明，陳建輝

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108； 2.福建省祿盛市政園林有限公司，福建 廈門(mén) 361000； 3.福建領(lǐng)航園林工程有限公司，福建 龍巖 366200； 4.廈門(mén)高青園林綠化工程有限公司，福建 廈門(mén) 361000)

1 引言

隨著城市建筑物的密集化，在建設(shè)過(guò)程中常常遇到擋土墻后為有限填土的情況，此時(shí)已不滿足傳統(tǒng)Rankine和Coulomb理論中半無(wú)限土體的假設(shè)。近年來(lái)，已有不少關(guān)于土壓力理論研究成果，但大多采用假定的滑動(dòng)面形式和角度進(jìn)行分析。Fan和Fang針對(duì)剛性擋土墻后狹窄填土進(jìn)行了數(shù)值模擬。應(yīng)宏偉等運(yùn)用ABAQUS研究鄰近已有地下室外墻填土破壞問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)寬高比不同時(shí)，有限填土內(nèi)將產(chǎn)生一道或多道滑動(dòng)面。楊明輝等進(jìn)行了平動(dòng)模式下的有限填土模型試驗(yàn)，觀察土體的破壞過(guò)程，但試驗(yàn)中沒(méi)有觀察到多道滑動(dòng)面。針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)了可模擬不同復(fù)雜工況的模型箱，開(kāi)展擋墻平動(dòng)模式下的主動(dòng)土壓力模型試驗(yàn)。

2 模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)過(guò)程

模型箱采用不銹鋼焊接而成，如圖1所示,內(nèi)側(cè)尺寸為長(zhǎng)1200×寬720×高×1200 mm。箱體主要包括移動(dòng)擋墻、固定擋墻和填土區(qū)三部分，前者模擬擋土墻，固定擋墻模擬已建建筑物外墻。移動(dòng)擋墻和固定擋墻均是不銹鋼板。移動(dòng)擋墻的運(yùn)動(dòng)由左側(cè)移動(dòng)桿控制，固定擋墻由四道相互平行的支撐桿支撐并用螺栓固定。固定擋墻與固定擋墻底板用軸承連接，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承，可改變固定擋墻的傾角，底板與箱體底板用螺栓進(jìn)行固定。擋墻變位模擬裝置主要由電機(jī)、移動(dòng)桿和電控箱三個(gè)主要構(gòu)件組成。擋墻的運(yùn)動(dòng)由電機(jī)控制，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)移動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，擋墻也緩慢移動(dòng)。

圖1 模型箱示意圖

數(shù)據(jù)采集主要包括土壓力數(shù)據(jù)、擋土墻面板位移數(shù)據(jù)和試驗(yàn)圖像。傳感器的傳輸線與數(shù)據(jù)采集儀相連，通過(guò)數(shù)據(jù)線連接電腦，開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集軟件用以接收試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)圖像通過(guò)高清數(shù)碼相機(jī)采集。在移動(dòng)擋墻和固定擋墻中線垂直布置十個(gè)土壓力傳感器。距離擋墻底部300 mm處水平對(duì)稱布置四個(gè)土壓力傳感器，間距為100 mm。土壓力傳感器量程為0～10 kPa。在距離箱體底板450 mm、650 mm和1000 mm處各設(shè)置一個(gè)位移傳感器。最終位移量取三個(gè)位移傳感器測(cè)量的平均值。在模型箱有鋼化玻璃前方搭建三腳架固定數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)的間隔定時(shí)拍攝，觀察并記錄擋墻平動(dòng)位移模式下的有限寬度填土變形破壞的全過(guò)程。LED光源在試驗(yàn)填土正前方對(duì)稱布置，并呈45°角照射。通過(guò)高清數(shù)碼相機(jī)拍攝一系列試驗(yàn)圖像后，運(yùn)用PIV分析軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，捕捉圖像中土顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，獲得土體顆粒的位移變化和剪切破壞過(guò)程。

試驗(yàn)填土選用福州砂。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定砂土的基本力學(xué)參數(shù)為：重度14.51 kN/m3、內(nèi)摩擦角30.16°、相對(duì)密實(shí)度為40.5、不均勻系數(shù)為2.44、曲率系數(shù)為1.14以及顆粒比重為2.65。

采用控制變量法控制移動(dòng)擋的位移。變量主要包括填土寬高比B/H、移動(dòng)擋墻傾角β1和固定擋墻傾角β2。在平動(dòng)位移模式下預(yù)計(jì)擋墻位移量為0.001H～0.002H時(shí)，填土達(dá)到主動(dòng)極限破壞狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)控制擋墻位移達(dá)到0.01H再停止運(yùn)動(dòng)，保證填土完全破壞。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同擋墻位移量下的變形分析。

以寬高比為0.1的試驗(yàn)分析結(jié)果為例，填土高度為1 m，兩側(cè)邊界豎直（β2=β2=90°），在填土表面添加混凝土塊作為均布超載，均布超載q 約為1.6 kPa。采用變形前網(wǎng)格進(jìn)行繪圖，不同Sx下填土剪應(yīng)變變化如圖2所示。擋墻平動(dòng)模式下，隨著擋墻位移量的增大，滑動(dòng)面逐漸顯現(xiàn)，剪切破壞程度逐漸加深，滑動(dòng)面形態(tài)表示為一定寬度的剪切帶。在寬高比為0.1的情況下（圖2），共觀察到四道“反射式”滑動(dòng)面，第一道滑動(dòng)面與第三道滑動(dòng)面與水平面的夾角近似，約為69°。第二道滑動(dòng)面與第四道滑動(dòng)面與水平面的夾角近似，約為62°。當(dāng)Sx=2 mm時(shí)，可以看出滑動(dòng)面基本形成，此時(shí)位移量約為0.2%H。隨著擋土墻繼續(xù)平行移動(dòng)，剪切變形程度加深，但對(duì)破壞形式不產(chǎn)生太大影響。

圖2 不同Sx下填土剪應(yīng)變變化 (B/H=0.1)

3.2 寬高比對(duì)破壞模式的影響

為觀察填土破壞形態(tài)，將拍攝圖像導(dǎo)入PIV軟件中進(jìn)行圖像分析。選取擋土墻水平位移Sx=8 mm的填土破壞圖像進(jìn)行分析。圖3為隨不同寬高比變化的有限填土剪切變形，εs為剪應(yīng)變。墻踵開(kāi)始發(fā)展的滑動(dòng)面稱為第一道滑動(dòng)面，滑動(dòng)面與兩側(cè)邊界（擋土墻和自然坡面）的交點(diǎn)稱為“反射點(diǎn)”。填土高度不變時(shí)有限填土寬度的變化產(chǎn)生不同破壞形式。兩側(cè)邊界的限制是擋墻平動(dòng)模式下有限填土內(nèi)部產(chǎn)生多道滑動(dòng)面的主要原因，B/H=0.1時(shí)最多產(chǎn)生四條明顯的剪切帶。隨著寬高比的增大，第一道滑動(dòng)面與右側(cè)自然坡面的“反射點(diǎn)”越靠近填土面，直至第一道滑動(dòng)面貫通整個(gè)填土區(qū)域。B/H≥0.5時(shí)第一道滑動(dòng)面延伸至填土面，因滑動(dòng)面與自然坡面的間距很小，滑動(dòng)面與自然坡面間的土體難以保持穩(wěn)定狀態(tài)，形成二次滑動(dòng)并最終組合成一條剪切帶。

圖3 不同寬高比下的填土破壞模式 (Sx=8mm)

當(dāng)有限填土寬度極其狹窄，兩側(cè)邊界限制作用明顯，第一道滑動(dòng)面與水平方向的夾角較大，并產(chǎn)生多次“反射”現(xiàn)象。隨著寬高比的不斷增大，滑動(dòng)面夾角基本穩(wěn)定在60°。若有限填土寬度足夠大，最終只產(chǎn)生一道滑動(dòng)面，第一道滑動(dòng)面以上為塑性區(qū)，第一道滑動(dòng)面以下為穩(wěn)定區(qū)。此時(shí)可近似為半無(wú)限填土狀態(tài)，滑動(dòng)面傾角約為64.74°，有限填土與半無(wú)限填土分界的臨界寬度約為0.46H。

3.3 擋土墻傾角對(duì)破壞模式的影響

圖4表示不同擋土墻傾角下的填土破壞模式。從圖4中可以看出，β1從75°變化到90°的過(guò)程中，滑動(dòng)面由兩道逐漸增加為三道。當(dāng)β1分別取75°、80°、85°和90°時(shí)，第一道滑動(dòng)面與自然坡面的交點(diǎn)分別位于0.2H、0.4H、0.45H和0.5H高度處，交點(diǎn)位置隨β1的增大而下移。第一道滑動(dòng)面與自然坡面的交點(diǎn)位置隨β1的增大而下移。隨著β1的減小，填土區(qū)域擴(kuò)展成梯形，填土與移動(dòng)擋墻接觸更為緊密，滑動(dòng)面傾角逐漸增大。

圖4 不同擋土墻傾角下的填土破壞模式 (Sx=8mm)

3.4 自然坡面傾角對(duì)破壞模式的影響

圖5表示不同自然坡面傾角下的填土破壞模式。β2從90°減小到75°的過(guò)程中，滑動(dòng)面由三道逐漸減小到一道，最終由第一道滑動(dòng)面貫穿整個(gè)填土區(qū)域。隨著β2的減小，填土區(qū)向右擴(kuò)展，第一道滑動(dòng)面與自然坡面交點(diǎn)的位置逐漸上移。當(dāng)β2=75°時(shí)，第一道滑動(dòng)面與自然坡面已不存在交點(diǎn)。由于滑動(dòng)面與自然坡面的間距很小，介于兩者中間的填土無(wú)法保持穩(wěn)定，將產(chǎn)生二次滑動(dòng)。

圖5 不同自然坡面傾角下的填土破壞模式 (Sx=8mm)

β2的變化對(duì)滑動(dòng)面傾角的影響較小。在β1<90°的情況下，滑動(dòng)面傾角均在58～63°范圍內(nèi)，接近傳統(tǒng)滑動(dòng)面傾角的理論值45°+1/2φ。只有β2=90°時(shí)，出現(xiàn)第三道滑動(dòng)面的反射現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在填土高度不變時(shí)，有限填土寬度的變化將產(chǎn)生不同破壞形式。隨著寬高比的增大，滑動(dòng)面數(shù)目逐漸減少。當(dāng)寬高比為0.6時(shí)只有一道滑動(dòng)面延伸至填土面，此時(shí)可作為半無(wú)限土體處理。

（2）擋土墻傾角β1從90°減小到75°的過(guò)程中，滑動(dòng)面由三道逐漸減小到兩道，第一道滑動(dòng)面與自然坡面的交點(diǎn)位置隨β1的增大而下移。隨著β1的減小，填土區(qū)域擴(kuò)展成梯形，作用在擋土墻上的豎向分力越大，擋土墻和自然坡面所受的土壓力隨之增大，土壓力呈非線性分布。第二道滑動(dòng)面并未反射到擋土墻產(chǎn)生二次“反射”，而是延伸至填土表面。

（3）自然坡面傾角β2從90°減小到75°的過(guò)程中，滑動(dòng)面由三道逐漸減小到一道，最終由第一道滑動(dòng)面貫穿整個(gè)填土區(qū)域。隨著β2減小，填土區(qū)域向右擴(kuò)展，第一道滑動(dòng)面與自然坡面交點(diǎn)位置逐漸上移。