返包式加筋土擋墻靜載作用下結(jié)構(gòu)行為試驗研究

孫巧茹

（河北銳馳交通工程咨詢有限公司，河北石家莊 050000）

0 引言

對近年來國內(nèi)已建加筋土結(jié)構(gòu)運營效果分析可知，加筋土結(jié)構(gòu)具有良好的抗震效果和長期穩(wěn)定性，同時也具有完全適應(yīng)地基變形等優(yōu)點。國內(nèi)外學(xué)者對加筋土結(jié)構(gòu)進行了大量研究。楊廣慶[1-4]等對不同面板形式的加筋土擋墻進行了大量的現(xiàn)場試驗，得出不同條件下加筋土擋墻應(yīng)力、應(yīng)變的大小、分布形式和擋墻墻面變形情況；陳建峰[5]基于數(shù)值模擬方法探討了土工格柵加筋土擋墻墻面斜率與擋墻底部最大沉降差之間的關(guān)系。徐超[6]分析了剪切速率和材料特性對筋-土界面抗剪強度的影響規(guī)律；楊和平[7]分析了上覆壓力、填料含水率、拉拔速度、固結(jié)時間及加筋格柵類型等參數(shù)對拉拔試驗筋土界面摩擦特性的影響。本文在此基礎(chǔ)上，通過試驗研究返包式加筋土擋墻靜載作用下結(jié)構(gòu)行為，為同類研究提供參考。

2 試驗方案

2.1 模型箱及測量儀器

土工格柵加筋土擋墻模型箱尺寸為3.8m（長）×1.2m（寬）×2.0m（高），見圖1。模型箱包含：3.8m（長）×2.0m（高）有機玻璃觀測面1個，可清晰觀測土工格柵加筋土擋墻變形情況；2個臨空面，其中一個臨空面為3.8m（長）×1.2m（寬）的頂面，另一個臨空面為1.2m（寬）×2.0m（高）的前端面，與此臨空面相對的一面用工字鋼隔段焊接后，用模板進行密封處理，見圖2。

圖1 模型箱

圖2 臨空面處理

荷載通過重載液壓MTS加載試驗系統(tǒng)。試驗所用測試器具包括：靜止土壓力盒，柔性位移計，百分表等。

2.2 擋墻填料

試驗前對擋墻填料進行了一系列土工常規(guī)試驗，填料主要物理力學(xué)指標見表1。

表1 填料主要物理性能指標

經(jīng)計算，填料不均勻系數(shù)Cu=17.48，曲率系數(shù)Cc=0.54，確定填料為級配不良的礫石土。

2.3 土工格柵物理性能試驗

加筋材料選用GE70R 單向土工格柵，其主要力學(xué)特性及尺寸見表2。

表2 土工格柵主要力學(xué)特性及尺寸

2.4 模型擋墻試驗過程

2.4.1 試驗加載前準備工作

為降低模型箱內(nèi)壁側(cè)摩阻力對試驗結(jié)果的影響，可在模型箱內(nèi)壁涂油。采用小型手扶式?jīng)_擊夯夯實，墻體堆疊30cm 寬編織袋，袋內(nèi)裝填料，用格柵返包60cm 后再填筑下一層填料，共鋪筑5 層。測試原件埋設(shè)見圖3。

圖3 測試原件布置圖

2.4.2 試驗加載

加壓前先預(yù)壓1kN，測試各儀器能否正常工作，正式加載前記錄各測試通道的初始讀數(shù)。

（1）靜載采用分級加載，分6 級逐級施加均布靜載， 即10MPa、 20MPa、 30MPa、 40MPa、 50MPa、60MPa，每隔30min 記錄一次數(shù)據(jù)，待測量儀器差值為0時說明墻體變形已穩(wěn)定，可施加下一級靜載。

（2）各級靜載加載完畢后記錄各測試通道數(shù)據(jù)，清零并調(diào)平各測試通道。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 填筑過程基底垂直土壓力測試數(shù)據(jù)分析

模型擋墻填筑期間基底垂直土壓力隨填土高度的變化規(guī)律見圖4。

圖4 不同填土高度時基底垂直應(yīng)力沿筋長分布曲線

由試驗數(shù)據(jù)可得：

（1）基底垂直土壓力與填土高度成正比，應(yīng)力增長速率基本相同。但測量值小于理論值σv=γh，竣工穩(wěn)定后的基底垂直土壓力也小于理論值。分析其原因可能是格柵的“網(wǎng)兜”效應(yīng)改變垂直土應(yīng)力分布，減少了填料自重在擋墻基底產(chǎn)生的垂直土壓力。

（2）沿筋長方向，基底垂直土壓力呈非線性分布，最大值位于格柵中間位置，向土工格柵末端逐漸減少。格柵受加筋土自重和非加筋區(qū)土體產(chǎn)生的側(cè)向土壓力作用，側(cè)向土壓力產(chǎn)生傾覆力矩，使垂直土壓力呈非線性分布規(guī)律。因此，垂直土壓力最大值應(yīng)發(fā)生在面墻附近，而最小值則發(fā)生在拉筋末端，分布規(guī)律與偏心荷載作用下的懸臂梁擋墻剛性基底下的梯形土壓力分布相近，但試驗數(shù)據(jù)與該理論存在偏差，分析其原因為：①施工中擋墻下部墻面在受力作用下外移導(dǎo)致應(yīng)力釋放；②墻面處受填土包裹編織袋摩擦力影響產(chǎn)生土拱效應(yīng)；③筋土間相互作用等。

3.2 加載過程測試數(shù)據(jù)分析

3.2.1 模型擋墻變形分析

（1）如圖5所示，整個加載過程擋墻豎向變形很小，不超過5.5mm。通過模型擋墻的荷載－位移曲線可將土體壓實狀態(tài)分為兩個階段：一是初始壓密狀態(tài)，由于道砟為顆粒較大的碎石土初始狀態(tài)填料壓實度增加很快，墻體變形明顯，模型擋墻豎向變形較大，整體變形近2.1mm；二是承載力發(fā)展狀態(tài)，靜載增加至60kPa即增加至高速鐵路加筋土擋墻設(shè)施、鐵軌等同等重量的荷載時，曲線斜率明顯變小，擋墻承載力逐漸發(fā)揮作用，擋墻豎向變形量增量越來越小。整個階段平均變形量約為4.3mm。

圖5 墻頂豎向位移（沉降）與荷載關(guān)系曲線

（2）模型擋墻面墻側(cè)豎向變形分析。分級均布靜載作用下模型擋墻豎向變形規(guī)律見圖6。分析試驗數(shù)據(jù)：模型擋墻各層豎向變形（沉降）隨施加的均布靜載增加而增大，靜載在0～30kPa前4層墻體變形微小，墻體變形大體呈線性增長，靜載大于40kPa時，曲線斜率明顯增大，豎向變形增長速率增大，變形曲線呈非線性。尤其是第五層與頂層變形量較其他層明顯變大。但由于施加荷載較小，模型擋墻各層豎向變形量均較小，不大于0.8mm。

圖6 模型擋墻豎向變形隨荷載增加變化曲線

各層墻體水平變形隨荷載增加變化規(guī)律曲線見圖7。各層水平位移隨荷載增大而增大，在0～60kPa 整個加載過程中，擋墻水平變形很小，均不大于0.35mm，各層變形規(guī)律相似，施加的靜載小于10kPa 時，模型擋墻水平變形量很小。

圖7 各層水平變形隨荷載增加發(fā)展規(guī)律曲線

3.2.2 土壓力分析

（1）墻后水平土壓力分布。包裹體的存在使返包處墻體壓實度偏小且不夠均勻，是施工過程不可避免的問題，同時由于包裹體受力向外移動造成水平土壓力隨時釋放，水平土壓力變化很小，有些測點水平土壓力為零，如擋墻中部，有些測點在均布靜載作用下基本無變化。墻后土壓力分布呈墻體下部大、上部小，近似“（”形，與以往多個加筋土擋墻實際工程實測值類似[8]。隨靜載增大，墻后土壓力除個別測點小幅增大外，其余測點基本不變。綜上，列車荷載對加筋土擋墻的墻后水平土壓力影響較小，可能由于列車荷載與擋墻填料自重相比影響較小，列車荷載作用下，填料處于進一步調(diào)整中，因此各級均布靜載作用下模型試驗實測值基本無變化，如圖8所示。

圖8 各級均布荷載下墻后土壓力

（2）加筋區(qū)水平土壓力變化。模擬高速鐵路靜載作用下模型擋墻加筋區(qū)土壓力分布規(guī)律為沿墻高基本呈線性分布，即墻體上部土壓力小，下部土壓力大，與一般支擋結(jié)構(gòu)土壓力分布規(guī)律相似。隨著施加的靜載逐級增大，土壓力逐級增大，墻體下部土壓力發(fā)展速率較快，大于墻體中上部，見圖9。

圖9 各級均布荷載下加筋區(qū)土壓力

3.2.3 單向土工格柵變形特征

圖10為土工格柵各層拉筋變形曲線。

由圖10可知：不同層筋材沿筋材方向拉應(yīng)變均成非線性分布。由于各層所處位置不同，垂直壓力分布規(guī)律不同，表現(xiàn)在拉筋受力變形上各層拉筋變形規(guī)律不盡相同。如第1層先減后增再減的波浪形規(guī)律；距離面墻最遠處即格柵端部應(yīng)變值接近零，分析原因可能是存在馬口釘，限制了頂端土工格柵位移，從而存在測量誤差。第2層格柵沿筋長方向先減再增；3、5層格柵拉應(yīng)變先增后減。從各層應(yīng)變值可看出模型擋墻1.0～1.7m 范圍內(nèi)，土工格柵應(yīng)變值均發(fā)生了不同程度的增長，除第2層距離面墻最遠處發(fā)生了應(yīng)力突然變大，最大拉力出現(xiàn)在距離模板較遠處；從1、2、4 層可以看出，靠近面墻處格柵應(yīng)變較大，可見施工原因?qū)Ω駯艖?yīng)變影響很大。

圖10 荷載作用下格柵沿筋長拉應(yīng)變變化規(guī)律

4 結(jié)論

本文通過模型試驗研究了返包式土工格柵加筋土擋墻靜力特性，得出以下結(jié)論：

（1）模型擋墻施工過程中基底垂直應(yīng)力的變化規(guī)律；

（2）模型擋墻在分級靜載作用下面墻側(cè)、加筋區(qū)水平土壓力，返包側(cè)豎向、水平變形以及格柵筋材拉應(yīng)變分布規(guī)律。并對試驗測量數(shù)據(jù)與其他實際工程測量數(shù)據(jù)明顯存在差異的地方分析了原因。加筋土擋墻的水平變形、豎向沉降與有效靜荷載的發(fā)展變化關(guān)系密切。加筋土擋墻墻頂承受的荷載較小，墻面豎向、水平變形均較小，基本呈線性關(guān)系。隨承受荷載的不斷加大，豎向、水平變形增幅變大，且沿墻高由線性分布變?yōu)榉蔷€性分布規(guī)律。模型試驗各組實測數(shù)據(jù)差值均很小。由此從模型試驗角度說明，高速鐵路列車有效靜荷載作用對加筋土擋墻的水平變形、豎向沉降及格柵應(yīng)變等的影響相對較小。