條帶式加筋土擋墻的拉筋原型觀測試驗(yàn)研究

王萬平,翁光遠(yuǎn)

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路工程系,陜西 西安 710018)

加筋土結(jié)構(gòu)作為一種新興的支擋結(jié)構(gòu),以技術(shù)簡單、造價(jià)低廉和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。然而受理論研究水平所限,尤其是筋土間的作用機(jī)理的研究,使得加筋土擋墻設(shè)計(jì)的基本原則還是以巖土力學(xué)基本原理為主[1-2]。本文結(jié)合具體的實(shí)際工程,進(jìn)行了拉筋原型觀測試驗(yàn),對筋土間的作用機(jī)理進(jìn)行了研究,得出了一些結(jié)論,希望能給同類工程提供相關(guān)參考。

1 加筋土工程的基本理論

為了弄清楚加筋砂土復(fù)合體強(qiáng)度和其穩(wěn)定性提高的原因,Vidal等人就加筋材料如何提高砂土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了三軸試驗(yàn)研究,提出了各種假說來解釋筋土之間的相互作用機(jī)理[3]。依據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果,筋土之間相互作用的基本原理大致可以歸納為兩大類:一是摩擦加筋原理,二是準(zhǔn)粘聚力原理。

1.1 摩擦加筋原理

根據(jù)加筋土復(fù)合體中筋土間的基本構(gòu)造,可以從加筋體中取出一微段進(jìn)行分析。

在分析工程中不考慮筋帶重量和微元體土體重量,如圖1所示,微元體長為dl,拉筋左截面受力為T1,右截面受力為T2,壓住拉筋的法向應(yīng)力為σ。土粒和拉筋間摩擦系數(shù)為f,b為筋帶寬度。則土的水平推力在該微元段拉筋中所引起的拉力為dT=T1-T2[4-5]。

若dF為土粒與拉筋在該微元段上產(chǎn)生的總摩擦力,則有

根據(jù)對該微元體的受力分析可知

圖1 摩擦加筋原理

則筋土之間就不會(huì)產(chǎn)生相互錯(cuò)動(dòng),即土的水平推力被筋土間的摩擦力所克服,微元體保持穩(wěn)定,反之則不能保持穩(wěn)定。

從上面的分析可知,拉筋材料要滿足兩點(diǎn):一是表面要粗糙,二是要有足夠的強(qiáng)度和彈性模量。前者保證筋土間能夠產(chǎn)生足夠大的摩擦力,使拉筋不被拉出,后者主要保證拉筋的變形與土體的變形大致相同。

1.2 準(zhǔn)粘聚力原理

加筋土結(jié)構(gòu)可看作是各向異性的復(fù)合材料,一般情況下拉筋的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于填土的彈性模量,拉筋與填土共同工作,外測強(qiáng)度包括了填土的抗剪力、填土與拉筋的摩阻力和拉筋的抗拉力的共同作用,使得加筋土的強(qiáng)度明顯提高。這一點(diǎn)在加筋砂圓柱土樣與未加筋砂圓柱土樣三軸對比試驗(yàn)中得到驗(yàn)證[6-7]。

2 工程概況

2.1 場地工程地質(zhì)條件

擬建場地在勘探深度范圍內(nèi)地層巖性由老到新依次為:上三疊系延長組瓦窯堡段(T3y5)泥巖、砂巖夾煤層、煤線,第三系上新統(tǒng)(N2)紅色粘土,第四系中、上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土(Q2eol、Q3eol),第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)粉土、粉質(zhì)粘土,滑坡堆積(Q4del)泥巖、砂巖、黃土狀粉質(zhì)粘土以及人工素填土(Q4ml)等。

2.2 工程治理方案簡要說明

根據(jù)邊坡現(xiàn)狀和場區(qū)規(guī)劃,在施工圖設(shè)計(jì)中采用了路堤式加筋擋土墻方案,擋墻高在3 m～20 m范圍內(nèi),墻高超過10 m時(shí)擋墻分級,分級錯(cuò)臺(tái)寬3 m,擋墻墻頂部1.5 m為路基。在設(shè)計(jì)中,考慮了路基上設(shè)置尺寸為1.2 m×1.0 m的全防滲性排水溝。具體如下:

2.2.1 面板

均采用槽型面板,槽板厚 25cm,高50cm,長99cm。

2.2.2 拉筋

加筋土的拉筋采用“CAT”系列鋼塑復(fù)合材料拉筋,規(guī)格為CAT30020B。

2.2.3 填土

填土為黃土,填料必須分層碾壓,分層厚度在30cm左右,碾壓機(jī)械也必須達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.4 二期一側(cè)的擋墻

根據(jù)場區(qū)的地形特征,加筋土擋墻共分成12個(gè)分段,加筋土墻頂與二期一側(cè)各級平臺(tái)的搭接將形成錯(cuò)臺(tái),其高度最高在3 m～6 m不等。這些錯(cuò)臺(tái)中除了第一、二分段做加筋土擋墻外,其他分段均做成重力式混凝土擋墻,混凝土擋墻頂寬1 m,底寬1.5 m,埋深1 m。填土和拉筋相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 填土和拉筋參數(shù)表

3 拉筋原型觀測試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 量測儀器

剪切帶上的拉應(yīng)變是通過在拉筋帶表面上粘貼塑性電阻應(yīng)變片來測定的。

3.2 電阻應(yīng)變片的布設(shè)

本次原型觀測共在6個(gè)剖面布置了近200片應(yīng)變片,僅以最高剖面5-5剖面進(jìn)行分析。5-5剖面共布置了10層應(yīng)變片,具體布置剖面位置見圖2。

圖2 5-5剖面應(yīng)變片布設(shè)剖面位置圖

4 成果分析

根據(jù)測試結(jié)果分別繪制了各層應(yīng)變片側(cè)向拉力和填土厚度的關(guān)系圖,見圖3～圖11,圖中橫軸表示土層厚度,從應(yīng)變片的觀測日期算起,縱軸表示應(yīng)變片側(cè)向應(yīng)變,直接用應(yīng)變片的應(yīng)變值來表示(μ ε),其中正值表示拉應(yīng)變,負(fù)值表示壓應(yīng)變。圖中的應(yīng)變片的編號(hào)規(guī)律如下:第一個(gè)數(shù)字5表示的是5-5剖面,第二個(gè)數(shù)字表示的是層號(hào),第三個(gè)數(shù)字表示的是層內(nèi)的編號(hào)。比如,5-5-3表示5-5剖面第5層從面板數(shù)第3個(gè)應(yīng)變片。

圖3 5-5剖面第1層應(yīng)變與土層厚度曲線圖

圖4 5-5剖面第2層應(yīng)變與土層厚度曲線圖

圖5 5-5剖面第3層應(yīng)變與土層厚度曲線圖

圖6 5-5剖面第4層應(yīng)變與土層厚度曲線圖

圖7 5-5剖面第6層應(yīng)變與土層厚度曲線圖

圖8 5-5剖面第7層應(yīng)變與土層厚度曲線圖

圖9 5-5剖面第8層應(yīng)變與土層厚度曲線圖

圖10 5-5剖面第9層應(yīng)變與土層厚度曲線圖

圖11 5-5剖面第10層應(yīng)變與土層厚度曲線圖

圖12～圖23表示的是填土完成后單層應(yīng)變片的應(yīng)變與到面板距離之間的關(guān)系曲線圖。

圖12 5-5剖面第1層應(yīng)變圖

圖13 5-5剖面第2層應(yīng)變圖

圖14 5-5剖面第3層應(yīng)變圖

圖15 5-5剖面第4層應(yīng)變圖

圖16 5-5剖面第5層應(yīng)變圖

圖17 5-5剖面第6層應(yīng)變圖

圖18 5-5剖面第7層應(yīng)變圖

圖19 5-5剖面第8層應(yīng)變圖

圖20 5-5剖面第9層應(yīng)變圖

圖21 5-5剖面第10層應(yīng)變圖

圖22 5-5剖面第11層應(yīng)變圖

圖23 5-5剖面第12層應(yīng)變圖

從圖3～圖11可以看出:T拉筋帶上水平方向的拉(壓)應(yīng)力隨著土層厚度的增加而不斷增大。當(dāng)土層厚度變化時(shí),每層拉筋拉(壓)力沿筋長的分布趨勢大致保持不變,但不同層拉筋的拉(壓)力沿筋長的分布不盡相同。

從圖6,圖8和圖10可以看出:部分應(yīng)變片顯示為負(fù)值,即該位置處的拉筋承受壓應(yīng)力。這主要是因?yàn)殡S著土層高度的增加,拉筋材料在填土中可能會(huì)處于彎曲狀態(tài),這樣某些部位是受壓的,另外由于面板之間的相互錯(cuò)動(dòng),也可能會(huì)出現(xiàn)一部分筋帶局部受壓的情況。

從圖12～圖23可以看出拉筋應(yīng)力分布的大致規(guī)律:上墻墻體拉筋應(yīng)變呈單峰值分布,最大應(yīng)變在墻頂位置距離面板較遠(yuǎn),向下逐漸靠近面板;而下墻墻體的拉筋應(yīng)變沿筋長方向呈雙峰值分布,第1個(gè)峰值靠近面板,而第2個(gè)峰值遠(yuǎn)離面板。第1個(gè)應(yīng)變峰值可能是由于填土側(cè)向土壓力作用結(jié)果,第2個(gè)峰值的產(chǎn)生可能是土體自重、填土對拉筋的摩阻力等共同作用的結(jié)果。

5 結(jié) 論

通過對某條帶式加筋土擋墻進(jìn)行拉筋原型觀測得到:

(1)筋帶上水平向的拉應(yīng)變隨著填土高度的增加而不斷增大,文中所采用的原型試驗(yàn)應(yīng)變測試方法能夠準(zhǔn)確反映出這種變化規(guī)律。

(2)各層拉筋的拉應(yīng)變沿筋長的分布隨著填土厚度變化有一定的差異,但每層內(nèi)各根拉筋應(yīng)變沿筋長的分布趨勢大致保持不變,從而為加筋擋土墻的設(shè)計(jì)與施工提供一定的理論基礎(chǔ)。

(3)上墻墻體拉筋應(yīng)變呈單峰值分布,最大應(yīng)變在墻頂位置距離面板較遠(yuǎn),向下逐漸靠近面板;而下墻墻體的拉筋應(yīng)變沿筋長方向呈雙峰值分布,第1個(gè)峰值靠近面板,而第2個(gè)峰值遠(yuǎn)離面板,這說明在下墻中拉筋的應(yīng)變分布規(guī)律較上墻更為復(fù)雜,設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)予以足夠的重視。

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