臺(tái)階式加筋土擋墻模型設(shè)計(jì)研究

麻琳琳，李伯瀟

（青島城市學(xué)院，山東 青島 266000）

0 引言

加筋土擋墻是指在回填土中分層鋪設(shè)高模量抗拉筋材，共同構(gòu)成坡度較陡或直立的復(fù)合擋土結(jié)構(gòu)[1]；與傳統(tǒng)擋土結(jié)構(gòu)相比，加筋土擋墻具有工程成本低，施工簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)。其中，筋材土工格柵獨(dú)特的縱橫相連結(jié)構(gòu)形式能夠在一定程度上控制填土的局部變形，減小擋墻水平位移，提高土的整體穩(wěn)定性。但目前對(duì)加筋作用機(jī)制的研宄以及設(shè)計(jì)方法等還滯后于實(shí)際工程應(yīng)用，理論分析還依托于模型。模型試驗(yàn)是加筋土擋墻領(lǐng)域開展力學(xué)與變形性能分析的重要手段，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)原型加筋土擋墻動(dòng)力特性和變形與力學(xué)規(guī)律，選擇合理的模型試驗(yàn)是必要的[2]。本文通過沙箱模型試驗(yàn)，獲得臺(tái)階式加筋土擋墻的受力性能數(shù)據(jù)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。通過模型試驗(yàn)分析和研究臺(tái)階式加筋土擋墻的設(shè)計(jì)和方案優(yōu)化，對(duì)于推廣和應(yīng)用該新型土工結(jié)構(gòu)，提高工程建設(shè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。本文將通過設(shè)計(jì)方案對(duì)比進(jìn)行闡述。

1 設(shè)計(jì)方案一

1.1 筋條布置

優(yōu)化的筋條布置方案如圖1 所示，以改進(jìn)臺(tái)階式加筋土擋土墻的穩(wěn)定性和抗側(cè)壓力能力。

圖1 方案一筋帶位置和面板及其折疊、裁剪（單位：cm）

優(yōu)化方案中所選用的筋帶規(guī)格參數(shù)如圖2 所示，每條筋帶寬度為2cm，考慮到筋帶與面板的連接長(zhǎng)度2cm/條，則所需筋材用量如下：2×（60+2）×4+2×（40.8+2）×3+2×（28.8+2）×4+2×（48.25+2）×4+2×（39.2+2）×3+2×（30+2）×4=1904.4cm2，則所需筋材質(zhì)量為120g×1904.4/3600=63.48g。

圖2 筋帶長(zhǎng)度

1.2 理論驗(yàn)算

1.2.1 面板后填料產(chǎn)生的水平土壓力

（1）Ⅱ級(jí)擋墻設(shè)計(jì)如式（1）～式（3）所示。

1.2.2 填料上荷載產(chǎn)生的土壓應(yīng)力

填料上荷載產(chǎn)生的土壓應(yīng)力如式（7）所示。

當(dāng)hi≤btan60°時(shí)，li＇=l0+2hitan30°；當(dāng)hi＞btan60°時(shí)，li＇=b+l0+hitan30°。

式中：γ=17.2kN/m3；hi——第i 層拉筋所在處的填土深度；h0——當(dāng)量土層厚度；l0——當(dāng)量土層長(zhǎng)度；li＇——第i 層拉筋所在處。

（1）Ⅱ級(jí)擋墻設(shè)計(jì)如式（8）～式（10）所示。

則擋土墻所受水平總壓力計(jì)算如式（14）～式（19）所示。

1.2.3 拉筋所受垂直應(yīng)力計(jì)算

拉筋所受填土產(chǎn)生的豎向應(yīng)力計(jì)算如下。

（1）Ⅱ級(jí)擋墻設(shè)計(jì)如式（20）～式（22）所示。

拉筋所受豎向附加荷載產(chǎn)生的豎向應(yīng)力計(jì)算如下。

（1）Ⅱ級(jí)擋墻設(shè)計(jì)如式（26）～式（28）所示。

（2）Ⅰ級(jí)擋墻設(shè)計(jì)如式（29）～式（31）所示。

則拉筋所受垂直總應(yīng)力計(jì)算如式（32）～式（37）所示。

1.2.4 拉筋所受拉力計(jì)算

拉筋所受拉力計(jì)算如式（38）所示。

式中：Ti——第i 層拉筋所受拉力；Sxi——第i 層拉筋間的水平間隔；Syi——第i 層拉筋與第（i-1）層拉筋之間的豎直距離。

（1）Ⅱ級(jí)擋墻設(shè)計(jì)方面，由圖1 可知：Sx1=Sx3=0.13m，Sx2=0.13 +0.06 =0.19m，Sy1=0.045m，Sy2=Sy3=0.075m。

則可得式（39）～式（41）。

（2）Ⅰ級(jí)擋墻設(shè)計(jì)方面，由圖1 可知：Sx4=Sx6=0.13m，Sx5=0.13+0.06=0.19m，Sy4=0.05m，Sy5=Sy6=0.075m。

則可得式（42）～式（44）。

1.2.5 拉筋長(zhǎng)度計(jì)算

拉筋長(zhǎng)度由無效長(zhǎng)度和有效長(zhǎng)度兩個(gè)部分組成。Ⅱ級(jí)擋墻初步設(shè)計(jì)長(zhǎng)度一般大于0.7H 或2.5m，若墻頂有填土或集中荷載作用時(shí)，應(yīng)大于0.8H～1.1H；Ⅰ級(jí)擋墻加筋長(zhǎng)度應(yīng)大于等于0.6H（H=H1+H2），通過驗(yàn)算擋墻的內(nèi)外穩(wěn)定性來判斷初始長(zhǎng)度是否符合要求。拉筋長(zhǎng)度計(jì)算如下。

設(shè)Lb1=2.5H=0.6m，Lb2=1.7H=0.408m，Lb3=1.2H=0.288m。

設(shè)Lb4=1.93H=0.4825m，Lb5=1.568H=0.392m，Lb6=1.2H=0.3m。

則可得式（49）～式（54）。

式中：Li——第i 層拉筋所需的長(zhǎng)度；Lai——第i 層拉筋中的無效長(zhǎng)度；Lbi——第i 層拉筋中的有效長(zhǎng)度。

筋材與擋土墻面的連接方式為在每根筋帶左端起2cm 位置處將筋帶（牛皮紙）折起作為與擋土墻面的連接部分，用膠帶橫向?qū)⒔顜д燮鸩糠峙c擋土墻面連接在一起。牛皮紙與面板連接方式如圖3 所示。

圖3 牛皮紙與面板連接方式

1.2.6 結(jié)論

設(shè)計(jì)方案一的沙箱模型試驗(yàn)成功，靜載和動(dòng)載的試驗(yàn)均達(dá)到預(yù)期要求。通過分析加筋土擋墻結(jié)構(gòu)中填土粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)擋墻面板變形的影響，確定填土參數(shù)變化對(duì)擋墻面板變形的影響規(guī)律；根據(jù)加筋土擋墻結(jié)構(gòu)中各影響因素分析結(jié)果，提出加筋土擋墻設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。

加筋材料的布設(shè)是加筋土擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，當(dāng)拉筋長(zhǎng)度過短時(shí)，無法起到預(yù)設(shè)加筋效果；過長(zhǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性無意義。在以上分析基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)方案一進(jìn)行優(yōu)化，得到設(shè)計(jì)方案二。

2 設(shè)計(jì)方案二

優(yōu)化措施如下。

（1）筋條寬度減少。每條筋帶寬度調(diào)整為1cm。

（2）筋條連接長(zhǎng)度減小。筋帶與面板的連接長(zhǎng)度調(diào)整為1.5cm。

（3）所需筋材用量為1×（60+1.5）×4+1×（40.8+1.5）×3+1×（28.8+1.5）×4+1×（48.25+1.5）×4+1×（39.2+1.5）×3+1×（30+1.5）×4=941.2cm2。

（4）調(diào)整布置方式，將拉筋調(diào)整為環(huán)狀，加筋體中拉筋斷裂或從填土中被拔出都會(huì)造成加筋土擋墻破壞[3]；所以需要調(diào)整拉筋布置，上下墻的布置方式如圖4 所示。

圖4 上下墻的布置方式

方案二的模型試驗(yàn)相比方案一能更好地承受靜載和動(dòng)載的加持，同時(shí)降低材料用量，提高整體結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)語

大量實(shí)踐與理論研究表明，臺(tái)階式加筋土擋墻分級(jí)模式（分級(jí)數(shù)、分級(jí)墻高和臺(tái)階寬度）、填土與地基土性質(zhì)、筋材參數(shù)等是影響其性能的重要因素[4]。綜上所述，進(jìn)行沙箱模型觀測(cè)和試驗(yàn)，主要分析參數(shù)包括界面摩擦系數(shù)、墻后填土粘聚力及內(nèi)摩擦角、筋材垂直間距、加筋長(zhǎng)度等；通過參數(shù)調(diào)整，模擬臺(tái)階式加筋土擋土墻工作性狀與加筋機(jī)制，得出新設(shè)計(jì)思路，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)、施工等方面的技術(shù)水平和應(yīng)用效果，為加筋土擋墻進(jìn)一步研究做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。