含EPS墊層及輕量填土擋墻的墻后土壓力及其減載效應(yīng)

摘要"擋墻后鋪設(shè)柔性墊層或回填輕量土，對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)和降低成本有著重要的工程意義。通過開展不同級(jí)別荷載下的擋土墻物理模型試驗(yàn)，分析墻后鋪設(shè)EPS柔性墊層、回填泡沫輕量土及二者同時(shí)施加時(shí)的墻后土壓力大小及分布特征，并探討相應(yīng)的減載效應(yīng)。結(jié)果表明：擋土墻鋪設(shè)柔性墊層、回填輕量土或二者同時(shí)施加時(shí)，墻后土壓力均隨埋深呈先增大后減小的“鼓肚”狀非線性特征，土壓力最大值多出現(xiàn)在1/2墻高處；同等荷載作用下，僅回填輕量土的減載效果相對(duì)較弱，減載率為10%～25%，而鋪設(shè)柔性墊層的最大減載率較之提高了1.5倍，當(dāng)二者同時(shí)施加時(shí)，減載效果最佳，最大減載率相應(yīng)提高了近3倍；柔性墊層減載效果隨著厚度的增加逐漸降低，但泡沫摻量對(duì)墻后回填輕量土的減載率影響更為敏感。工程中可考慮采用中等厚度的墊層，若墻后填土附加荷載較大，可適當(dāng)提高回填泡沫輕量土的摻量。

關(guān)鍵詞"柔性墊層;"輕量填土;"擋土墻;"墻后土壓力;"減載效應(yīng)

作為工程中常見的支擋結(jié)構(gòu)，擋土墻主要用于防止墻后土體坍塌，保障巖土體安全穩(wěn)定等。墻后土壓力大小及分布是擋墻設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，減小墻后土壓力可實(shí)現(xiàn)擋墻體形尺寸及配筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究表明，在擋土墻后設(shè)置一定厚度的粒料層，在起到排水作用的同時(shí)也能減小作用在擋墻上的土壓力^[1]。此外，墻后采用輕量級(jí)填土，如EPS顆粒和水泥、原料土（素土）等混合泡沫輕量土，亦可減小墻后的土壓力水平^[2]。

泡沫類輕量土可以有效解決軟土地區(qū)路基、路塹、橋涵地基沉降量大、沉降不均勻、穩(wěn)定性差等土木工程難題^[3]，因此被廣泛應(yīng)用于山區(qū)高陡邊坡、狹窄地段直立路基擋墻及環(huán)境保護(hù)等工程中。董金梅等^[4]研究發(fā)現(xiàn)，輕質(zhì)混合土抗壓強(qiáng)度與水泥摻入比、含水量、密度、齡期和破壞應(yīng)變的關(guān)系。李明東等^[5]以新安江電廠的道路工程為例，發(fā)現(xiàn)EPS顆?；旌陷p量土可以有效降低填土豎向土壓力。王超等^[6]通過模型試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)EPS顆?；旌陷p量土可以有效降低臺(tái)背側(cè)向土壓力，且隨著EPS顆粒含量增加，減壓效果逐漸增強(qiáng)。Kaneda等^[7]研究了輪胎碎屑夾雜砂土的土壓力降低機(jī)制。高洪梅等^[8-10]研究了交通荷載作用下EPS顆粒輕質(zhì)混合土的動(dòng)變形特性，分析了初始應(yīng)力狀態(tài)和EPS顆粒配比對(duì)壓實(shí)型（未添加水泥）EPS顆粒輕質(zhì)混合土動(dòng)模量和阻尼比特性的影響。侯天順等^[11-13]通過擋土墻模型試驗(yàn)及有限元數(shù)值模擬對(duì)輕量土靜止土壓力、靜止土壓力系數(shù)、沉降變形特性等進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)EPS顆粒輕量土摩擦系數(shù)、剛度比和黏結(jié)強(qiáng)度等細(xì)觀參數(shù)對(duì)骨干曲線的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。

學(xué)者們對(duì)EPS板在擋土結(jié)構(gòu)物和涵洞頂部應(yīng)用時(shí)的變形特性和減壓機(jī)理進(jìn)行了大量研究。Roy等^[14]通過建立的有限元模型研究了EPS材料作為隧道隔震有效緩沖層的可行性。Ni等^[15]通過模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，EPS板厚度越大，填土產(chǎn)生的位移量越大，土壓力更接近主動(dòng)土壓力。Bathurst等^[16]對(duì)地震工況下EPS緩沖層減載效應(yīng)進(jìn)行了研究。王德玲等^[17]用有限元軟件驗(yàn)證了EPS緩沖層通過吸收振動(dòng)能量從而減少擋土墻上的動(dòng)力荷載。鄭俊杰等^[18-20]結(jié)合模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了彈性模量和厚度對(duì)EPS板減壓性能的影響。

眾多學(xué)者針對(duì)EPS輕量填土和EPS緩沖層在不同結(jié)構(gòu)中的減載作用開展了富有成效的研究工作，分析了其減載性能及相應(yīng)的作用原理。但對(duì)于擋墻結(jié)構(gòu)，若能綜合考慮墻后鋪設(shè)EPS柔性墊層及回填輕量填土，將在發(fā)揮EPS墊層便捷、高效施工及消能減載作用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)固廢利用，對(duì)于節(jié)約資源、降低成本有著重要的工程意義。為此，開展鋪設(shè)EPS墊層及回填輕量填土的重力式擋墻模型試驗(yàn)，研究墻后土壓力分布規(guī)律及減載效應(yīng)，以期為類似工程條件下的擋墻設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1"擋土墻模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1"試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用原料土為取自宜昌地區(qū)的黏土。選取原料土按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）^[21]開展常規(guī)試驗(yàn)，通過標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn)，得到其最優(yōu)含水率為14.40%，最大干密度為1.644 g/cm³。原料土基本物理性質(zhì)如表1所示。

試驗(yàn)所用的泡沫材料為發(fā)泡聚苯乙烯顆粒，粒徑為1～5 mm，其堆積體密度為0.032 g/cm³。試驗(yàn)中采用定制的EPS泡沫板作為擋土墻墻后柔性墊層材料，表面光滑平整，厚度為2 cm，密度為12 kg/m³，在單軸壓縮處于彈性階段時(shí)，其彈性模量為3 MPa。

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）^[21]規(guī)定，將稱好的水均勻地噴灑入原料土中，用調(diào)土刀拌和均勻并充分?jǐn)嚢瑁患尤隕PS顆粒，再次攪拌直至獲得均勻的輕量填土；采用質(zhì)量控制法用電子天平稱量預(yù)定的輕量填土分別加入到高20 mm、直徑61.8 mm的環(huán)刀中，用千斤頂進(jìn)行壓樣法制樣。依據(jù)文獻(xiàn)[11-12]，將泡沫顆粒摻量定義為泡沫顆粒的質(zhì)量與干土質(zhì)量之比，且發(fā)現(xiàn)當(dāng)泡沫摻量高于0.3%時(shí)，對(duì)應(yīng)的泡沫體積占比將大于30%，而過大摻量的泡沫將會(huì)引起受荷變形問題，故選取4種泡沫顆粒摻量（0、0.1%、0.2%、0.3%）分別配制成輕量填土標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀試樣進(jìn)行快剪試驗(yàn)^[22]。表2給出了不同EPS泡沫摻量下輕量填土試樣快剪試驗(yàn)結(jié)果。不難看出，隨著EPS泡沫摻量的增加，EPS混合輕量填土的內(nèi)摩擦角增大，黏聚力整體略有減小。

1.2"模型箱設(shè)計(jì)

物理模型試驗(yàn)以概化的擋墻模型為對(duì)象，重點(diǎn)研究墻后土壓力分布特征及減載效應(yīng)響應(yīng)規(guī)律。模型試驗(yàn)使用自主設(shè)計(jì)制作的模型箱，尺寸為100 cm×80 cm×60 cm，如圖1所示。模型箱側(cè)壁中，擋墻面板及對(duì)面擋板為鋼板，另外兩側(cè)為透明的亞克力板，底板為鋼板。擋墻面板和各側(cè)板均垂直嵌固在底部框架上，模型底板及四周均為剛性位移約束，頂部按試驗(yàn)方案工況堆載。為了減小兩側(cè)壁摩阻力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)時(shí)為在側(cè)壁涂抹潤(rùn)滑油，同時(shí)，在擋墻側(cè)面板中心線上距頂部10、20、30、40、50 cm位置設(shè)有直徑為30 mm、深度為10 mm的土壓力盒槽及走線槽，用以埋設(shè)土壓力盒及走線，以減少土壓力盒埋設(shè)對(duì)擋土墻平面平整度的影響。

試驗(yàn)采用DMTY振弦式土壓力盒和DM-YB1820型動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)。土壓力盒為圓盤形，其直徑為28 mm，厚度為10 mm，在滿足測(cè)量精度要求的條件下，靜荷載試驗(yàn)選擇量程為0～10 kPa的土壓力盒，其精度為0.05 kPa。DM-YB1820型動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)，是一種對(duì)各種電阻應(yīng)變計(jì)及應(yīng)變式傳感器進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試分析的系統(tǒng)，能同時(shí)顯示和采集20個(gè)通道的全部數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中土壓力盒測(cè)得的是微應(yīng)變，通過式（1）換算可得到不同深度處的墻后土壓力。

式中：με為微應(yīng)變；K為靈敏度系數(shù)。土壓力盒CH1～CH5的靈敏度系數(shù)見表3。

1.3"填土方式

試驗(yàn)采用分層填筑、人工壓實(shí)的方法。填土分6層填筑壓實(shí)，每層填土高度為10 cm，總高度為60 cm。根據(jù)填土的高度和壓實(shí)度，采用質(zhì)量控制法填筑并夯實(shí)填土，以90%壓實(shí)度控制壓實(shí)，即填土密度控制為1.48 g/cm³，因此，填筑每一層填土的質(zhì)量約為71.03 kg。待全部填土填筑完成后，靜置直至土壓力盒示數(shù)不再變化。

考慮到泡沫顆粒的疏水性，為避免泡沫顆粒與土體混合不均勻，制作輕量填土?xí)r需先將泡沫顆粒過水，使其表面均勻沾上水分，然后根據(jù)配合比，將稱量好的泡沫均勻撒至原料土上，多次攪拌使其混合均勻；最后采用質(zhì)量控制法，將輕量填土均以90%壓實(shí)度控制，分層填筑，人工壓實(shí)。

對(duì)于擋土墻后設(shè)置有EPS柔性墊層的工況，在固定好土壓力盒后，于擋墻內(nèi)側(cè)鋪設(shè)EPS墊層（墊層尺寸統(tǒng)一為100 cm×60 cm×2 cm），使其與擋土墻面板緊密貼合，并按照上述填土方式回填原料土和輕量填土。為防止試驗(yàn)過程中出現(xiàn)土壓力盒應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在預(yù)留的土壓力盒槽中使用紗布包裹土壓力盒避免黏土直接接觸。

1.4"試驗(yàn)方案

填筑完成后，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）^[23]，通過在填土頂部堆載模擬加載情況，形成的荷載近似為均布面荷載。在距離墻頂內(nèi)側(cè)5～57 cm范圍分4級(jí)加載，加載區(qū)域大小為0.84 m×0.52 m。4級(jí)荷載加載重物質(zhì)量分別為64、128、200、280 kg，均勻布置在加載面，對(duì)應(yīng)荷載分別為1.45、2.91、4.55、6.37 kPa，加載中需等土壓力值趨于穩(wěn)定后（30 min內(nèi)示數(shù)變化不超過0.05 kPa）再進(jìn)行下一級(jí)荷載加載；待試驗(yàn)完成，卸除荷載，清空填土，將圓孔及土壓力盒上附著黏土清除。試驗(yàn)方案見表4。

2"擋土墻墻后土壓力分析

2.1"柔性墊層厚度對(duì)墻后土壓力的影響

在自重情況下按試驗(yàn)方案依次加載，測(cè)得不同埋深處墻后土壓力曲線如圖2所示，此時(shí)墻后未鋪設(shè)輕量填土。由圖2可知，不同柔性墊層厚度下墻后土壓力呈以下特點(diǎn)：

1）不同荷載級(jí)別下，墻后土壓力分布隨埋深呈先增大后減小的非線性特征，這與已有研究得出的結(jié)論一致^[24]。一般地，較大埋深處土體豎向應(yīng)力較大，其土拱效應(yīng)更顯著，墻后土壓力會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)并開始減小。鋪設(shè)EPS柔性墊層后，相對(duì)于一、二級(jí)荷載拐點(diǎn)出現(xiàn)在1/2墻高處，荷載級(jí)別更高時(shí)，拐點(diǎn)上移出現(xiàn)在2/3墻高處，可見荷載級(jí)別較高時(shí)，EPS柔性墊層的減載范圍更大。

2）與無墊層時(shí)相比，鋪設(shè)EPS柔性墊層時(shí)墻后土壓力有明顯的降低，且當(dāng)荷載增大時(shí)，墻后土壓力減小的效果更為明顯。同級(jí)荷載下，墻后土壓力隨著墊層厚度增加而顯著減小，原因在于EPS柔性墊層上部受荷載作用產(chǎn)生的壓縮量較下部大，厚度越大，壓縮量也越大，相應(yīng)地填土產(chǎn)生的變形也越大，因此墻后土壓力相應(yīng)減小。

3）對(duì)比4種級(jí)別荷載下的土壓力分布曲線可以發(fā)現(xiàn)，墻后土壓力減小量并非隨著墊層厚度變化均勻增大，而是逐漸趨于平緩；換言之，墊層的減載效應(yīng)并非越厚越明顯，其與所在墻高位置及附加荷載均有關(guān)，一般墻后中下部的墊層及較大附加荷載下的減載效應(yīng)相對(duì)更為明顯。

2.2"輕量填土泡沫摻量對(duì)墻后土壓力的影響

為研究輕量填土泡沫摻量對(duì)墻后土壓力的影響，圖3給出了不同荷載作用下原料土和各摻量輕量填土對(duì)應(yīng)的墻后土壓力分布，此時(shí)墻后未鋪設(shè)EPS柔性墊層。由圖可知，輕量填土泡沫摻量對(duì)墻后土壓力的影響呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)。

1）整體來講，回填輕量土?xí)r的墻后土壓力分布與原料土及鋪設(shè)EPS柔性墊層時(shí)的結(jié)果比較類似，即土壓力分布隨深度出現(xiàn)“鼓肚”現(xiàn)象，且與原料土一致，均在1/2墻高處出現(xiàn)拐點(diǎn)。

2）EPS泡沫顆粒在輕量填土中起到填充與減重作用，與原料土相比，由于自重變輕，回填輕量土后擋墻土壓力明顯變小，且隨著泡沫摻量的增加土壓力持續(xù)減?。挥捎谠囼?yàn)中整體摻量水平均不高，相應(yīng)地墻后土壓力減小幅度比較接近。

3）對(duì)比圖2僅鋪設(shè)柔性墊層的土壓力分布曲線，回填輕量填土的墻后土壓力“鼓肚”現(xiàn)象較為緩和，非線性程度較低，墻體下部土壓力分布比較接近。這是由于摻入輕量填土后自重減小，土體黏聚力雖略有減小，但內(nèi)摩擦角變大，靠近墻體下部的土體在豎直向壓力作用下，整體不易發(fā)生變形，內(nèi)力分布接近，見圖3（a）～（c），除非在更大的外荷載條件下，才會(huì)出現(xiàn)更顯著的“鼓肚”現(xiàn)象（圖3（d））。

2.3"EPS柔性墊層及輕量填土組合下墻后土壓力

當(dāng)墻后鋪設(shè)EPS柔性墊層并回填EPS輕量土?xí)r，相比上述兩個(gè)因素單獨(dú)施加，圖4以2級(jí)荷載和4級(jí)荷載為例，給出了相應(yīng)的土壓力分布曲線。不難發(fā)現(xiàn)，相較于分別布置EPS柔性墊層和回填EPS輕量土情況，在其組合系統(tǒng)中，擋墻墻后土壓力分布既符合呈現(xiàn)出“鼓肚”的非線性特征，但又由于輕量填土的存在，其非線性程度較低，墻后中下部土壓力比較接近，更為平穩(wěn)，而當(dāng)外荷載較大時(shí)，才進(jìn)一步體現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性特征。

與鋪設(shè)EPS柔性墊層或回填輕量土單獨(dú)作用下的減載作用類似，在二者組合系統(tǒng)中，墻后土壓力減小程度更為明顯，且比兩個(gè)因素單獨(dú)作用下的減載效應(yīng)明顯。

3"墻后土壓力減載效應(yīng)研究

為了進(jìn)一步探究EPS柔性墊層、輕量填土及其組合系統(tǒng)對(duì)擋墻結(jié)構(gòu)的減壓效果，引入減載值λ和減載率γ對(duì)減載效應(yīng)進(jìn)行分析，其定義分別為

式中：P₀為不同荷載下僅回填原料土?xí)r墻后土壓力合力（數(shù)值上等于土壓力曲線與坐標(biāo)軸所圍成的面積）；P_n為不同荷載下設(shè)置墻后墊層或輕量填土工況下墻背土壓力合力。

3.1"鋪設(shè)EPS柔性墊層的減載效應(yīng)分析

擋土墻后鋪設(shè)柔性墊層可以有效減小墻背土壓力，圖5為不同荷載作用下減載值及減載率隨柔性墊層厚度變化曲線。由圖5可知，隨著柔性墊層厚度及附加荷載的增加，柔性墊層發(fā)揮出來的減載值逐漸增加，減載率約從15%提高至50%。但隨著墊層厚度增加，減載率曲線整體上移的距離變小，且隨著荷載增大趨于平緩，可見，柔性墊層的減載幅度隨著墊層厚度或者荷載級(jí)別的增加而逐步降低。

分析原因，由于在一定荷載作用下，土體能發(fā)生的變形有限，其對(duì)較薄和較厚的墊層擠壓效果比較接近，除非進(jìn)一步提高荷載值，土體發(fā)生更大的變形，此時(shí)對(duì)于較厚的墊層所能吸收的位移更大，才能更好地發(fā)揮減壓作用；同理，當(dāng)墊層厚度一定時(shí)，附加荷載增大到一定程度時(shí)（如四級(jí)荷載），土體自身在豎向壓力周圍約束條件下，變形增加也趨于平緩，墊層協(xié)調(diào)變形吸能的作用也不再顯著。在工程中，擋墻服役期的正常荷載一般均在相對(duì)穩(wěn)定的一個(gè)范圍內(nèi)，故可設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)中等厚度的墊層，即可發(fā)揮較好的減載作用。

3.2"回填EPS泡沫輕量填土的減載效應(yīng)分析

與鋪設(shè)EPS柔性墊層類似，在擋土墻后回填輕量土也可以有效減小墻背土壓力。圖6為不同荷載作用下減載值及減載率隨輕量填土泡沫摻量變化曲線。從圖6可知，隨著泡沫摻量的增加，墻后土壓力減載值和相應(yīng)減載率都有明顯增加，且在一級(jí)荷載和二級(jí)荷載時(shí)，隨著摻量的增加，減載率由約10%先后提升到16%和26%，提升幅度約為10%，而在三級(jí)荷載和四級(jí)荷載（分別約為墻底土體自重應(yīng)力的1/2和2/3）作用下，相應(yīng)提升幅度有所降低，約在5%以內(nèi)。

在不同級(jí)別荷載作用下，相同摻量的輕量填土減載效果比較接近，減載率變化整體在5%左右。可見，相對(duì)于荷載級(jí)別，墻后回填輕量土的減載率對(duì)于泡沫摻量更為敏感，主要還是由于泡沫的添加能顯著降低土體的重度，增大其協(xié)調(diào)變形能力。

3.3"EPS柔性墊層及輕量填土組合下的減載效應(yīng)分析

圖7和圖8分別給出了不同荷載級(jí)別下墻后鋪設(shè)EPS柔性墊層及輕量填土?xí)r的土壓力減載值及減載率，結(jié)合圖5～圖8分析可知，相比上述EPS柔性墊層及輕量填土單獨(dú)施加，二者組合作用下，墻后土壓力減載值及減載率更大，減載效應(yīng)更為顯著。以二級(jí)荷載為例，僅鋪設(shè)墊層時(shí)，減載值和減載率范圍分別約為0.21～0.45 kPa和18%～38%；回填輕量土?xí)r，相應(yīng)的減載值和減載率分別為0.12～0.30 kPa和10%～25%；而在二者組合作用下，減載值可達(dá)到0.20～0.85 kPa，減載率提高至15%～70%。

可以看出，單獨(dú)作用下，墻后鋪設(shè)柔性墊層比回填輕量土的減載效應(yīng)要明顯，在二者組合系統(tǒng)中，前者仍是主要影響因素，除非繼續(xù)增加輕量填土泡沫的含量。故受荷載作用下?lián)鯄θ嵝詨|層及輕量填土組合系統(tǒng)減載效果最強(qiáng)，柔性墊層次之，而僅回填輕量土的減載效果相對(duì)最弱。此外，與單獨(dú)作用條件的減載率變化類似，當(dāng)荷載等級(jí)增大到一定量值后，EPS柔性墊層及輕量填土組合系統(tǒng)的減載效率也趨于穩(wěn)定，換言之，需增加與之相應(yīng)的更大厚度和含量的墊層和輕量填土。

4"結(jié)論

1）與僅回填原料土?xí)r擋墻墻后土壓力分布特征類似，鋪設(shè)EPS柔性墊層、回填輕量土以及二者共同施加時(shí)，墻后土壓力隨著埋深均呈現(xiàn)“鼓肚”狀，具有顯著的非線性特性，土壓力最大值（拐點(diǎn)）多出現(xiàn)在1/2墻高處；鋪設(shè)墊層可使拐點(diǎn)上移，進(jìn)而增大減載范圍，而回填輕量土可使墻體下部土壓力分布接近，降低了土壓力分布的非線性程度。

2）在擋土墻墻后鋪設(shè)EPS柔性墊層或回填輕量土均可減小墻后土壓力，與僅回填輕量土最大減載率相比，鋪設(shè)柔性墊層時(shí)的最大減載率提高了1.5倍，而同時(shí)鋪設(shè)柔性墊層及輕量填土?xí)r減載效果最佳，最大減載率相應(yīng)提高了約3倍。

3）隨著柔性墊層厚度的增加，其減載效果會(huì)逐漸增強(qiáng)，但增幅會(huì)逐漸降低；而墻后回填輕量土的減載率對(duì)于泡沫摻量更為敏感，主要是由于泡沫的添加降低了土體重度，增大了其協(xié)調(diào)變形能力。故在類似工程中，建議采用中等厚度的墊層，若墻后填土的附加荷載較大，可考慮適當(dāng)提高回填輕量土的摻量。

4）主要探討擋墻鋪設(shè)EPS柔性墊層及回填輕量土對(duì)墻后土壓力大小、分布特征的影響，并結(jié)合已有研究結(jié)果分別對(duì)兩種因素各自的影響規(guī)律進(jìn)行初步分析。但在二者共同作用下，其組合體系與土體、附加荷載等的相互作用及其減載機(jī)制更為復(fù)雜，還需開展更為深入的研究。此外，相應(yīng)的施工技術(shù)和成本控制等也有待于持續(xù)的關(guān)注。

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