加筋膨胀土挡墙承载力研究

许 岩

加筋土是在土中埋设抗拉强度较高的材料而形成一种组合体[1］。它可以增加土体和其他材料之间的摩擦阻力，提高土体及有关构筑物的稳定性。膨胀土在我国分布广泛，用它做填料的加筋土工程在实践中已有先例[2，3］。膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂隙并具有显著胀缩性的地质体，是一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特种粘性土，是一种典型的非饱和土。由于膨胀土显著胀缩特性，使膨胀土地区的工程遭受巨大的破坏，带来巨大的经济损失。加筋土技术的发展为处治膨胀土问题提供了一种新的途径。本文通过对加筋膨胀土挡墙承载力进行理论研究并结合室内模型试验，考虑填土密实度、含水量条件影响，得到了有益的结论。

1 加筋膨胀土挡墙承载力的理论研究

1)破裂面形式。加筋土挡墙在荷载作用下，加筋体沿着拉筋最大拉力点的连线产生破坏，最大拉力点连线即为破裂面。目前，在加筋土挡墙分析与设计中经常采用的两种简化破裂面:朗金—库仑破裂面和0.3H型(如图1，图2所示)。0.3H型破裂面适用于高模量、高粘附筋材按正常方法布置的挡墙，朗金—库仑破裂面适用于高模量低密度或低模量拉筋的挡墙。本文试验材料所用的土工格栅的抗拉刚度接近于软钢，所以本文主要研究0.3H型破裂面条件下的承载力。

图1 0.3H型破裂面示意图

图2 朗金—库仑破裂面示意图

2)挡土墙破坏形式。加筋土挡墙破坏形式有拉断破坏和粘着破坏两种。拉断破坏就是加筋材料被拉断从而导致加筋挡土结构破坏。粘着破坏就是土与筋材之间摩阻力不足，筋从土体中被拔出，从而导致加筋土结构物破坏。假设填土破裂面为0.3H型，取挡土结构的中心截面处研究，其受力情况可以视为平面应变问题，受力图如图3，图4所示，根据静力平衡关系可以求出加筋挡土结构的承载力。

3)加筋膨胀土挡土结构承载力理论推导。膨胀土是一种特殊的粘性土，是一种典型的非饱和土。它的孔隙气压与孔隙水压的差称为基质吸力，吸附强度来源于基质吸力所产生的负孔隙压力，负孔隙压力在土骨架的内部产生有效应力，因而产生与外力无关的摩擦强度。文献[7］[8］认为，膨胀力可能代表由吸力所引起土体内部的有效压应力，非饱和膨胀土的含水量越小，基质吸力越大，膨胀力越大，可见膨胀力与基质吸力之间具有正相关性。

图3 拉断破坏时承载力计算分析图示

图4 粘着破坏时承载力计算分析图示

参照文献[6］膨胀土地基承载力的确定，假设膨胀性土压力P的方向是垂直于弹性楔体边界。为了便于积分，以墙趾处为坐标原点，则可得沿x方向的膨胀性土压力为:

同样处理后:

从该结论中可以看出非饱和加筋膨胀土挡土墙承载力高于饱和的加筋膨胀土挡土墙承载力，非饱和膨胀土随着含水量的增加而产生膨胀力，从而使得膨胀土的承载力降低。对于非饱和的加筋膨胀土挡土结构而言，承载力由两部分组成:饱和的加筋膨胀土挡土结构承载力和膨胀力引起的承载力。在下列前提假设条件下:1)加筋土破裂面符合0.3H型;2)假设膨胀性土压力的方向是垂直于破裂面边界;3)膨胀性土压力的大小和土体深度有一定的规律，根据式(3)和式(4)我们可以得到饱和膨胀土挡土结构与非饱和土挡土结构承载力的关系:非饱和加筋膨胀土挡土结构的承载力等于饱和加筋膨胀土挡土结构承载力与6.22Ps的和(Ps为非饱和膨胀土达到饱和过程中产生的膨胀力)。

2 用模型试验验证推导公式

1)模型试验及试验结果。室内模型加筋土挡墙采用中等膨胀土作为填料、TGDG35土工格栅为筋材(见表1，表2)，采用局部均匀加载的方式测出不同密实度(80%，90%，95%)、饱和和非饱和的加筋膨胀土挡墙在荷载作用下承载力。加载时采用逐级加载，每级荷载10 kN，直至在最后一级荷载作用下挡墙达到破坏为止。根据加筋土荷载试验特征确定承载力的方法[9］，从模型试验加载中确定的承载力见表3。

2)实验结果验证及分析。按理论推导所得出的结论计算非饱和的加筋膨胀土挡墙的承载力:

密实度80%:61.685+6.22 ×29=242.065 kPa;

密实度90%:61.685+6.22 ×44=335.365 kPa;

密实度95%:61.685+6.22 ×54=397.565 kPa。

表2 土工格栅性能参数

表3 室内实验承载力和膨胀力测试结果 kPa

从计算结果我们可以看出，密实度为90%，95%的加筋膨胀土挡土结构计算值和测量值非常接近，而密实度为80%的加筋膨胀土挡土结构计算值和测试值相差比较大。

根据实验现象分析如下:在外荷载作用下，80%密实度的加筋膨胀土挡土结构破坏时土体沉降量非常大而筋材并没有滑移或断裂，所以判断为由于土体承载力不足而引起的破坏。而对于密实度为90%，95%的加筋膨胀土挡土结构破坏时出现面板和土体分离的现象，并伴有横纵向裂纹，但筋材未断裂，所以判断出现粘着破坏。而加筋膨胀土挡土结构的承载力的计算公式是在拉断破坏或粘着破坏条件下推导出来的，所以对于密实度为80%的挡土结构计算值和测量值相差较大。

3 结语

1)采用非饱和土理论推导了在特定条件下加筋膨胀土挡土结构的承载力确定公式，并以室内模型试验为例进行了计算，证明了该公式计算具有一定的参考价值性。

2)通过对模式实验的结果验证，含水量对加筋膨胀土挡墙的承载力有显著影响，所以在工程实例中，尽量避免采用膨胀土作为加筋土挡墙的填料，如果采用一定要做好防水措施。

3)由该模型试验可以看出，挡土墙墙后填料的密实度对加筋土挡墙的承载力影响很大，在工程实际中，加筋土挡土墙墙后填土的密实度一定要达到90%以上才能有效提高挡墙承载力。

[1]雷胜友.加筋土的强度理论及加筋土高挡墙[M］.西安:西安地图出版社，2004.

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