生态砌块挡墙抗侧向力性能试验研究

厉志闯,陈文亮,梁荣祥

(1.永嘉县三江片开发建设指挥部,浙江 永嘉 325100;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

近年来在河道和堤防整治工程中,越来越注重河道和堤防的生态化改造和景观设计,护坡技术也由原来的纯工程性措施逐步向生态型发展,生态护岸越来越受到关注。开发和应用兼具生态保护、资源可持续利用以及符合工程安全需求的岸坡防护生态工程技术,已成为河流整治工程的创新内容[1]。在近20多年的生态化护坡设计技术的研究过程中,全球设计出了多种既符合水利工程边坡防护功能要求,又能改善工程建设区生态结构和绿化美化工程建设区环境的生态护坡设计方案。如植物护坡、土工网固土植草护坡、蜂巢式网格固土植草护坡、植物生长砖护坡、以及植被型生态混凝土构件护坡等[2]。

生态砌块护坡是生态护坡的一种形式。不仅具有传统砌块的功能,还具有景观美化、生态友好的典型特色[3]。基于砌块的生态功能,由其砌筑的护坡是砌块生态功能的扩展与延伸,在挡土结构功能的基础上,还能减少断面体积对环境的硬性影响,能协调、修复周边环境,并具有生态恢复功能。

为了解生态砌块挡墙抵抗土压力的性能,作者对某生态砌块挡墙的抗侧向力性能进行现场试验研究。

2 试验目的

生态砌块主要用于砌筑景观河道、边坡的挡土墙。挡土墙主要承受的荷载是土压力,为了检验砌块挡墙的性能,模拟砌块挡墙在土压力作用下的变形及稳定情况,开展了本次试验,目的:①砌块挡墙在侧压力作用下的变形及稳定情况;②对比灌浆孔灌混凝土和不灌混凝土砌块挡墙的抗侧向力性能;③通过现场试验研究为实际应用提供依据。

3 试验方案及方法

为了对比分析灌浆孔灌混凝土和不灌混凝土砌块挡墙的抗侧力性能,在现场分别布置高度和宽度相同的2片挡墙,挡墙宽和高分别为2.0,1.4 m,一片挡墙所有的竖向灌浆孔在砌块砌筑完成后灌注混凝土,另一片挡墙的灌浆孔则不灌混凝土。

本次试验的目的是研究砌块挡墙墙体本身的抗侧向力性能,因此试验时需要保证挡墙基础沿基底面不发生滑移和倾覆,为此试验前先通过工程措施使挡墙基础与地基固接。试验主要测试墙体在侧压力作用下的变形情况,为此在墙体前方一定距离处布置3根直杆作为量测位移的基点,并在墙体的前方标记9个测点(见图1)。试验水平加载装置由反力柱+液压千斤顶+钢垫板组成。集中力加载方式为3分点加载,用2根2.0 m的12#槽钢夹2根15 cm的φ 20圆钢实现。试验时集中力的作用位置为墙高的1/2处。侧压力加载示意见图2。加载前先用钢尺量测墙体9个测点与基点的距离并记录,试验过程中侧压力分级施加,并记录每一级侧压力作用下9个测点与基点的距离。试验过程中同时观察每一级侧压力作用下墙体砌块是否有滑移、倾覆等失稳现象,以及砌块墙体是否有崩边角、裂缝等因变形而损坏的情况。

图1 挡墙位移测点布置图

图2 侧压力加载示意图

4 试验成果及分析

根据以上试验方案及方法,分别对灌浆孔灌浆的砌块挡墙和未灌浆的砌块挡墙进行抗侧向力试验。

灌浆砌块挡墙的侧压力—位移数据见表1,根据测得的结果,分别对布置在水平向同一位置的测点进行分析,测点1、4、7,测点2、5、8和测点3、6、9侧压力—位移的关系变化分别见图3～5。

表1 灌浆砌块挡墙侧压力—位移数据表 cm

图3 测点1、4、7侧压力—位移的关系变化图

图4 测点2、5、8侧压力—位移的关系变化图

图5 测点3、6、9侧压力—位移的关系变化图

从图3～5可以看出,水平向同一位置的测点变形符合相同的变化规律,砌块挡墙的最大位移均发生在靠近墙顶的测点 (如测点1、2、3),且高度越高变形越大。同一位置的测点在荷载较小时变形较小,随着荷载的增大而增大,侧压力与变形呈线性递增的关系,符合弹性体的一般变化规律。

从灌浆挡墙试验结果可以看出,在26.95 kN水平集中力作用下,变形最大的点为测点2,位移为3.25 cm,而位于挡墙上部的其他2个测点(测点1、3)的位移在3 cm左右。位于墙体底部的测点7、8、9在水平力小于等于9.8kN时均未发生位移,大于9.8 kN时,位移随荷载增加的幅度均不大。一定的位移有利于主动土压力的释放,同时也可为挡墙的破坏提供预警。试验过程中现场对墙体进行检查,墙体砌块间没有发生滑移、倾覆等失稳现象,砌块墙体也没有崩边角、裂缝等因变形而损坏的情况。

未灌浆的砌块挡墙在4.90,7.35 kN侧压力作用下变形规律与灌浆挡墙相似,但当第3级侧压力加到8.82 kN时,墙体位移不断增大。经对砌块墙体检查发现,此级侧压力作用下,砌块挡墙上部砌块有沿着最下一层砌块的前趾发生倾覆的迹象,且墙后底层相邻2层砌块已经脱开,造成墙体失稳(见图6)。

实测1.4m高未灌浆的砌块挡墙,单宽承受侧向力的能力约为4.4 kN。现场试验采用集中力,且作用力位置为墙高的1/2处,与实际土压力产生的三角形荷载和作用位置是不同的,现场试验为更为不利的情况。

图6 未灌浆砌块挡墙上部砌块沿底层砌块倾覆示意图

作用在挡土墙上的主动土压力可按朗肯土压力理论进行估算,计算公式如下:

式中:γ为墙后填土的重度,kN/m3;Kα为主动土压力系数,为填土的粘聚力,kPa;φ为填土的内摩擦角 ,°。

根据试验所在地区的土质情况,在不考虑超载的情况下,按式 (1)计算作用在1.4 m高挡土墙上的土压力约为4.0 kN/m左右。由此可见,灌浆挡墙墙体自身完全可以满足承载要求,并有很强的超载能力;不灌浆挡墙墙体基本可以满足要求,但为确保安全,建议对下部几层砌块进行灌浆或采用加筋材料,提高其稳定性。

从现场2片挡墙的对比试验可以看出,灌浆孔灌浆的砌块挡墙整体性优于未灌浆的砌块挡墙,抗侧压力能力也明显好于未灌浆的砌块挡墙。这是由于灌浆砌块挡墙的纵向灌浆孔灌浆使独立的各砌块连成一体,并且灌浆孔中的灌浆混凝土柱起到了芯柱或构造柱的作用,提高了砌块墙体的抗变形能力。

5 结 语

生态砌块挡墙自身结构轻,对地基承载力要求低,且造价较经济,生态景观效果好,与一般的挡土墙相比有突出的优点,有良好的应用前景,可广泛应用于工程实际。针对挡墙的稳定性问题,应用中可以根据工程实际情况,采用灌浆孔完全灌浆或部分灌浆,或者与加筋材料配合使用使之成为加筋挡墙结构,提高砌块挡墙的稳定性。

[1]黄岳文,汪荣勋.荣勋砌块及其在生态护岸上的应用[J].人民长江,2008,39(13):67-70.

[2]任建民,俞兆权.水利工程护坡生态化设计技术分析[J].中国水运,2011,11(3):152-153.

[3]王国体,李宏卓,李殿.挡墙的生态概念和构造指标研究[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2010,33(2):259-260.

[4]章晓桦,孙从炎,汪荣勋.生态柔性挡墙现场检测及其结果分析 [J].新型建筑材料,2005(11):50-52.