静载作用下加筋土挡墙工作性能试验研究

杨国涛(中国铁路总公司科技管理部，北京　100844)



静载作用下加筋土挡墙工作性能试验研究

杨国涛
(中国铁路总公司科技管理部，北京100844)

摘要:通过开展离心机模型试验，从挡墙变形、格栅应变及挡墙土压力3方面对填筑完成后和设置面板后2种情况下加筋土挡墙的工作性能进行了研究。结果表明:在填筑完成后，底部格栅应变接近于0，第2和第3层格栅应变最大，整体格栅应变峰值均靠近面板，未出现双峰现象，挡墙顶层的最大沉降发生在碎石袋背面，加筋带末端同样发生了沉降突变，墙体的形态呈外凸状，最大水平位移出现在墙体中下部;在设置面板后，格栅的应变未出现普遍显著增大现象，而墙体的变形模式则发生了改变，呈绕底部旋转形式，最大位移出现在墙顶;土工效应对挡墙墙背土压力具有显著影响，可能会造成试验结果远小于依规范计算结果，因此，在进行加筋土挡墙设计时，须充分考虑土工效应的影响，以保证结构安全。

关键词:加筋土挡墙离心机试验变形特征应变

加筋土技术在公路、水利、工民建等多个领域得到广泛应用［1-3］，国内外的专家学者针对此技术也开展了大量的研究，主要集中在筋带-土体的相互作用、结构物稳定性的设计理论和方法等方面［4-7］，所采用的方法大多数是数值分析和理论推导，少量是模型试验。但是，模型试验是开展结构工作性能研究的一项重要手段，能够克服理论推导和数值模拟所需的大量假设［8-9］。本文通过离心机试验开展加筋土挡墙工作性能和工作机理的研究。

1　离心机试验概况

本次试验的模型相似比为50，面板采用分装式，地基采用干砂，其相对密度达到90%。

1.1填料的确定

考虑到模型箱的尺寸效应，须满足

式中:Bmin为模型箱最小尺寸;dmax为模型土料的最大粒径;d50为模型土料的中值粒径。

模型填料的最大粒径为3 mm。通过击实试验确定干砂的最大干重度和最小干密度;通过粒径筛分试验确定级配曲线以及不均匀系数、不均匀指数。填料粒径级配曲线见图1。

图1　填料级配曲线

1.2格栅的确定

正确模拟模型试验中的土工格栅需要处理好2方面问题:①土工格栅的几何特征;②土工格栅的力学性质，即土工格栅与周围土体的接触特性以及土工格栅自身的应力、应变性质。土工格栅的力学性质是影响土工格栅承载能力的主要因素。本次模型试验时采用编织磷青铜带作为模型土工格栅，见图2。磷青铜带宽4 mm，厚0.12 mm，纵向间隔30 mm，横向间隔80 mm，极限抗拉强度为600 MPa，根据模型相似比，模拟的原型强度相当于475.2 kN/m(对应原型)。为了增加截面的摩擦力，试验中在铜带表面涂抹少量胶水，并撒少量细沙。

图2　磷青铜网

1.3面板及连接件的确定

预制块拼装式面板采用铝板预制块，铝板预制块与墙背填料之间采用砂浆浇筑。格栅以及面板分别根据抗拉强度相似、抗弯刚度相似的原则采用铜带、木板进行模拟。

1.4监测点的布置

模型试验测试内容主要包括挡墙水平土压力，基底以及各层竖向土压力，格栅以及连接件内力分布，墙顶以及面板竖向、侧向位移。采用的测试仪器分别为土压力盒、应变片、位移计和百分表。模型测试断面见图3。

图3　模型测试断面(单位:cm)

2　离心机试验结果

2.1墙体位移

在离心加速度场(离心加速度50g)作用下，加筋土挡墙在填筑完成以及设置面板后顶面的挡墙变形如图4所示。可知，顶层的最大位移发生在碎石袋背面，筋材末端同样出现了沉降突变。前人的研究成果表明:“对于填土表面、路基面来讲，墙体填筑完成时沿填土表面沉降曲线出现两个极值点，分别位于包裹碎石袋以及加筋末端。”本文得出的最大沉降位置与这一结论不同。主要原因是为便于试验进行，碎石袋采用铝合金管代替，因此沉降最大位置由碎石袋转移到其背面。在填筑过程中墙体的形态呈外凸状，其中最大水平位移发生在墙体中下部。设置面板后，由于试验中铝板厚度相对模型较大，因此变形呈绕底部旋转的形式，最大水平位移发生在墙顶。

图4　挡墙变形

2.2格栅应变分布

在离心加速度场作用下，加筋土挡墙在填筑完成以及设置面板后格栅的应变分布见图5。

图5　格栅应变分布

由图5可知，在填筑完成后，底部格栅拉力几乎为0，各层格栅最大应变发生位置不同，第2、第3层格栅应力最大，整体格栅拉力峰值均靠近面板，未出现双峰现象。与未加面板相比，设置面板后格栅的应变未出现普遍显著增大现象。原因是尽管上部存在附加荷载，但刚性面板以及连接件对变形产生约束作用，将本应作用在格栅上的力转移到自身上。

2.3土压力分布

在离心加速度场作用下，加筋土挡墙在填筑完成以及设置面板后墙背水平土压力分布见图6。

图6　墙背水平土压力分布

由图6可知，水平土压力远小于朗肯等的理论解。其主要原因是墙体与潜在滑体之间产生土拱效应，使作用力发生转移。相较于填筑完成时，附加荷载作用下上部水平土压力出现较大增长，而下部几乎不变，这主要由附加荷载传递所致。

3　结语

通过开展离心机模型试验，对加筋土挡墙在填筑完成和设置面板后2种情况，从挡墙变形、格栅应变和挡墙的土压力3个方面开展研究。主要结论如下:

1)顶层的最大沉降发生在碎石袋背面，加筋带末端发生了沉降突变。在填筑过程中墙体的形态呈外凸状，最大水平位移发生在墙体中下部;设置面板后，变形模式发生改变，呈绕底部旋转的形式，最大水平位移发生在墙顶。

2)在填筑完成时，底部格栅拉力几乎为0，第2、第3层格栅应力最大，整体格栅拉力峰值均靠近面板，未出现双峰现象。与未设置面板相比，设置面板后格栅的应变未出现普遍显著增大现象。

3)土工效应对挡墙墙背土压力有显著影响，可能会造成试验结果小于依规范计算结果。因此，在进行加筋土挡墙设计时，需要充分考虑土工效应的影响，以保证结构安全。

参考文献

［1］YANG Changwei，FENG Ning，ZHANG Jianjing，et al.Research on Time-frequency Analysis Method of Seismic Stability of Covering-layer Type Slope Subjected to Complex Wave［J］.Environmental Earth Sciences，2015，14(6):1-14.

［2］BURKE C B.Full-scale Shaking Table Tests and Finite Element Analysis of Reinforced Soil Retaining Walls［D］.New York，USA:Columbia University，2004.

［3］SCHMERTMANN G R，CHEW S H，MITCHELL J K.Finite Element Modeling of Reinforced Soil Wall Behavior，Dissertation ［D］.California，USA:University of California Berkeley，1989.

［4］YANG Changwei，ZHANG Jianjing，LIU Feicheng，et al.Analysis on Two Typical Landslide Hazards Phenomenon in Wenchuan Earthquake by Field Investigations and Shaking Table Tests［J］.International Journal of Environmental Research and Public Health，2015，12(1):1-17.

［5］陈禄生，吴西良，邱祖华.地震荷载下加筋土挡墙的模型试验研究［C］//中国土木工程学会土力学及岩土工程分会.第四届全国加筋土工程学术研讨会论文集.青岛:中国土木工程学会土力学及岩土工程分会，1994.

［6］金迎春.地震作用下加筋土挡墙内部稳定性计算［J］.公路，1991(5):43-47.

［7］蒋建清，皱银生.复杂动力作用下加筋土挡墙内部稳定性计算［J］.中南公路工程，2007，32(1):51-54.

［8］YANG Changwei，LIU Xinmin，ZHANG Jianjing，et al.Analysis on Mechanism of Landslides under ground Shaking:A Typical Landslide in the Wenchuan Earthquake［J］.Environmental Earth Science，2014，72(9):3 457-3 466.

［9］杨长卫，张建经，陈强，等.加筋重力式挡土墙抗震设计方法研究［J］.土木工程学报，2015，48(8):1-9.

(责任审编李付军)

Experimental Study on Working Performance of Reinforced Earth Retaining Wall under Equivalent Static Load

YANG Guotao

(Department of Science and Technology，China Railway Corporation，Beijing 1008443，China)

Abstract:T he working performance of reinforced earth retaining wall was studied from three respects including retaining wall deformation，geogrid strain and earth pressure of retaining wall when filling was finished and panel was applied.Results showed that after the filling was finished，the strain of bottom geogrids was close to 0，the maximum strain of geogrid appeared on the second and third layer，the peak value of whole geogrids strain was closed to panel and there was no double peak phenomenon，the maximum settlement of retaining wall top layer appeared at the reverse side of gravel bag，the same as the end of geogrid.T he shape of deformation was entasis，and the maximum displacement appeared at the middle-lower part of wall.W hen the panel was applied，there was no obviously growth about the geogrids strain，the deformation model was changed and the maximum displacement appeared at the top of retaining wall.Soil arching effect had an obviously effect on the earth pressure of retaining wall，which leaded that test results were much less than calculated results according to relative codes.T herefore，the soil arching effect should be considered fully in order to ensure the security of retaining wall during the design of reinforced earth retaining wall.

Key words:Reinforced earth retaining wall;Centrifuge test;Deformation characteristic;Strain

作者简介:杨国涛(1977—)，男，高级工程师，博士研究生。

收稿日期:2015-12-11;修回日期:2016-01-23

文章编号:1003-1995(2016)03-0097-03

中图分类号:U417.1

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.24