加筋土挡墙优化设计砂箱模型试验研究

王涝谦

（山西路桥第一工程有限责任公司，山西 太原 030006）

0 引言

现代加筋土技术起源于20世纪60年代，法国工程师Henri Vidal根据三轴试验结果提出了现代加筋土概念和设计理论，应用此理论，1965年法国在比利牛斯山的普拉聂尔斯修建了世界上第一座加筋土挡墙。此后，加筋土技术在世界范围传播和发展，加筋土支挡结构的应用领域和应用方式不断变化，加筋土也被誉为“继钢筋混凝土之后又一造福人类的复合材料”[1]。

加筋土挡墙的拉筋布置方式对加筋土挡墙的稳定性起主要影响作用，拉筋的布置方式包括拉筋水平间距、竖向间距、筋带宽度、拉筋长度及布筋方向等，过大的拉筋布置间距或拉筋过短均可导致加筋土挡墙结构的过大变形或整体失稳，反之则浪费材料，且影响施工进度。因此，合理的布筋方式是优化加筋土挡墙设计的关键问题之一。在加筋土挡墙合理布筋方式的试验研究方面，国内外学者做了大量的工作。

张孟喜[2]根据有限元分析和试验结果对比，研究了加筋土挡墙的合理布筋方向，指出对以自重为主的加筋土挡墙，其最佳布筋方向为下倾角10°左右，当超载比例较大时，水平方向布筋效果较好。杨锡武[3]基于离心模型试验研究了加筋边坡的合理布筋方式，指出在边坡中下部H/3～H/2高度范围内加密布筋较为合理。孙丽梅[4]等采用三轴固结排水剪切试验，研究了加筋土不同布筋方式下的应力应变关系，结果表明：在三轴固结排水条件下，加筋土强度随加筋层数增加而增加，但并非呈线性关系，且双向加筋的强度增加更为显著；加筋材料适合布置在大应变区域；在较低围压下加筋效果系数较大，加筋效果显著。张玉广[5]基于砂箱模型试验的研究指出，在维持自稳情况下采用“上疏下密”、“上长下短”和“窄筋长布”的布筋方式较为合理。Fuente[6]介绍了加筋土挡墙的预制混凝土面板的3项创新，这些创新包括面板的锚固系统，拉拔试验的装配和使用纤维作为加筋材料，并经过试验性研究证明它们的可行性和优势。M.El-Emam[7]使用缩尺模型振动台试验研究加筋刚度、长度和竖直间距对模拟加筋土挡墙的地震响应的影响，并总结了研究结果。

本文开展一系列砂箱模型试验，对试验方案进行设计，包括试验材料、试验步骤、比选标准和试验优化。以较少的用筋量和较大的承载能力为条件，研究基于砂箱模型的加筋土挡墙在超载情形下的合理布筋方式，对比分析不同加载工况下的承载能力和变形特性。

1 试验方案设计

1.1 试验材料

a）砂箱 尺寸 75 cm×50 cm×50 cm（长×宽×高），由1个底板和3个固定立面板构成，第四个立面板是可移动板，用于挡墙构筑时提供临时的支撑力（见图1）。砂箱材料为15 mm厚度胶合木质板。砂箱内部尺寸为模型箱尺寸减去胶合板厚度，误差不得超过5 mm，内表面须平整。可移动板可以通过螺钉或螺丝与砂箱暂时固定。两侧平行直立面板由1根φ6光圆钢筋连接，以在可移动面板移走时固定两侧立面板。钢筋轴心在箱顶之下1.5 cm处，距砂箱前表面2 cm。

图1 加筋土挡墙砂箱模型示意图

b）填料 干燥的洁净中粗砂，使用时不得添加水和其他任何材料，填砂容重为γ=15.81 kN/m3，抗剪强度指标为c=0 kPa，φ=34.8°。

c）挡墙面板 标准等级纸板，厚度1.2 mm，尺寸为50 cm×50 cm。试验中须对挡墙面板进行折叠，两侧向后折叠1.5 cm，底部向后折叠2.0 cm。折叠后的实际尺寸为宽47 cm、高48 cm。

d）筋材 无纹100 g信封用牛皮纸。

e）面板与加筋材料的连接材料 包装用透明胶带，标准等级，宽48 mm。胶带仅作为连接面板用，不可用作加筋材料，且不得与模型箱侧壁接触。

f）建造挡墙用的铲子、装砂桶、矩形加载箱40 cm×20 cm×30 cm。

g）双向塑料土工格栅 尺寸45 cm×45 cm，置于挡墙顶面与加载箱之间，用于施加水平荷载。

h）辅助工具 铅笔、测量与画线用的尺子、剪裁工具与裁纸垫板等。

1.2 试验步骤

1.2.1 装配阶段

a）裁剪拉筋和挡墙面板，根据试验方案，用胶带将拉筋和挡墙面板连接起来。

b）将可拆卸挡板固定在模型箱侧面，并将挡墙纸板放置在可拆卸板的内侧。

c）填砂时分层进行填筑，保证每层填筑之前对砂土进行手动压实，同时整平，将拉筋拉直，铺上填砂，重复此过程，直至砂土离箱顶不大于1 cm，填筑工作完成。

d）撤去可移动挡板，挡墙纸板和筋条承受土压力，装配工作完成。

1.2.2 加载阶段

待自重情形下的加筋土挡墙稳定1 min后，在墙顶放置一块双向塑料土工格栅，格栅伸出墙面10 cm，用砂土填满格栅网孔，再在其上放置矩形加载箱，箱底边缘距离墙面7 cm。向加载箱中倒入砂土作为附加竖向荷载。最大附加竖向荷载为50 kg。

若施加附加竖向荷载1 min后挡墙保持稳定，则用数显测力计水平拉墙面一侧土工格栅，以施加水平荷载。

挡墙破坏或失效的判定：挡墙发生明显的整体或局部垮塌，则视为挡墙破坏；挡墙在没有发生明显破坏情况下，面板上任何一点碰到试验箱的前表面，即视为变形失效；挡墙在施加附加荷载过程中，如果加载箱因挡墙变形而倾斜，且与模型箱连杆接触，也被判为变形失效。

2 试验结果分析

2.1 筋条宽度试验

采用如图2所示的布筋间距和筋条长度，取宽度为0.5 cm、0.4 cm和0.3 cm的筋条进行试验，计算M值，通过M值来判断方案的优劣。M=50-0.1x+y+2z，其中x是所需牛皮纸的面积，cm2；y是墙顶附加竖向荷载，kg；z是墙顶附加水平荷载，kg。试验结果如表1所示。

图2 筋条宽度试验布筋方式（单位：cm）

表1 筋条宽度试验结果

试验中竖向荷载最大限制为50 kg，表中的竖向承载能力和水平承载能力是砂箱模型接近破坏时的承载能力。

以上结果表明，在相同布置间距和同等筋条长度下，自重情形下均能保持稳定，0.3 cm方案所用筋材面积最小，较0.4 cm方案节省25%，较0.5 cm方案节省40%。在超载情形下，综合考虑筋条使用面积、竖向承载能力和水平承载能力计算出的M值表明，尽管0.5 cm方案用筋量最多，但是相比0.3 cm方案，其竖向承载能力和水平承载能力明显提高；相比0.4 cm方案，筋材用量增加25%，而水平承载能力增加133%，M值增加19.9%。

2.2 筋条“上长中短”与“上短中长”对比试验

“鼓肚”现象是柔性加筋土挡墙容易发生的问题，一般是由于靠近墙面处碾压、自重压实或者筋土蠕变等因素造成的。陈建峰[8]提到鼓肚现象，其研究的挡墙高7.6 m，在墙高3.7 m处测点水平位移较大，这表明鼓肚现象一般出现在加筋土挡墙中部。

本试验为砂箱模型试验，由于挡墙面板和筋条均为柔性材料，故极易发生“鼓肚”现象。“鼓肚”现象造成加筋土挡墙中部位移过大，继而使筋条产生过大的水平位移，筋条容易拔出或断裂，导致加筋土挡墙承载力下降。故设计2组对比试验：筋条“上长中短”与“上短中长”对比试验，2组试验在相同的其他条件下（布筋间距为“7层 6根”，筋条宽度为0.4 cm，底部3层筋条长度为20 cm），“上长中短”方案采用上面2层筋条长度为40 cm，中部2层筋条长度为30 cm；“上短中长”方案采用上面2层筋条长度为30 cm，中部2层筋条长度为40 cm，具体试验结果见表2。

表2 “上长中短”与“上短中长”对比试验

其他条件不变及使用相同的用筋量的情况下，相比“上长中短”方案，采用“上短中长”的布置方案使得加筋土挡墙的水平承载能力提高了55.6%，相应的M值也明显提高。

这一组对比试验说明了采用“上短中长”方案减少了柔性加筋土挡墙墙面中部的水平位移，减少了“鼓肚”现象对加筋土挡墙的影响，大大提高了加筋土挡墙的承载能力，可见同等筋条面积、筋条宽度及筋条布置间距情况下，“上短中长”布置方式的加筋土挡墙稳定性高于“上长中短“布置方式的稳定性。

2.3 水平U形布筋试验

基于以上试验结果，发现加筋土挡墙破坏时筋条的破坏形式几乎均为拔出破坏而非拉断破坏，这说明筋条的抗拉强度并未被充分利用。

从充分利用筋条抗拉强度的角度出发，想到将相邻2根筋条连接起来，形成U形回环式的布筋形式，这样筋条与砂土能够形成一个包裹区域，充分发挥筋条的抗拉强度，从而提高加筋土挡墙的承载能力。

为探讨水平U形布筋方式的可行性，设计了如图3所示的水平U形布筋试验，同时与相同布筋间距、相同布筋面积和相同布筋宽度（这里选取0.4 cm宽的筋条）的条带式布筋试验作对比，试验结果如图3所示。

图3 水平U形布筋试验布置方式（单位：cm）

水平U形布筋试验与条带式布筋试验的结果见表3。试验结果表明，水平U形布筋方案的承载能力低于条带式布筋方案，水平承载能力相比条带式降低了39.3%，相应地，M值也明显减少。

表3 水平U形布筋试验与条带式布筋对比试验

造成U形布筋方案承载能力降低的原因是多方面的。根据试验结果分析，筋条平面是竖向布置的，这导致筋条表面所受的力为侧向土压力，筋条与砂土之间的摩擦力较小；面板产生的位移在上部和下部是不均匀的，这就导致筋条端部上下受力不均衡，当筋条受力稍大时，筋条极易撕裂，使得其承受的拉力远小于其容许拉力。试验中在加载过程中可以清晰地听到筋带一根根断裂的声音，这说明U形布筋方式确实可以达到筋条发生拉断破坏而非拔出破坏。

2.4 竖向U形布筋试验

为了改进水平U形布筋方式，很容易想到进行竖向U形布筋方式。竖向布筋方式有效地避免了水平U形布筋方式的缺点，与条带式布筋方式及水平U形布筋方式对比结果见表4。

表4 竖向U形、条带式及水平U形布筋方式对比试验

由表4可知，竖向U形布筋方式的水平承载能力，相比水平U形布筋方式水平承载能力提高了11.8%，相比条带式布筋方式降低了32.1%。这说明基于本砂箱模型的加筋土挡墙条带式布筋方式优于水平U形及竖向U形布筋方式。

试验中，水平U形布筋和竖向U形布筋方式在加载过程中都发生了相同的现象：随着加载量的增加，加筋土挡墙内部出现筋条断裂的声音，即一部分筋条提前断裂，这正是U形布筋方式承载能力下降的原因。尽管U形的布筋方式改变了筋条的破坏形式，筋条由拔出破坏（黏结破坏）变为拉断破坏，筋条充分发挥了其抗拉能力，但是U形布筋方式使得筋条与筋条内的填砂形成一个抗滑区域，限制了筋条的位移，使得在面板产生不均匀位移时，一些筋条提前被拉坏，所有筋条无法形成一个整体，协同工作。而条带式布筋则不同，在挡墙面板产生不均匀位移时，允许筋条产生较小的位移，使得筋条能够共同承担砂土和附加荷载产生的侧向压力。

3 结论

本文主要介绍了加筋土挡墙砂箱模型试验的开展过程，并从承载能力和材料用量两个方面对比分析了不同布筋方案的效果和破坏模式，主要得到以下结论：

a）砂箱模型试验的筋条宽度试验结果表明，在其他条件不变的情形下，筋条宽度采用0.5 cm时的效果更好。

b）砂箱模型试验的筋条长度试验结果表明，在其他条件不变的情形下，“上短中长”布筋方式优于“上长下短”布筋方式。

c）砂箱模型试验的U形布筋试验结果表明，水平U形和竖向U形布筋方式虽然充分发挥了筋条的抗拉强度（筋条破坏模式由拔出破坏变为断裂破坏），但是由于挡墙纸板发生不均匀位移，筋条之间失去了整体协调工作的能力，使得最终承载能力低于条带式布筋。