组合式面板加筋土挡墙模型试验研究

蒋关鲁，徐 鹏，王智猛

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

轻型支挡结构加筋土挡墙主要由面板、筋材和填土组成。与重力式支挡结构相比，由于加筋土挡墙具有结构轻便、施工简单等优点，因而广泛应用于铁路、公路支挡工程[1-2]。近年来，为了研究加筋土挡墙的力学性能，国内外对其开展了大量的模型试验及数值分析[3-4]。

面板对加筋土挡墙承载能力及结构稳定性影响显著。根据面板形式，加筋土挡墙可分为包裹式加筋土挡墙、分块式面板加筋土挡墙及整体式面板加筋土挡墙。包裹式与分块式面板加筋土挡墙虽然面板结构美观、柔性大、协调变形能力强，但是受限于荷载下结构位移容许限值的要求及面板自身强度不足的缺陷，往往只能应用于普通的民用工程[5]；对于结构变形要求控制严格的高速铁路仍然采用整体式面板，如日本Hokkaido高铁线中大量使用的FHR(Full Height Rigid)加筋土挡墙[6]。尽管FHR加筋土挡墙优越的抗震性能在大量地震实践中被验证，但当墙体较高时，面板现场浇筑支模繁杂及成本高往往给其应用带来制约。

为在保证面板刚度前提下便于工程施工，本文在分析FHR加筋土挡墙的优缺点基础上，开发了一种面板由预制块和现浇混凝土构成的新型组合式面板加筋土挡墙(如图1所示),并通过现场填筑试验和振动台模型试验对其施工技术、施工工艺及整体性能特别是抗震性能进行分析和验证。

图1 组合式面板加筋土挡墙示意

1 现场填筑试验

为了验证组合式面板加筋土挡墙施工性能和施工成本，在新建成都—昆明客货共线铁路进行了长30 m(组合式面板、整体式现浇面板、分块式面板各10 m)的填筑试验。组合式面板加筋土挡墙的施工工序如下：

①地基及基础施工。为了避免因地基强度不足而导致加筋土挡墙位移过大，对试验场地采用振动压路机压实并测试地基承载力。现场浇筑厚度10 cm的条形基础用于进一步提高地基承载力。

②格栅铺设。将格栅平铺在填料上并在前端用U型钉将其固定。为了保证格栅在施工过程中充分张拉从而降低后期墙体的变形，在格栅末端采用张拉器，对其张拉。当张拉力达到设计要求时，沿着格栅纵向钉埋U型钉。由于单幅格栅宽度仅为1.0 m,因此对横向相邻2幅格栅也采用U型钉固定。

③填料压实。采用重型振动压路机按照每层30 cm 对填料按照静压-轻振-重振-静压的顺序进行压实，对于格栅前端离壁面1.5 m范围内的填土采用小型机械碾压。每层碾压完成后进行地基系数K30试验，保证K30值不小于130 MPa/m。

④重复步骤②,③直至返包填筑完成。

⑤返包侧挂铺钢筋网。在施工完成的返包加筋体外侧挂铺钢筋网并绑扎，将挂铺的钢筋网与预埋连接件钢筋同时进行焊接。

⑥组合式面板施工。组合式面板由预制块和现浇混凝土组成，厚度0.3 m，其中预制块面板高1.20 m，长2.00 m，宽0.15 m，现浇混凝土的厚度为0.15 m。在条形基础上标出预制块面板的位置并用水泥浆找平基础表面。采用吊车将预制好的预制块面板调装至设计位置进行预制面板的组装及预制面板钢筋与连接件的焊接。每安装2层预制块便在预制块与返包加筋体之间的预留空隙内浇筑混凝土。由于预制块位于浇筑混凝土的外侧，因此预制块面板可直接作为混凝土浇筑时的模具从而避免了支模。混凝土浇筑过程中为了保证浇筑质量，边浇筑边振捣，重复步骤⑤直至面板施工完成。

组合式面板加筋土挡墙现场施工的同时，也进行了整体现浇式面板及分块式面板加筋土挡墙的施工。综合对比显示，组合式面板加筋土挡墙的施工效率最高,具体表现为：同长度、高度的墙体施工时间长短依次为组合式<整体式<分块式；施工造价费用高低依次为组合式<整体式<分块式。

2 振动台模型试验

在通过现场填筑试验对组合式面板加筋土挡墙施工验证的基础上，通过振动台模型试验进行组合式面板加筋土挡墙抗震性能试验。

单向电液伺服驱动式振动台参数：振动台模型箱为刚性模型箱(长3.5 m，宽1.5 m，高2.1 m)，最大加载加速度1.2g，最大有效载重25 t,加载波形频率为0.4～15 Hz。

原型加筋土挡墙高7.5 m，筋材为高密度聚氯乙烯单向土工格栅，长度7.5 m，竖向间距0.3 m，面板厚度0.3 m，其中预制块尺寸为高1.20 m长2.00 m宽0.15 m，填料为卵石土，重度22 kN/m3。

考虑到模型箱尺寸，模型加筋土挡墙高1.5 m(几何相似比1∶5)。

模型试验填料为碎石与砂质量比5∶1的混合物，重度19.03 kN/m3，摩擦角50.2°，曲率系数3.2，不均匀系数10.6，最佳含水率4.1%。

试验中土工袋采用防护网裁剪编织而成。

组合式面板总宽度为0.1 m，由预制块(长0.30 m(0.40 m)，宽0.05 m，高0.20 m)和现浇混凝土构成。为了增大预制块与现浇混凝土之间的连接强度，在预制块中预先埋置如图1所示的门形连接钢筋。

在模型试验中，格栅多采用焊接编织的铜带模拟[7]。本文模型试验按照抗拉强度相似，将单根铜带编织成铜网，铜网纵向间隔8 cm，横向间隔15 cm。

除土工格栅外，根据FHR加筋土挡墙结构组成，在填土中埋置如图1所示的连接件[6]。连接件由宽3 cm、厚3 mm等边角钢和直径6 mm、间距0.15 m的钢筋组成，其中钢筋与面板之间通过连接钢筋进行连接。

模型试验加载波形为正弦波，频率5 Hz。模型填筑按照以下步骤进行：

①地基填筑。采用小型机械对地基进行夯实，地基填筑高度30 cm；

②加筋体施工。铺设格栅、放置土工袋并预埋连接件。填筑过程中使用夯机每层10 cm对填料进行夯实，以保证填料压实度达到95%；

③面板施工。依次错位叠放预制块面板并使预埋连接件与预制块连接钢筋扣接。预制块面板施工完成后以预制块面板为模具，在预制块面板与土工袋之间浇筑混凝土并搅拌直至组合式面板施工完成。

与上述组合式面板加筋土挡墙相比，整体式面板加筋土挡墙模型除面板由整体现浇构成以外，其余部分均相同。

不同动荷载下整体式面板、组合式面板加筋土挡墙水平位移见图2。

图2 加筋土挡墙水平位移

由图2(a)可知：随着加载加速度的增大，整体式面板的位移不断增大，同时沿着墙高，面板位移自底部向顶部不断增大即面板产生转动变形。

为了分析组合式面板变形，将面板转角通过下式表示：

(1)

式中：xi(i=1,2,3,4)表示图2(b)中水平位移即H-1,H-2,H-3,H-4测试的水平位移，d1-2(3,4)表示位移计H-1 与H-2(3,4)之间的距离，分别为0.4,0.8,1.2 m。

由图2(b)可知：在不同加载加速度下，转角1,2,3基本相同，这表明在抗震烈度设防范围内，本文组合式面板刚度较大、整体性较好，并未出现面板的局部鼓胀变形而是呈现面板整体转动的变形模式。综上所述，组合式面板在便于施工的同时，其面板整体刚度基本达到整体式面板的性能。

3 结语

1)组合式面板加筋土挡墙在施工时由预制块面板替代浇筑施工的模具，从而避免了支模，显著提高施工效率。

2)组合式面板加筋土挡墙面板整体性较好，刚度较大。在高烈度地震设防区，面板未出现局部变形，其性能基本达到整体式面板的水平。

[1]叶观宝,张振,邢皓枫,等.面板对路堤式加筋土挡墙力学特性的影响[J].岩土力学,2012,33(3):881-886.

[2]梁小勇,靳静,杨广庆.高速铁路土工格栅加筋土挡墙的试验研究[J].铁道建筑,2017,57(7):108-111.

[3]ZARNANI S,El-EMAM M M,BATHURST R J.Comparison of Numerical and Analytical Solutions for Reinforced Soil Wall Shaking Table Tests[J].Geomechanics and Engineering,2011,3(4):291-321.

[4]杨国涛.静载作用下加筋土挡墙工作性能试验研究[J].铁道建筑,2016,56(3):97-99.

[5]LING H I,MOHRI Y,LESHCHINSKY D,et al.Large-scale Shaking Table Tests on Modular-block Reinforced Soil Retaining Walls[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2005,131(4):465-476.

[6]YONEZAWA T,YAMAZAKI T,TATEYAMA M,et al.Design and Construction of Geosynthetic-reinforced Soil Structures for Hokkaido High-speed Train Line[J].Transportation Geotechnics,2014,1(1):3-20.

[7]NAKAJIMA S,HONG K，MULMI S，et al.Study on Seismic Performance of Geogrid Reinforced Soil Retaining Walls and Deformation Characteristics of Backfill Soil[M].Berlin:Springer,2008.