模块式加筋土挡墙试验研究现状及展望

苗宇龙 张 琬

(1.信息产业部电子综合勘察研究院，陕西 西安 710064； 2.同济大学，上海 200092)

加筋土挡墙按墙面类型可分为筋材反包式墙面、木质墙面、电焊铁丝网、格宾式、预制混凝土整体墙面、现浇混凝土整体墙面、混凝土模块式加筋土挡墙[1]。其中模块式加筋土挡墙最为经济，且外形美观，抗变形能力强，于20世纪80年代中期开始在工程中应用，发展迅速，至今已被广泛用于铁路、公路、水利、城建等领域，美国混凝土产业协会为其编写了专门的设计规范。

模块式加筋土挡墙的墙面采用干浇法预制的小尺寸混凝土块体堆叠干砌而成，各模块间通过凹凸槽、插销等连接，筋材与模块间的连接分为摩擦式连接和机械式连接两种。墙趾模块置于一混凝土或碎石制成的水平基座上，基座埋于地基土中。图1为一模块式加筋土挡墙典型剖面图。相对于其他类型的加筋土挡墙依靠筋材与填土之间摩擦力来平衡墙面板所受的水平土压力，模块式加筋土挡墙在此基础上又增加了墙趾界面间、墙面模块间、墙面模块与筋材间的界面摩擦来共同承担水平土压力，保持结构稳定，所以其作用机理也更为复杂。

国内外学者对模块式加筋土挡墙的工作机理进行了研究，并取得了一系列研究成果。本文从现场试验和室内模型试验两方面系统阐述国内外模块式加筋土挡墙的研究现状，并对今后的发展趋势进行展望。

1 现场试验研究

Yoo等[2]对一7.4 m高模块式加筋土挡墙在建成三个月后倒塌的原因进行了调查，认为挡墙不满足现有规范的设计要求、填土性质不良和雨水渗入加筋体是挡墙倒塌的三个主要原因。

杨广庆等[3]对一刚性基础上的双级模块式加筋土挡墙进行了现场原型试验研究，分析了施工期及竣工后1.5年期间各级挡墙加筋体底部竖向土压力、墙面板背部侧向土压力和筋材应变分布规律。试验结果表明：刚性基础上加筋体底部垂直土压力最大值靠近墙面位置，而柔性基础上加筋体底部垂直土压力最大值靠近拉筋尾部；施工期间加筋土挡墙墙背侧向土压力沿墙高呈曲线分布，其值远小于主动土压力，竣工后随时间延续逐步减小；施工期各测试层的筋材应变最大值均小于0.4%，竣工后筋材应变基本无明显变化。

Allen等[4，5]对采用K—刚度法设计的6.3 m和11 m高的模块式加筋土挡墙进行了现场试验，试验结果表明：相较于采用AASHTO方法[6]设计的挡墙，采用K—刚度法[7]设计的挡墙其筋材用量可节省35%～50%，且采用K—刚度法计算的各层筋材拉力值更接近实测值。

Riccio等[8]对一4.2 m高、粘土作为填土的模块式加筋土挡墙进行了现场试验，监测了筋材拉力、加筋体的水平和竖向位移、墙面模块间水平位移和受力，并与理论分析以及有限元分析结果进行了对比。研究结果表明：对于粘性填土模块式加筋土挡墙，朗肯主动土压力法和K—刚度法的筋材拉力计算值分别为负值和接近于0，而实测值远大于两者计算值，Leshchinsky[9]所提出的筋材拉力计算法因没有考虑粘性填土的情况而与实测值不符；模块界面上的竖向荷载总是大于其上模块总重量，这是由于填土的竖向应力通过与填土与模块的界面摩擦传递到模块上。

周亦涛等[10]对一由L型挡土墙与加筋土挡墙形成的多级加筋土复合式挡墙进行了试验测试。该挡墙分三级，中上级为模块式加筋土挡墙，底级为L型加筋土挡墙。实验结果表明：模块式加筋土挡墙的加筋土体底部竖向土压力沿筋长方向起初呈线性分布且大小基本相同，但随着填土厚度的增大而呈明显的非线性分布，且出现双峰值；模块式加筋土挡墙的墙背侧向土压力沿墙高、拉筋应变沿筋长方向均呈非线性分布，且实测值均较小。

2 模型试验研究

Bathurst等[11]进行了四组基于刚性地基的加筋土挡墙室内足尺试验，其中三组为模块式加筋土挡墙，一组为筋材反包加筋土挡墙。试验结果表明：筋材与墙面之间的连接力为筋材的最大拉力；墙趾承担了大部分的墙背水平土压力，但现有规范没有考虑墙趾作用而是采用传统土压力理论计算筋材拉力，导致规范方法过于保守。

Bathurst等[12]采用足尺模型试验对比了模块式加筋土挡墙和反包式加筋土挡墙的性状，以研究墙面刚度对挡墙性状的影响。实验结果表明，模型建成后和加载后柔性墙面挡墙的筋材最大拉力分别为模块式挡墙的3.5倍和2倍，AASHTO方法计算的模块式加筋土挡墙的筋材拉力为实测值的1.5倍，这说明硬质墙面作为一个结构单元可以显著减小筋材拉力，AASHTO方法没有考虑墙面作用而高估了模块式挡墙的筋材拉力。然而，Leshchinsky等[13]对此试验中固定约束的挡墙墙趾是否符合实际提出了疑问，Bathurst等[14]回应：实际工程中，模块式加筋土挡墙墙趾界面间的摩擦阻力和埋置墙趾的土体提供了墙趾的侧向约束，试验中对墙趾施加的固定约束即对应此约束。

Ehrlich等[15]进行了两组基于刚性地基的模块式加筋土挡墙室内足尺试验，对两组挡墙的填土分别采用轻型和重型手动夯实机进行压实，以分析土体压实度对挡墙性状的影响。研究结果表明：填土压实度对筋材拉力有显著影响，重型压实的挡墙墙面筋材连接力小于轻型压实挡墙，其建成后的筋材拉力却远大于轻型压实挡墙；填土压实度越大，筋材最大拉力位置越靠近墙面；压实度大小所造成的挡墙性状差别随墙顶荷载的增加而减小。

Ehrlich等[16]采用室内足尺模型试验将一模块式加筋土挡墙和一筋材反包加筋土挡墙进行对比，以研究墙面刚度和墙趾阻力对挡墙性状的影响。研究表明：墙趾无约束时，筋材拉力几乎不受墙面刚度影响，而墙趾固定约束时，筋材拉力随墙面刚度增大而减小；不论墙面刚度大小，固定约束挡墙的各层筋材最大拉力以及墙趾荷载的总和几乎保持恒定，且大于无约束挡墙；固定约束和无约束挡墙性状的差别可能由于固定约束挡墙的水平位移更小而导致。

Xiao等[17]进行了一系列模块式加筋土桥台的室内模型试验，研究墙顶条形荷载下荷载距墙面位置、荷载宽度、筋材长度、筋材与墙面连接模式对挡墙承载能力的影响。研究结果表明：对于筋材与墙面机械连接和摩擦连接的挡墙，其承载能力分别在墙顶条形荷载距墙面0.3倍和0.4倍墙高处最大；滑动面都是从条形荷载的边缘开始发展并穿过墙面；条形荷载下模块式加筋土挡墙的滑动面与基于极限平衡理论的Spencer锲形体法结果吻合。

3 结论与展望

本文对模块式加筋土挡墙试验研究现状作了较为详细的综述，发现研究对象多集中在墙面、筋材和填土对挡墙性状的影响，对墙趾作用的研究较为有限。然而，墙趾对挡墙稳定性影响显著，是模块式加筋土挡墙设计中一个不可忽视的因素。现有墙趾作用研究都是基于刚性地基上的加筋土挡墙，墙趾的水平约束由一个线弹性约束充当，这与实际情况显然不符，且这种理想化的约束条件会放大墙趾对墙背水平土压力的贡献，故需要对实际模块式加筋土挡墙墙趾约束机理进行研究，并提出合理的挡墙内部稳定性设计计算方法。