墙面结构对加筋土挡墙变形性能的影响

王宗建， 马书文， 卢 谅， 张耿川， 沈 权

(1. 重庆交通大学 河海学院，重庆 400074； 2. 重庆大学 土木工程学院，重庆400044；3. 上海永升物业管理有限公司重庆分公司，重庆 401120； 4. 中交路桥华北工程有限公司，北京 101100)

加筋土挡墙主要由填料、筋材和面板组成[1]。作为一种新型支挡结构，加筋土挡墙凭借其较好的稳定性能[2-3]，显著的经济、社会和环境效益[4-5]在桥梁、水运、边坡等行业的应用越来越广泛[6]。按照面板结构分类，常见的加筋土挡墙面板有整体式[7]、分隔式[8]和复合式[9]等3种。

目前，国内外学者分别对加筋土挡墙模型实验[10-11]、加筋复合体试件三轴试验[12]、极限平衡[13-14]和有限元分析[15]等理论计算法[16-17]进行了诸多研究。但其研究重点多集中在加筋土挡墙稳定性上[18]，针对面板结构形式对加筋土挡墙变形性能影响相关研究尚少。面板作为挡墙重要组成部分，具有约束墙后填土和美化环境作用。随着面板类型越来越丰富，关于面板对加筋土挡墙变形性能的影响，相关规范尚未作详细说明[19]。有学者认为面板对加筋土挡墙稳定性影响很小[20]；也有学者认为面板在加筋土挡墙稳定性影响上占很大比重[21-23]。

笔者通过改变面板的结构和刚度(厚度)，基于外荷载作用下对加筋土挡墙变形进行了室内实验，并探讨了面板结构对加筋土挡墙变形性能影响。

1 加筋土挡墙面板类型

按墙面板常见的组合方式，可将加筋土挡墙(图1)分为几种类型。

1)整体式面板〔图2(a)〕：该结构面板通常采用混凝土一次浇筑成形，结构抗震性能良好，面板具有整体刚度，能在一定程度上抵抗墙面局部变形。但其施工工艺复杂，施工难度较大。

2)分隔式面板〔图2(b)〕：该结构面板由若干层条状(带状)面板单元体叠加而成。由于其结构组合的不连续性，较整体式面板而言，其抵抗墙面局部变形能力稍弱，但其施工简便、易行。

3)复合式“十”字型面板〔图2(c)〕：在分隔式面板基础上，加以竖向和水平向约束(连梁)以增强面板整体性和稳定性。该结构适应变形能力较好，施工难度介于整体式与分隔式面板之间。

图1 加筋土挡墙结构Fig. 1 Structure of the reinforced earth retaining wall

图2 加筋土挡墙的几种类型Fig. 2 Several types of the reinforced earth retaining wall

2 模型实验

2.1 实验材料

为使实验模型的物理现象与实际情况相似，笔者在实验材料、几何条件、边界条件等方面按照一定比例将原型尺寸适当缩小，以使模型实验所涉及的受力、变形等主要参量最大程度与原型相似。本实验主要模拟加筋土挡墙面板在外界条件下变形的规律。

实验中不考虑挡墙排水固结，实验材料尽可能采用与原型相似介质，其中填料采用天然砂，筋材采用100 g/m2牛皮纸，加筋土挡墙墙面板采用强度统一的压密硬纸板。实验模型中关键结构的几何形状与尺寸尽量与实际情况相似，挡墙及面板高度、筋材尺寸等几何相似比相等。本次模型实验中各结构尺寸按相似比10∶1进行制作。模型实验加载介质采用可拆卸沙袋自重力模拟活载或建筑物等竖向荷载，沙袋底面尺寸与挡墙顶部填土尺寸相等，模拟如图3(a)。

由于模拟水平荷载难度较大，笔者通过给千斤顶加压来抬升挡墙后缘，用填料在垂直面板方向的重力分力Gx模拟墙后填料水平荷载，模拟如图3(b)。

实际工程中，加筋土挡墙除挡墙面板方向外均为无限体，变形可忽略，可简化为平面应变问题。在平面应变条件下，除面板所在平面，加筋土挡墙其他边界处位移为零，实验模型采用刚性侧壁来满足平面应变条件。

图3 荷载示意Fig. 3 Schematic diagram of load

2.2 实验装置

本实验在长方体木制模型槽中进行，该模型槽的尺寸为：75 cm(长)×45 cm(宽)×50 cm(高)，模型槽板厚2 cm，墙体后缘由千斤顶托起〔图3(a)〕。

模型槽各棱边接缝处加焊角钢，实验时将面板进行回折处理以防止实验装置边缘处漏砂。填料装填缓慢进行，速度控制为在每1 cm高度上装填5 kg，装填完成后实验装置如图4。

图4 试验模型Fig. 4 Test model

2.3 实验材料和物理力学特性

2.3.1 实验材料

墙后填料采用天然砂；筋材采用100 g/m2牛皮纸，挡墙墙面板采用强度统一的压密硬纸板，筋材与面板进行黏结处理。由于笔者主要研究面板变形问题，故筋材长度按照安全等级最低的构造配比(墙高的40%)进行选取，即筋材构造铺设长度为20 cm。

2.3.2 填料物性试验

击实试验、筛分试验和直接剪切试验，参照JTG E40—2007《公路土工试验规程》[24]和GBJ 123—1988《土工试验方法标准》[25]。

填料击实试验采用轻型标准击实仪进行试验，试验数据如表1。筛分法得到填料的颗粒级配曲线如图5，比重试验得到填料比重Gs=2.62。填料抗剪强度采用应变控制式直接剪切仪来测定，抗剪强度曲线如图6。由图6可知：填料粘聚力c=0 kPa，内摩擦角φ=32.4°。

表1 天然砂击实试验数据Table 1 Compaction test data of natural sand

图5 填料颗粒级配曲线Fig. 5 Particle gradation curve of filler

图6 填料抗剪强度曲线Fig. 6 Shear strength curve of filler

2.3.3 筋材拉伸试验

试验用筋材尺寸为150 mm(长)×5 mm (宽)，筋材线弹性模量Et计算如式(1)：

(1)

式中：FN为所施加的拉力；b为筋材宽度；ε为筋材应变；t为筋材厚度。

试验数据计算结果如图7。则筋材平均线弹性模量Et=1.034 kN/m。

图7 筋材应力-应变曲线Fig. 7 Stress-strain curves of steel bars

2.4 实验方案

为研究不同挡墙面板结构和不同面板厚度对加筋土挡墙变形性能影响，笔者分别对整体式、分隔式和复合式面板加筋土挡墙进行对比实验。实验方案如表2。

2.5 挡墙面板尺寸(图8)

加筋土挡墙面板尺寸为48 cm(长)×47 cm(宽)，每个面板上均匀铺设4层×4根筋材，筋材宽度2 cm、水平间距12 cm、竖向间距12 cm。

分隔式面板加筋土挡墙实验模型如图9。挡墙由面板单元体叠加而成，单元体尺寸如图10，其中阴影部分为实验时的回折部分。

复合式面板加筋土挡墙如图11。面板竖向约束材料采用48 cm×6 cm压密硬纸板，其中纸板中心以下部分贴双层压密硬纸板，以增加中心以下部分约束。连梁采用9 cm×6 cm压密硬纸板，置于挡墙面板与竖向约束之间以增加约束整体性。

表2 加筋土挡墙实验方案Table 2 Experimental scheme of the reinforced earth retaining wall

图8 加筋土挡墙面板筋材铺设示意(单位：cm)Fig. 8 Layout of the reinforced earth retaining wall panel setting

图9 分隔式面板加筋土挡墙模型Fig. 9 Model of partitioned panel reinforced earth retaining wall

图10 加筋土挡墙面板结构(单位：cm)Fig. 10 Structure of the reinforced earth retaining wall panel

图11 复合式面板加筋土挡墙模型Fig. 11 Model of composite panel reinforced earth retaining wall

2.6 实验过程

为统一实验条件，面板与筋材之间的黏结剂用量均控制在同一量级内。挡墙面板变形情况由墙面中心轴到实验装箱边缘的距离Si表示，其中i∈[1，6]。实验挡墙填充完整后，以此时面板中心轴位置与实验装箱底部边缘距离为变形基准值S1；施加荷载后，测得中心轴与边缘距离Si(i=2,3,4,5,6)与基准值S1差值即为面板变形量Δdj(j=1,2,3,4,5)。实验测点布置如图12，在每块面板中心轴线上布设13个测点，测点自下而上开始读数，相邻测点间距为4 cm。

实验过程如下：

1)由千斤顶将实验装箱升至预设高度，安放加筋土挡墙墙面板，装填填料，测量面板初始变形，即墙面与实验装箱边缘距离，计为S1(图4)；

2)在实验模型顶部施加2 kN的竖向荷载，施加方法如图3(a)，待挡墙稳定后测量挡墙面板变形S2，此时面板变形量为S1-S2，记为Δd1；

3)撤去竖向荷载，用千斤顶将墙体抬升2 cm，待稳定后测量挡墙面板变形量S1-S3，计为Δd2；

4)继续对千斤顶加压，当挡墙依次抬升4、6、12 cm，待稳定后测量挡墙面板变形量，分别计为Δd3、Δd4、Δd5；

5)持续抬升，直至挡墙破坏，实验结束。

图12 挡墙墙面测点布置(单位：cm)Fig. 12 Layout of measuring points on retaining wall surface

3 实验结果及分析

3.1 加筋土挡墙变形性能分析

笔者以挡墙面板变形量Δdj为研究对象，对6个实验数据进行整理，并绘制出加筋土挡墙变形曲线，曲线汇总如表3。

由表3可知：3种类型加筋土挡墙面板变形大致呈“上大、下小”分布。当挡墙墙面板结构一定时，对比不同面板刚度(厚度)下挡墙变形曲线可知：随着面板刚度增加，挡墙自身强度和与外界接触面摩擦力均得以增加、承载土压力变形量减少，因此加筋土挡墙适应变形能力、承受荷载能力、整体性及稳定性均逐渐增加。

表3 加筋土挡墙模型实验数据Table 3 Experiment data of the reinforced earth retaining wall model

当挡墙墙面板刚度(厚度均为0.8 mm)一定时，对比这3种加筋土挡墙变形曲线可知：整体式挡墙在水平荷载作用下变形波动较大，最大变形位于32 cm处，最大变形量为0.75 cm；分隔式挡墙变形较均匀，但局部变形量较大，大变形主要集中于面板单元体连接处，最大变形位于36 cm处，最大变形量为0.3 cm；复合式挡墙在这3种加筋土挡墙中适应变形能力最强，最大变形位于墙顶，变形量为0.18 cm。

3.2 加筋土挡墙整体稳定性分析

整体式面板加筋土挡墙墙后填土对墙面进行局部挤压，面板局部向外凸起，致使挡墙在抬升16.0 cm时发生滑动破坏，破坏情况如图13；分隔式面板加筋土挡墙整体性较整体式稍差，稳定性较整体式稍好，千斤顶升至最高时未发生破坏；复合式面板加筋土挡墙承受荷载能力最强，千斤顶升至最高时未发生破坏，在这3种挡墙中整体性和稳定性最好。

图13 整体式面板加筋土挡墙的滑动破坏Fig. 13 Sliding failure of the reinforced earth retaining wall with integral panel

对比整体式挡墙和分隔式挡墙，由于整体式挡墙面板是发生整体性变形，分隔式挡墙墙面板之间存在缝隙而发生“局部-整体”变形，因此前者整体性和适应变形性能均较后者强；但在同一荷载水平下，整体式挡墙面板变形量较后者大，施工难度也较后者大。故复合式挡墙综合了二者优点，在分隔式挡墙面板上设置了竖向约束和连梁，既保证了墙面整体变形较小，也增大了挡墙整体稳定性。

4 结 论

1)变形性能方面：在竖向或水平荷载作用下，这3种类型加筋土挡墙面板变形均呈现出挡墙面板上部变形大、下部变形小的特点。与分隔式挡墙相比，复合式和整体式挡墙的整体性及适应变形能力较好；

2)水平方向承载能力方面：在水平荷载Gx作用下，这3种面板类型加筋土挡墙中，复合式挡墙承受荷载能力最强，分隔式挡墙次之，整体式挡墙最弱；

3)整体稳定性方面：在这3种面板类型加筋土挡墙中，整体式挡墙发生整体滑动破坏，分隔式和复合式挡墙发生局部剪切破坏。挡墙面板类型在加筋土挡墙稳定性研究中占有较为重要地位，工程上可根据实际情况选择面板结构形式；

4)笔者采用概化材料对实际加筋土挡墙进行模拟，如用牛皮纸条模拟筋材、硬纸板模拟混凝土面板等。概化处理对实验结果产生的影响、更加接近工程实际的实验模型和实际工程中几种典型加筋土挡墙的变形性能均尚不明确，有待于进一步研究。