预制拼装箱形重力式挡土墙足尺模型试验

■卢建亮

(三明市公路养护中心将乐分中心，三明 365000)

0 前言

挡土墙是公路工程中广泛使用的一种防止路基填土或山坡土体变形失稳的构造物。近年来，福建山区公路边坡的稳定性正经受着频繁出现的极端天气的严峻考验，同时也对快速修复受损边坡、 缩短开放交通时间提出了更高的要求。

模块化设计与预制拼装技术是目前实现快速施工的基本途径。作为修复受损边坡的重要手段，新型的预制拼装挡土墙结构不仅需要具有施工效率高、 可实现短时修复的功能，同时又应具备良好的工作性能，以满足正常使用的要求。目前，国内外已发展出多种形式的预制拼装挡土墙，例如格宾网箱挡土墙[1]、预制块材Golcon 体系[2]、MSE 挡土墙[3]及SRW 挡土墙体系[4]等。 上述各类预制拼装挡土墙虽实现了挡土墙的预制拼装，但在模具精度、施工配套措施等方面有着不同程度的要求。 作者团队提出了一种新型的预制拼装箱形重力式挡土墙[5]，其构造简单，施工便捷，适用于福建山区公路边坡水毁挡土墙的快速抢修等场合。

为明确新型预制拼装箱形重力式挡土墙在不同荷载工况下的强度和稳定性， 本文设计制作了1∶1 的足尺模型， 开展模拟福建山区公路边坡重力式挡土墙典型受力工况的静载试验， 对新型预制拼装挡土墙的整体工作性能以及联接构造的局部性能等进行试验检验， 从而为其推广应用提供科学依据。

1 试验概况

1.1 新型预制拼装箱形重力式挡土墙简介

新型预制拼装箱形重力式挡土墙由“田”字形空心箱形预制标准件、 底部箱形预制件和预制底板三部分组成[5]，如图1 所示；各预制件均采用素混凝土制作，为防止预制件开裂，按相关规范[6]配有构造钢筋；各预制件均采用榫接方式联结。

图1 新型挡土墙各预制件示意图

1.2 模型设计及制作

根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[7]的相关规定，重力式挡土墙墙高不宜超过12m，且干砌挡土墙的高度不宜超过6m。 基于安全性考虑，本文将应用于公路边坡的新型预制拼装箱形重力式挡土墙的墙高范围限制在8m 以内，并在进行试验模型设计时，以8m 高的福建山区公路上边坡重力式挡土墙为对象； 根据前期对新型预制拼装箱形重力式挡土墙的设计计算成果， 初步拟定了各预制件的基本尺寸[5]。

为对新型预制拼装重力式挡土墙的整体工作性能以及联接构造的局部性能等进行可靠检验， 本文采用1:1的足尺模型。参考文献[5]，本文设计了用于试验的新型预制拼装挡土墙的各预制件尺寸：

(1) 预制标准件尺寸为长2.0m×宽2.2m×高2.0m，如图2(a)所示；

(2) 底部箱形预制件与底板相接部分的尺寸为长2.0m×宽2.6m×高2.0m；其余部分的尺寸与预制标准件的尺寸相同，如图2(b)所示；

(3)预制底板尺寸为长2.0m×宽3.0m×高0.3m，如图2(c)所示。

图2 各预制件尺寸

各预制件均采用素混凝土浇筑， 设计混凝土强度等级为C30，重度为25kN/m3；为保证各预制件之间的可靠联接，在各预制件上均设计了凹凸榫头构造(见图2)。 按图2 加工制作了各预制件， 经标准养护后最终在福州大学土木工程多灾害防治重点实验室内完成了各预制件的拼装，如图3 所示；拼装后的足尺模型总高度为4m，用于模拟8m 高重力式挡土墙受力最不利的下半部分。

本文采用容重约为1600～1800kg/m3的杂填土填筑模型的空心部分，并充分压实，从而形成重力式挡土墙结构的足尺模型。

图3 拼装后的足尺试验模型

1.3 试验加载装置与加载工况

本试验主要模拟对象为福建山区上边坡8m 高重力式挡土墙， 同时也考察新型预制拼装重力式挡土墙对于下边坡的适用性。 为模拟8m 高的重力式挡土墙的实际受力行为，采用了图4(a)所示的加载装置：其中，竖向千斤顶F1 及重量为110kN 的混凝土配重块用于模拟足尺模型顶面所受到的结构自重(对应8m 高重力式挡土墙在4m 高度横截面所受的实际结构自重)；为模拟8m 高重力式挡土墙实际受到的墙背土压力， 设计制作了试验专用钢箱，并在钢箱内装填干燥的沙粒，同时，通过水平向千斤顶F2 和竖向千斤顶F3 来模拟8m 高重力式挡土墙实际受到的墙背土压力(见图4(b))。

根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[7]的相关规定，计算确定了本文试验的加载工况：竖向千斤顶F1施加的静力荷载为520kN，并在试验全程中保持不变，以模拟足尺模型顶面所受到的结构自重； 墙背土压力采用分级加载，如表1 所列。 表1 中，上边坡工况7 对应设计荷载，工况8 取为设计荷载的1.1 倍；下边坡工况8 对应设计荷载，工况10 为试验极限荷载。

图4 试验加载装置

本试验采用砂土料模拟地基土， 并在砂土料外围用土袋堆垒形成柔性边界以模拟实际边坡情况。根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)规定[7]，重力式挡土墙的墙趾埋深不应小于1m，本试验取墙趾埋深为1.3m，如图4(a)所示；考虑到实际工程遇到较不利地基土时需采用换填砂土层对地基土进行处理以提高基底承载力， 故本试验在足尺模型下方采用了厚0.2m 的砂石料垫层。在正式试验之前，根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)[8]的相关规定， 实测了砂石料垫层的重度、 内摩擦角及粘结力，其结果如表2 所列。

表1 试验加载工况(单位：kN)

表2 试验模型地基土基本参数

1.4 测量内容与测点布置

本试验的量测内容为足尺模型在各试验加载工况下的基底土压力、 墙后土压力以及墙身不同位置的位移和应变；其中，基底及墙后土压力均采用土压力计量测，墙身位移和应变分别采用位移计和应变计量测。 试验测点布置见图5， 本试验共布置了10 个位移测点、14 个应变测点(每个应变测点均布置3 个应变片)和18 个土压力计(其中墙身上布置14 个，砂石料垫层中布置4 个)。

图5 测点布置图

2 试验现象与结果分析

本试验在福州大学土木工程多灾害防治重点实验室内实施。 正式试验之前先进行预备试验， 以检验加载装置、各传感器和仪器等的可靠性；在证实加载装置、各传感器和仪器等可靠之后，才实施正式试验。

正式试验按挡土墙的设置位置分为上边坡工况和下边坡工况，试验加载顺序如下：首先，通过竖向千斤顶F1施加520kN 的静力荷载，并在试验全程中保持不变；其次， 按表1 所列的上边坡工况分级加载直至完成工况8 加载；在上边坡工况试验成功后，卸除水平向千斤顶F2 和竖向千斤顶F3 施加的荷载， 按表1 所列的下边坡工况分级加载直至完成工况10 加载；至此，试验全部结束。

试验加载过程中， 注意观察并记录足尺模型的变形和裂缝情况， 并量测其基底和墙后土压力以及墙身不同位置的位移和应变等变化情况。

2.1 试验现象

在上边坡工况整个加载过程中，足尺模型均未开裂，也没有出现滑移或倾覆现象， 同时各预制件之间的联接界面也均未发现明显的相对错动，联接榫头完好，未出现剪切破坏。试验现象表明，新型预制拼装重力式挡土墙在上边坡设计荷载作用下整体抗滑移和抗倾覆性能良好，各预制件自身承载力和局部连接构造等也均能满足设计要求。

在下边坡工况加载过程中，当荷载增加至工况9(略超过设计荷载) 时， 发现足尺模型开始出现整体滑移趋势，且荷载无法继续增大，表明其已达到承载能力极限状态；分析认为，这是由于本试验足尺模型系按上边坡工况设计的，故其用于下边坡工况时，可靠度相对有所减小。此外，下边坡工况试验全过程中，足尺模型也均未开裂，联接榫头都保持完好无损。试验现象表明，新型预制拼装重力式挡土墙亦可适用于下边坡场合。

2.2 试验结果分析

(1)墙背土压力

图6 显示足尺模型分别在上、 下边坡使用条件下各加载工况下实测的墙背土压力分布曲线。从图6 中可见，墙背土压力P 沿墙身高度H 呈曲线分布，且随试验荷载的增大而增大， 墙背最大土压力出现在H=2m 附近；此外，当试验荷载达到设计荷载时，墙背土压力合力超过设计主动土压力的合力， 而且一些部位的土压应力也已经超过设计静止土压力。

图6 各加载工况下实测墙背土压力分布曲线

(2)墙身结构主压应力

根据各应变测点的实测数据， 计算得到了足尺模型的墙身结构分别在上、 下边坡使用条件下荷载施加至设计荷载时的主压应力，如表3 所列。 从表3 中可知，足尺模型的墙身结构整体处于受压状态， 且榫接处角点位置(测点1-6/2-4)承受较大的主压应力，是最不利的受力位置；此外，墙身结构各部位的主压应力值均远小于C30 混凝土的设计强度值， 表明墙身结构强度具有很高的安全储备。

表3 墙身结构主压应力(单位：MPa)

(3)墙身结构位移

预制拼重力式挡土墙在荷载作用下的变形是评价其整体工作性能的重要指标之一。 表4 列出了足尺模型的墙身结构分别在上、 下边坡使用条件下荷载施加至设计荷载时各位移测点的实测位移值。从表4 可知，在上边坡和下边坡应用场合，当墙背土压力达到设计值时，墙身结构各部位的位移仍均十分微小， 最大位移值约为0.01mm，表明结构具有类似刚体的特性；在下边坡应用场合，当荷载增加至工况9 时，挡土墙顶部(高程5m 处)位移计实测位移出现较大幅度的增大，达到0.023mm，表明挡土墙结构开始具有滑移趋势， 这与观察到的试验现象相符。

表4 墙身结构实测位移(单位：×10-2mm)

(4)基底压力

表5 和表6 分别给出了上边坡和下边坡应用场合各分级加载工况下基底土压力的实测结果。 由表5 和表6可知，随着墙背土压力的增加，墙踵部位的土压力逐渐减小， 而墙趾部位的土压力逐渐增大， 但直至设计荷载工况，两者也均未超过砂石料垫层的设计承载力，表明挡土墙底部地基承载力满足设计要求。需要指出的是，在下边坡应用场合，当加载工况达到工况9 时，墙踵部位的土压力开始迅速减小，而墙趾部位的土压力迅速增大，结构开始失效。

表5 上边坡应用场合基底土压力实测值(单位：kPa)

表6 下边坡应用场合基底土压力实测值(单位：kPa)

3 结论

本文通过足尺模型静载试验， 初步探讨了新型预制拼装箱形重力式挡土墙在福建山区公路上、 下边坡应用场合下的整体工作性能以及联接构造的局部性能， 得到如下的研究结论：

(1)在设计荷载作用下，墙身结构各部位的主压应力值均远小于混凝土材料的设计强度值， 具有很高的安全储备。

(2)在设计荷载作用下，墙身结构各部位的位移十分微小，可近似视为刚体。

(3)在应用于上边坡场合时，新型预制拼装重力式挡土墙在超过1.1 倍设计荷载作用下未出现整体稳定性和局部稳定性问题， 而且各预制件自身承载力和局部连接构造等均能满足设计要求。

(4)在应用于下边坡场合时，新型预制拼装重力式挡土墙仍能满足设计要求，但可靠度有所减小。