對拉式擋土墻受力特性試驗研究

宋修廣，吳建清，張宏博，張思峰，于一凡

(1.山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250061;2.山東省路基安全工程技術研究中心，山東濟南 250061;3.山東建筑大學交通工程學院，山東濟南 250101)

隨著交通設施建設向山區擴展，以及交通網密度增大引起跨線、跨河路段增多，高填方路堤越來越多。為了少占耕地，最有效的辦法就是設置擋墻，從而減少占地面積、節約取土方量［1］。由于傳統的重力式、半重力式、懸臂式、扶壁式擋土墻在使用時常受到客觀條件的限制，從而促進錨桿式、加筋土、柱板式輕型支擋結構的發展［2］。

對于路基兩側均需設置擋土墻的地段，若采用常規方法設計加筋土擋土墻，則會出現以下問題:每側面板的拉筋均有一定長度的無效段;左右兩側拉筋因分別設置而相互重疊造成浪費。通過分析大量擋土墻結構形式，提出了對拉式擋土墻結構［3］。對拉式擋土墻由對稱設置在路基兩側的懸臂式鋼筋混凝土擋土墻體與貫通路基寬度的對拉錨桿連接而成。該類型擋土墻可以分級建設，極限高度大于傳統擋土墻。由于對拉式擋土墻構造特殊，土壓力的影響因素更為復雜，從而使得這種結構的土壓力分布有很大的不確定性。關于對拉式擋土墻的模型試驗較為少見，其原因是保證兩面對拉擋土墻相對平行較為困難，僅江屹東［4］對置筋式擋土墻進行了理論設計并對不同的預應力張拉工況進行了研究，提出了預緊力與頂部荷載的函數關系式。鑒于此，本文設計制作了對拉式擋土墻模型試驗裝置并進行了試驗分析，系統地研究對拉式擋土墻支護高填土路基的受力特征，其結果可為該類型擋土墻的設計和施工提供參考。

1 對拉式擋土墻模型試驗設計

1.1 試驗目的及模型構造

通過室內模型試驗研究對拉式擋土墻的變形規律、土壓力分布規律以及錨桿受力分布規律。按照幾何相似原則［5］，將擋土墻按3∶1比例相似縮小為模型。對拉式擋土墻模型長2.4 m，寬1.8 m，高2.0 m。錨桿分兩層布設，上層錨桿直徑為25 mm，位于擋土墻高度1.4 m處，下層錨桿直徑為32 mm，位于擋土墻高度1.0 m處，模型如圖1所示。

圖1 幾何模型(單位:mm)

試驗裝置能夠隨時調整模型尺寸、錨桿支護形式、加固時機等參數，適用于不同工況條件下錨拉式擋墻應力及位移測試，易于加工，安裝、拆卸方便，能夠重復利用，降低成本，提高工作效率。對拉式擋土墻模型主要由錨桿、懸臂擋墻和加載設備組成。其中，將填土荷載換算為均布荷載，通過反力架使用千斤頂加載，并通過千斤頂下的鋼板轉化為均布荷載來模擬填土過程。

1.2 模型安裝

模型安裝步驟如下:

1)地基處理和鋼板擋土墻及反力架的安裝

地基采用碎石鋪墊，攤鋪厚度為40 cm，分兩層攤鋪，攤鋪過程中用TRD-80電動沖擊夯進行夯實，每層夯實次數為5～7遍，直至攤鋪層沒有豎向的沉降變形，這樣可以保證兩面對拉擋土墻的相對平行。地基處理如圖2(a)所示。

在處理過的碎石地基上安裝鋼板擋土墻和反力架，采用大型的吊車和鏟車安裝，反力架安裝完成后如圖2(b)所示。與反力架跨向平行的為施加預應力的兩塊鋼板擋土墻，另外兩墻為剛性擋土板，擋土板之間用4條鋼筋對拉，以保證模型斷面處于平面應變狀態。

圖2 地基處理及擋墻反力架安裝

2)填土壓實

為了保證壓實度，填土每層厚度控制在30 cm左右。采用電動沖擊夯和人工夯實相結合的方法，因為砂土黏聚力幾乎為0，所以電動沖擊夯對每層填土表層夯實效果不佳。層間填土先用電動沖擊夯夯實，再用人工夯實，為了避免電動沖擊對埋設儀器的擾動。在距儀器埋設處50 cm內只用人工夯實，如圖3(a)所示。

通過最大干密度試驗測得墻間填土的最大干密度為1.716 g/cm3，墻間填土每層壓實度按最大干密度的85%以上控制。為了保證擋墻之間在填土過程中不產生位移，在擋土墻端部之間用螺栓固定，待填土結束后卸下螺栓，如圖3(b)所示。

圖3 墻間土夯實及擋土墻的固定

3)監測儀器的埋設

為了分析新型擋土墻力學機理，在不同高度處開挖埋設土壓力盒，用于監測土壓力的變化規律。同時安裝了錨索測力計用于監測錨桿的拉力變化。錨桿測力計與精軋螺紋鋼之間采用焊接連接，錨桿之間采用配套的錨桿連接器連接。為了監測擋土墻的側向位移，在擋土墻一側的豎直方向安裝百分表進行監測。土壓力盒設備編號及儀器埋設位置如圖4(a)所示。

采用振弦式土壓力盒監測土壓力。待墻間填土至土壓力盒埋設處時開挖20 cm將壓力盒埋入。土壓力盒的埋設如圖4(b)、圖4(c)所示。

采用錨桿測力計監測錨桿受力。待墻間填土填至高過錨桿測力計埋設位置30 cm，開挖埋入錨桿測力計，錨桿測力計與精軋螺紋鋼之間采用焊接連接，錨桿之間采用配套的錨桿連接器連接，如圖4(d)所示。錨桿穿過擋土墻上預留的錨孔，用螺栓錨定。

為了監測擋土墻的側向位移，在擋墻一側的豎直方向固定一根鋼筋，并在測位移的位置套入固定鐵環作為與百分表接觸的固定端。在所測位移處，借助于強性磁鐵和鐵環作為固定端，將百分表固定于擋墻一側，并使百分表的末端接觸點與固定鐵環的接觸面相垂直，以確保水平位移的監測，如圖4(e)所示。

為了使填土表面均勻受力，待墻間填土填筑完成之后，在頂部放置一塊厚 30 mm，長2 400 mm，寬1 700 mm的承壓板，承壓板上面固定兩層工字鋼，下層工字鋼間隔分布，上層工字鋼相鄰布置。最后將加載所用到的LYD型立式千斤頂置于工字鋼上面，如圖4(f)所示。

圖4 測試儀器安裝

1.3 試驗方案

模型加載采用分級加載的方式進行。頂部荷載通過千斤頂分別施加 20，40，60，80，100 及 120 kPa 的壓力。為了減少試驗過程中分級加載塑性變形的影響，在分級加載前對土體進行了加載預壓，預壓時所加荷載大約為分級加載最大值120 kPa的10%。加載流程如圖5所示。

圖5 模型試驗流程

2 對拉式擋土墻變形規律

為了研究不同填土高度處擋土墻的變形規律，對百分表測得的擋墻變形數據進行分析，如圖6所示。由圖6可知:擋土墻變形隨著頂部荷載的增加而呈外傾增大趨勢，卸載后有塑性變形。擋土墻位移沿高度方向形成位移土拱效應，隨高度呈類拋物線型分布，在上下兩排錨桿中間區域，由于對拉錨桿對擋土墻的約束作用，擋土墻變形最小。對拉式擋土墻位移量整體較小，墻體穩定性好。

圖6 擋土墻位移與高度的關系

3 對拉式擋土墻土壓力分布規律

3.1 基底土壓力增量變化規律

擋土墻基底內外側的土壓力增量分布如圖7所示。

圖7 基底土壓力增量分布

由圖7可知:基底內外側土壓力均隨著頂部荷載的增加而增大;隨著頂部荷載的增加，基底外側壓力明顯增大;而基底內側壓力雖然也隨荷載增大，但變化不明顯，趨于穩定。說明擋墻有外傾傾向，使得基底外側壓力增大。

3.2 L/2處豎向壓力的變化規律

為了監測中心位置豎向土壓力的變化，在兩面對拉擋土墻水平中心不同填土高度(0，0.4，0.8，1.2，1.4和1.6 m)埋設土壓力盒(即圖 4(a)中的 6，9，13，18，26，29)，得到的豎向土壓力沿深度變化曲線如圖8所示。

圖8 不同荷載條件下豎向土壓力沿深度變化曲線

由圖8可知，路基內部1.2 m高度位置處的豎向土壓力明顯偏大，底部位置處的豎向土壓力明顯偏小。這是由于錨桿的存在，相當于在路基內部施加了一根橫系梁，而該橫系梁的剛度明顯大于周圍土體，且由于直徑較大，則在豎向土壓力作用下，該梁具有較強的承載作用及空間遮蔽效應，從而引起橫系梁上部應力集中，下部應力明顯偏低。因此，在進行錨桿設計特別是注漿防腐設計時，必須要充分考慮其抗剪性能，防止注漿體的開裂失效。

3.3 擋土墻側向土壓力增量變化規律

側向土壓力分布是擋土墻設計施工時的重要理論依據［6］。側向土壓力增量沿擋土墻高度的變化曲線如圖9所示。

圖9 側向土壓力增量沿擋墻高度變化曲線

由圖9可知，側向土壓力增量隨著頂部荷載的增加而增大，隨擋土墻高度呈類拋物線型分布，在上層錨桿以上的位置隨著深度的增加而增大，最大位置出現在上下兩層錨桿之間，即擋土墻高度1 m附近，土壓力增量最高達115 kPa。這說明設置對拉錨桿后擋土墻的承載能力增加，錨桿起到了有效的支護作用。由于上下錨桿約束了擋墻的側向變形，使上下兩錨桿之間土壓力較其他位置大。錨桿下方的側向土壓力增量隨著深度的增加而減少。這可由擋土墻側向位移發展規律予以解釋，研究表明，如果擋土墻的上端和下端都向外移動，當位移的大小未達到足以使填土發生主動破壞時，壓力是曲線分布的，總土壓力作用點位于墻高1/2附近;當位移超過某一值后，填土中將發生主動破壞，壓力呈直線分布，總壓力作用點降至墻高的1/3處。

4 對拉式擋土墻錨桿受力分布規律

錨桿受力變化如圖10所示。由圖可知:填土完成后，上層錨桿所受拉力高于下層，這符合錨桿橫系梁的空間遮蔽效應。隨著頂部荷載的增加，荷載繼續向下傳遞，上下兩層錨桿受力重新分布，下部錨桿對擋墻的約束作用也逐漸體現，下層錨桿受力逐漸超過上層錨桿，上下層錨桿均處于受拉狀態，符合擋土墻外傾規律。當頂部荷載較高時，需要采取增大下層錨桿直徑、加密下層錨桿等措施提高下層錨桿的承載力。

圖10 錨桿受力變化

5 預應力的影響分析

5.1 不同預應力

為了研究在高填土條件下錨桿預應力對對拉式擋土墻受力特性的影響，采用千斤頂對錨桿進行預應力張拉試驗。在頂部施加指定大小荷載并維持5 min恒壓后對錨桿的一側進行張拉。由前文可知，頂部荷載較大時，下層錨桿所受拉力較大，因此，在維持頂部荷載100 kPa時，對下層錨桿分別施加100，150 kN預應力，并與無預應力工況進行對比。上下兩層錨桿受力如表1所示。可知，與錨桿無預應力相比，下層錨桿施加預應力后，上下兩層錨桿所受拉力均有所增加，下層錨桿承擔荷載的比例有所增加。

表1 不同預應力下錨桿受力分布 kN

頂部荷載為100 kPa時，對下層錨桿分別施加100，150 kN預應力，并與無預應力工況對比，擋土墻的側向土壓力分布及墻體的位移如圖11所示。由圖11(a)可知，錨桿施加預應力后，錨桿附近的側向土壓力顯著增加，且隨著預應力的增加而逐漸增大。錨桿施加預應力后，錨桿拉緊，對擋土墻的約束作用也有明顯提高，約束墻體外傾(如圖11(b)所示)，錨桿以下位置墻體由外傾向內傾發展，錨桿以上位置墻體外傾趨勢也減少。由于在施加預應力的過程中會不可避免地對墻體產生擾動，造成150 kN預應力時1.5 m高度處百分表數據異常。錨桿周圍擋土墻由于承擔的側向土壓力較大，設計施工時需進行加固處理，防止其產生裂縫。

5.2 錨桿失效

錨桿在長期的使用過程中，可能會發生防腐體破裂，引起錨桿的腐蝕破壞，對擋墻及鄰近錨桿的受力不利，因此，有必要研究錨桿失效效應。錨桿預應力損失即為錨索體失效的一個重要表現。采用對錨桿預應力分級卸載的方式模擬錨桿的失效。頂部荷載維持120 kPa，對下層錨桿施加110 kN預應力，預應力卸載時，第1級卸載至100 kN，第2級卸載至80 kN，第3級卸載至60 kN，最后卸載至0。側向土壓力分布如圖12所示。

圖12 錨桿失效時的側向土壓力

由圖12可知，在預應力卸載過程中，擋墻側向土壓力明顯減小，其中錨桿附近土壓力減小最快，表明錨索松弛或破壞均引起擋土墻側向變形增大，從而造成側向應力釋放嚴重。在擋土墻運營過程中，有必要建立錨桿拉力定期監測機制，對錨桿的運營狀態進行評估，預防和及時處理錨桿病害。

6 結論

本文通過室內模型試驗對對拉式擋土墻的受力特性進行了研究，主要結論如下:

1)擋土墻有外傾趨勢，錨桿具有較強的承載作用及空間遮蔽效應。

2)側向土壓力沿擋土墻高度呈類拋物線型分布。

3)高填土條件下，下層錨桿受力較大，需進行加固處理。施加預應力對提高對拉式擋土墻承載力具有顯著作用，可有效減少墻體外傾。

4)錨索失效會造成擋土墻變形增大，需定期監測。

［1］周恒宇.錨桿擋土墻在邊坡防護中力學機理的研究［D］.成都:西南交通大學，2010.

［2］薛志超，宋修廣，陳寶強，等.壓力分散型擋土墻支護高填土路基施工過程的受力特征［J］.公路交通科技，2013，30(4):11-16.

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［4］江屹東.置筋式擋土墻的理論分析及模型試驗的設計［D］.山東:山東大學，2011.

［5］吳建清，宋修廣，張宏博，等.不同預應力對互錨式擋土墻受力特征影響研究［J］.公路，2014(1):122-125.

［6］徐日慶.考慮位移和時間的土壓力計算方法［J］.浙江大學學報:工學版，2000，34(4):370-375.