基于砂箱模型試驗的加筋土擋墻最優布筋方式探究

徐良付

為了最大程度的發揮加筋土擋墻抵抗土壓力的能力，我們需要研究出最優的布筋方式，為此，我們開展了以信封紙作為加筋材料的砂箱模型試驗，測定了加筋材料以及填料的物理力學性能后，分析了布筋密度，筋帶寬度及長度等因素對加筋土擋墻穩定性的影響規律，在此基礎上，我們通過有限元分析結合試驗探討了加筋方向對加筋土擋墻穩定性的影響。探究表明，在一定的用筋量條件下，采用“窄筋密布”、“窄筋長布”、“錯位布筋”、“上長下短”的布筋方式，能顯著提高加筋土擋墻的穩定性，對于以自重為主的加筋土擋墻，設置10°左右的下傾角筋條，也能提高擋土墻的穩定性。

加筋土是在土中加入拉筋，利用拉筋與土之間的摩擦作用，改善土體的力學性能和提高土體的整體結構性，從而達到穩定土體的作用。加筋土擋墻由填料和在填料中布置的拉筋，以及擋土面板三部分組成。現有的設計理論和規范，主要解決加筋土擋墻的穩定問題。由于加筋土結構的復雜性，加筋土理論還大大落后于工程實踐，加筋土擋墻在工程應用中仍存在許多問題，為此，我們專門開展了加筋土擋墻最優布筋方式以及布筋方向的探究。

模型試驗材料及參數

填料：干燥清潔粗砂，容重，抗剪強度指標，，顆粒級配良好；

加筋材料：信封用牛皮紙，試驗測得其寬度為0.5cm的抗拉強度。

試驗設計思路

1. 基本假定

墻墻后填土為砂土（黏聚力c≈0）；

擋墻墻后土體達到主動極限狀態時，土體形成滑動楔體[2]；

模型墻體承受的土壓力符合線性分布；

筋土之間的摩擦系數隨填土密實度變化。

根據朗肯土壓力理論，計算得砂箱模型擋土墻的主動土壓力分布及填砂破裂面形狀位置，如圖2所示，

2.設計思路

基于加筋用量最小的加筋土擋墻最優布筋方式，主要受筋帶長度、筋帶寬度和布筋密度三個變量的共同影響，其中，筋帶長度、筋帶寬度、布筋密度為獨立變量，而筋帶總面積為非獨立變量，因此，我們運用控制變量的方法，來確定最小布筋面積。

而對于布筋方向，同樣可以采用控制變量的方法，通過計算機編程對土體的穩定性進行有限元分析，從而得出不同情況下最優傾斜角度。

模型試驗探究加筋土擋墻最優布筋方式以及布筋方向

1.最佳長度試驗探究

筋帶長度的選擇主要考慮不同的層與層之間筋帶的長度，為此我們首先確定了四種方案，a，上下等長，b，上短下長，c，上長下短，d，上下等長，適當加大中間層長度。通過圖2的填土破裂面，我們知道擋墻破壞時的理論破裂面是從擋墻底端起，沿拋物線形式向上和向里擴展的，因此，a和b方案就顯得很不經濟了，在考慮c，d方案的時候，我們在導師的幫組下用相應的軟件進行了模擬，發現，雖然d方案能使墻后更多的土體受到擾動，產生應變，也就是說可以提供更大的對擋墻的拉力，防止擋墻破快，但前提是，需要更多的筋帶，綜合考慮起來也是不經濟的，因此，我們最后確定了c方案為比較合理的布筋方式。

2. 最佳寬度試驗探究

為了確定最合理的筋帶寬度，我們想到了一個很好的辦法，我們用彈簧拉力計測試相同埋置深度，相同長度，不同寬度的筋帶從沙土中勻速拔出來時的力，并用這個力除以筋帶的面積，我們定義為“比強度”，這樣，只要找到比強度較大時所對應的寬度，即為合理并且經濟的寬度，通過一番試驗之后，我們最終確定了寬度在0.3cm到0.5cm的寬度是比較合理的。即選用“窄筋“布置時，比強度相對較大，寬度比較合理。

3.最優布筋密度的試驗探究

在最初做實驗的時候，為了最大程度簡化試驗影響因素，我們都才用了“寬筋疏布”的方式來布置筋帶，這樣顯然也是不合理的，因為擋墻的剛度并不是很大，他需要一個比較均勻的力，即在擋墻的每一點都能提供有效拉力，從而防止發生過大變形而破壞，所以，選擇“疏布”筋帶就顯得很不合理了。

為了解決這個問題，我們確定了兩種試驗思路，一方面，選擇“密布”的同時，縮小筋帶的寬度，從而有效的控制筋帶的用量；另一方面，我們選擇“錯位布筋”的方式，即最大限度的減小擋墻的受力空白區。從而時期能夠有效的抵抗墻后土壓力的同時，不產生過大的繞度或者變形。

在確定了實驗思路后，我們進行了大量的試驗，并將觀察結果記錄于表1。最后我們確定了“窄筋密布”“錯位布筋”為最優布筋方法。

4. 布筋方向的試驗探究

在實際工程中，常因種種需要而采用傾斜布筋的方式，就粘著破壞條件而言，設置一定角度的向下傾斜的角度的筋條，可使作用在筋條表面的摩擦力對應的法向力作用位置降低，從而可以提高加筋土的強度，為此，我們通過等梯度連續設置不同的傾斜角度，使用計算機編程進行有限元計算，繪出圖3所示的擋土墻穩定性安全系數曲線，從曲線走勢可以看出，當荷載中超載所占的比例大時， 筋條水平布置， 其效果更好； 而當其自重占的比例大時，設置10°左右的下傾角，其穩定性更好。

結論

應用控制變量的方法，通過對影響加筋土擋墻穩定性的布筋密度，筋帶寬度及長度等因素的試驗探究，我們得出了基于最小布筋面積的最優布筋方式，總結來說，即“窄筋密布”、“窄筋長布”、“錯位布筋”、“上長下短”的布筋方法，能顯著提高加筋土擋墻的穩定性。在此基礎上，我們通過等梯度連續設置不同的傾斜角度，使用計算機編程進行有限元計算，繪出土擋墻穩定性的安全系數曲線，從曲線走勢可以看出，當荷載中超載所占的比例大時， 筋條水平布置， 其效果更好； 而當其自重占的比例大時，設置10°左右的下傾角，則能提高擋土墻的穩定性。

（作者單位：中南大學土木工程學院）