模塊式加筋土擋墻試驗研究現狀及展望

苗宇龍 張 琬

(1.信息產業部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710064； 2.同濟大學，上海 200092)

加筋土擋墻按墻面類型可分為筋材反包式墻面、木質墻面、電焊鐵絲網、格賓式、預制混凝土整體墻面、現澆混凝土整體墻面、混凝土模塊式加筋土擋墻[1]。其中模塊式加筋土擋墻最為經濟，且外形美觀，抗變形能力強，于20世紀80年代中期開始在工程中應用，發展迅速，至今已被廣泛用于鐵路、公路、水利、城建等領域，美國混凝土產業協會為其編寫了專門的設計規范。

模塊式加筋土擋墻的墻面采用干澆法預制的小尺寸混凝土塊體堆疊干砌而成，各模塊間通過凹凸槽、插銷等連接，筋材與模塊間的連接分為摩擦式連接和機械式連接兩種。墻趾模塊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。圖1為一模塊式加筋土擋墻典型剖面圖。相對于其他類型的加筋土擋墻依靠筋材與填土之間摩擦力來平衡墻面板所受的水平土壓力，模塊式加筋土擋墻在此基礎上又增加了墻趾界面間、墻面模塊間、墻面模塊與筋材間的界面摩擦來共同承擔水平土壓力，保持結構穩定，所以其作用機理也更為復雜。

國內外學者對模塊式加筋土擋墻的工作機理進行了研究，并取得了一系列研究成果。本文從現場試驗和室內模型試驗兩方面系統闡述國內外模塊式加筋土擋墻的研究現狀，并對今后的發展趨勢進行展望。

1 現場試驗研究

Yoo等[2]對一7.4 m高模塊式加筋土擋墻在建成三個月后倒塌的原因進行了調查，認為擋墻不滿足現有規范的設計要求、填土性質不良和雨水滲入加筋體是擋墻倒塌的三個主要原因。

楊廣慶等[3]對一剛性基礎上的雙級模塊式加筋土擋墻進行了現場原型試驗研究，分析了施工期及竣工后1.5年期間各級擋墻加筋體底部豎向土壓力、墻面板背部側向土壓力和筋材應變分布規律。試驗結果表明：剛性基礎上加筋體底部垂直土壓力最大值靠近墻面位置，而柔性基礎上加筋體底部垂直土壓力最大值靠近拉筋尾部；施工期間加筋土擋墻墻背側向土壓力沿墻高呈曲線分布，其值遠小于主動土壓力，竣工后隨時間延續逐步減小；施工期各測試層的筋材應變最大值均小于0.4%，竣工后筋材應變基本無明顯變化。

Allen等[4，5]對采用K—剛度法設計的6.3 m和11 m高的模塊式加筋土擋墻進行了現場試驗，試驗結果表明：相較于采用AASHTO方法[6]設計的擋墻，采用K—剛度法[7]設計的擋墻其筋材用量可節省35%～50%，且采用K—剛度法計算的各層筋材拉力值更接近實測值。

Riccio等[8]對一4.2 m高、粘土作為填土的模塊式加筋土擋墻進行了現場試驗，監測了筋材拉力、加筋體的水平和豎向位移、墻面模塊間水平位移和受力，并與理論分析以及有限元分析結果進行了對比。研究結果表明：對于粘性填土模塊式加筋土擋墻，朗肯主動土壓力法和K—剛度法的筋材拉力計算值分別為負值和接近于0，而實測值遠大于兩者計算值，Leshchinsky[9]所提出的筋材拉力計算法因沒有考慮粘性填土的情況而與實測值不符；模塊界面上的豎向荷載總是大于其上模塊總重量，這是由于填土的豎向應力通過與填土與模塊的界面摩擦傳遞到模塊上。

周亦濤等[10]對一由L型擋土墻與加筋土擋墻形成的多級加筋土復合式擋墻進行了試驗測試。該擋墻分三級，中上級為模塊式加筋土擋墻，底級為L型加筋土擋墻。實驗結果表明：模塊式加筋土擋墻的加筋土體底部豎向土壓力沿筋長方向起初呈線性分布且大小基本相同，但隨著填土厚度的增大而呈明顯的非線性分布，且出現雙峰值；模塊式加筋土擋墻的墻背側向土壓力沿墻高、拉筋應變沿筋長方向均呈非線性分布，且實測值均較小。

2 模型試驗研究

Bathurst等[11]進行了四組基于剛性地基的加筋土擋墻室內足尺試驗，其中三組為模塊式加筋土擋墻，一組為筋材反包加筋土擋墻。試驗結果表明：筋材與墻面之間的連接力為筋材的最大拉力；墻趾承擔了大部分的墻背水平土壓力，但現有規范沒有考慮墻趾作用而是采用傳統土壓力理論計算筋材拉力，導致規范方法過于保守。

Bathurst等[12]采用足尺模型試驗對比了模塊式加筋土擋墻和反包式加筋土擋墻的性狀，以研究墻面剛度對擋墻性狀的影響。實驗結果表明，模型建成后和加載后柔性墻面擋墻的筋材最大拉力分別為模塊式擋墻的3.5倍和2倍，AASHTO方法計算的模塊式加筋土擋墻的筋材拉力為實測值的1.5倍，這說明硬質墻面作為一個結構單元可以顯著減小筋材拉力，AASHTO方法沒有考慮墻面作用而高估了模塊式擋墻的筋材拉力。然而，Leshchinsky等[13]對此試驗中固定約束的擋墻墻趾是否符合實際提出了疑問，Bathurst等[14]回應：實際工程中，模塊式加筋土擋墻墻趾界面間的摩擦阻力和埋置墻趾的土體提供了墻趾的側向約束，試驗中對墻趾施加的固定約束即對應此約束。

Ehrlich等[15]進行了兩組基于剛性地基的模塊式加筋土擋墻室內足尺試驗，對兩組擋墻的填土分別采用輕型和重型手動夯實機進行壓實，以分析土體壓實度對擋墻性狀的影響。研究結果表明：填土壓實度對筋材拉力有顯著影響，重型壓實的擋墻墻面筋材連接力小于輕型壓實擋墻，其建成后的筋材拉力卻遠大于輕型壓實擋墻；填土壓實度越大，筋材最大拉力位置越靠近墻面；壓實度大小所造成的擋墻性狀差別隨墻頂荷載的增加而減小。

Ehrlich等[16]采用室內足尺模型試驗將一模塊式加筋土擋墻和一筋材反包加筋土擋墻進行對比，以研究墻面剛度和墻趾阻力對擋墻性狀的影響。研究表明：墻趾無約束時，筋材拉力幾乎不受墻面剛度影響，而墻趾固定約束時，筋材拉力隨墻面剛度增大而減小；不論墻面剛度大小，固定約束擋墻的各層筋材最大拉力以及墻趾荷載的總和幾乎保持恒定，且大于無約束擋墻；固定約束和無約束擋墻性狀的差別可能由于固定約束擋墻的水平位移更小而導致。

Xiao等[17]進行了一系列模塊式加筋土橋臺的室內模型試驗，研究墻頂條形荷載下荷載距墻面位置、荷載寬度、筋材長度、筋材與墻面連接模式對擋墻承載能力的影響。研究結果表明：對于筋材與墻面機械連接和摩擦連接的擋墻，其承載能力分別在墻頂條形荷載距墻面0.3倍和0.4倍墻高處最大；滑動面都是從條形荷載的邊緣開始發展并穿過墻面；條形荷載下模塊式加筋土擋墻的滑動面與基于極限平衡理論的Spencer鍥形體法結果吻合。

3 結論與展望

本文對模塊式加筋土擋墻試驗研究現狀作了較為詳細的綜述，發現研究對象多集中在墻面、筋材和填土對擋墻性狀的影響，對墻趾作用的研究較為有限。然而，墻趾對擋墻穩定性影響顯著，是模塊式加筋土擋墻設計中一個不可忽視的因素。現有墻趾作用研究都是基于剛性地基上的加筋土擋墻，墻趾的水平約束由一個線彈性約束充當，這與實際情況顯然不符，且這種理想化的約束條件會放大墻趾對墻背水平土壓力的貢獻，故需要對實際模塊式加筋土擋墻墻趾約束機理進行研究，并提出合理的擋墻內部穩定性設計計算方法。