扶壁式擋土墻的室內(nèi)試驗研究

王仕康 鮑錫剛 徐瑞卿 皇甫儀柱 夏奕舟 魯?shù)陆?/p>

中國十七冶集團(tuán)有限公司 安徽 馬鞍山 243000

關(guān)于對扶壁式擋土墻的研究：井玉國[1]從擋土墻高度的角度，驗證了超高型鋼筋混凝土扶壁式擋土墻在工程應(yīng)用中的可行性；梅世江[2]研究得出扶壁式擋土墻在側(cè)向壓力作用下反傾覆的主要原因為墻踵板與樁的彎曲變形；Davies等[3]建立了高扶壁式擋土墻的有限元模型并對其穩(wěn)定性做出了評價，結(jié)果表明Newmark滑塊分析模型對擋土墻的抗震設(shè)計具有一定的參考價值；王元戰(zhàn)等[4]求得了在擋土墻繞地基轉(zhuǎn)動時，土壓力強(qiáng)度、土壓力合力和合力作用點的理論公式；顧長存等[5]指出當(dāng)擋土墻墻體繞基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動或繞墻頂轉(zhuǎn)動時，被動土壓力的強(qiáng)度呈曲線分布，并對2種轉(zhuǎn)動模式下的合力作用點進(jìn)行了比較；Paik[6]、Thomas[7]、Shubhra[8]給出了在土拱效應(yīng)影響下，擋土墻在進(jìn)行平動時的側(cè)壓力系數(shù)及土壓力強(qiáng)度的計算方法；張永興等[9]分析了墻土摩擦角和填土摩擦角對土側(cè)壓力系數(shù)、水平摩擦因數(shù)、土壓力強(qiáng)度、土壓力合力、合力作用點的影響；王仕傳等[10]提出了一種改進(jìn)主動土壓力的分析方法，此方法能反映擋土墻變位模式和位移大小的影響。

本文通過建立室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ停瑏硌芯糠霰谑綋跬翂υ诓煌穸雀餐磷饔孟碌耐翂毫Ψ植家?guī)律和墻體的應(yīng)變分布規(guī)律，繪制土壓力分布曲線和墻體應(yīng)變曲線。

1 試驗內(nèi)容

1.1 擋土墻模型

擋土墻模型（圖1）尺寸為：墻面板高100 cm，寬60 cm；墻踵板為邊長60 cm的正方形；扶壁為直角梯形，上底為10 cm，下底為50 cm，高為97.5 cm；墻面板、墻踵板和扶壁的厚度均為2.5 cm。

圖1 扶壁式擋土墻(單位:cm)

1.2 監(jiān)測傳感器

1）土壓力盒。試驗所使用的土壓力盒為電阻式土壓力盒，該設(shè)備直徑為2.6 cm，采用應(yīng)變儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2）光纖傳感器。室內(nèi)試驗使用φ0.9 mm的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，并用分布式光纖溫度應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)DiTeSt STA-R型調(diào)制解調(diào)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.3 試驗方案

1）將土壓力盒從1～12進(jìn)行編號，并將其埋設(shè)于設(shè)計部位（圖2）。

2）垂直于扶壁所在平面方向，沿著墻踵板和扶壁布設(shè)光纖，2塊扶壁的內(nèi)外側(cè)光纖分別命名為f1、f2和f3、f4；在2塊扶壁的中線位置，沿著墻踵板和墻面板的內(nèi)側(cè)布設(shè)光纖，分別命名為f5和f6（圖3）。

3）分別在扶壁式擋土墻后填厚度為20、40、60、80、100 cm的土，填滿后在擋土墻的頂部施加0.5 kN和1 kN的荷載，監(jiān)測出各不同厚度填土以及附加荷載作用下，土壓力盒和光纖傳感器的數(shù)據(jù)。

圖2 土壓力盒布設(shè)位置示意

圖3 光纖布設(shè)示意

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 土壓力數(shù)據(jù)分析

2.1.1 墻踵板土壓力變化規(guī)律

據(jù)李文明介紹，他是湖南南縣人，做蔬菜批發(fā)生意有20多年，原來一直在馬王堆蔬菜批發(fā)市場做生意，2016年遷來此地，經(jīng)營著2個門面，年批發(fā)蔬菜量可達(dá)3.6萬噸，2017年實現(xiàn)銷售收入2億元，有近30名員工正在他的蔬菜經(jīng)營部里忙前忙后。

從墻踵板土壓力變化趨勢（圖4）可看出，隨著覆土厚度的增加，土壓力值的變化趨勢比較相似且都呈現(xiàn)出類似對數(shù)函數(shù)曲線形式增長；其中7號土壓力盒的測得值最大，8號土壓力盒的測得值最小，由于6號土壓力盒比7號更靠近墻面板，填土受到來自于墻面板的摩擦力更大，從而減小了垂直土壓力值；8號土壓力盒相比7號距離扶壁較近，受到扶壁摩擦力的影響更大，進(jìn)而其值較小，表明靠近擋土墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件越近，填土受到摩擦力的影響越明顯，墻踵板垂直土壓力值越小。

圖4 墻踵板土壓力變化趨勢

2.1.2 扶壁土壓力變化規(guī)律

9號、10號土壓力盒位于扶壁的內(nèi)側(cè)，11號、12號土壓力盒位于扶壁的外側(cè)，從所測得的土壓力變化趨勢（圖5、圖6）可看出，扶壁內(nèi)側(cè)的側(cè)向土壓力值隨著覆土厚度的增加呈對數(shù)函數(shù)曲線形式增長；扶壁外側(cè)的側(cè)向土壓力值隨著覆土厚度的增加，呈類似于指數(shù)函數(shù)曲線形式增長。位于扶壁下部的側(cè)向土壓力值大于上部。

圖5 扶壁1內(nèi)側(cè)土壓力變化趨勢

圖6 扶壁2外側(cè)土壓力變化趨勢

2.1.3 墻面板土壓力變化規(guī)律

在墻面板內(nèi)側(cè)沿著高度方向布設(shè)了1號、2號、3號土壓力盒，從土壓力變化趨勢（圖7）可看出，當(dāng)填土厚度大于60 cm時，他們都受到了填土的作用，3號土壓力盒的土壓力值最大，1號土壓力盒的土壓力值最小；表明越靠近墻面板的下部，填土的壓實度越良好，墻面板的側(cè)向土壓力越大。距離墻踵板相同高度的水平方向上布設(shè)了2號、4號、5號土壓力盒，從土壓力變化趨勢（圖8）可看出，隨著荷載的增加土壓力盒測得的土壓力值也增大，并且土壓力值和荷載呈現(xiàn)出線性關(guān)系；其中2號土壓力盒的側(cè)向土壓力值最大，4號和5號土壓力盒對稱分布于2號的兩側(cè)，比2號土壓力盒距離扶壁更近，受到扶壁摩擦力的影響較大，因此測得的側(cè)向土壓力值相比較2號更小。

圖7 墻面板垂直方向土壓力變化趨勢

圖8 墻面板水平方向土 壓力變化趨勢

2.1.4 等高度不同部位側(cè)向土壓力變化規(guī)律

2號、9號、11號土壓力盒分別位于擋土墻的不同位置，距離墻踵板的高度均為40 cm。從土壓力變化趨勢（圖9）可看出，11號土壓力盒的側(cè)向土壓力值最小，9號土壓力盒的側(cè)向壓力值最大；表明同高度同荷載情況下，扶壁內(nèi)側(cè)的側(cè)向土壓力值最大，扶壁外側(cè)的側(cè)向土壓力最小。

2.2 擋土墻應(yīng)變分析

兩扶壁中線位置墻面板上光纖f6的監(jiān)測方向為從墻面板頂部到底部。從墻面板上應(yīng)變隨著覆土厚度增加的變化趨勢（圖10）可看出，墻面板出現(xiàn)了正應(yīng)變，表明墻面板內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了拉伸作用，墻面板有遠(yuǎn)離土體方向移動的趨勢。應(yīng)變總體變化趨勢為：在不同厚度的覆土作用下，墻面板的應(yīng)變沿著監(jiān)測方向，呈現(xiàn)出逐漸變大再變小的趨勢，且有應(yīng)變波峰的出現(xiàn)。覆土厚度的不同，應(yīng)變波峰出現(xiàn)的位置也不一樣，大體表現(xiàn)為覆土厚度越小，應(yīng)變峰值位置離墻面板底部越近。

圖9 不同位置同等高度土壓力變化趨勢

圖10 墻面板應(yīng)變變化趨勢

2.2.2 扶壁應(yīng)變分析

1）扶壁1外側(cè)光纖f1的監(jiān)測方向為從扶壁底部到頂部。從應(yīng)變變化趨勢〔圖11（a）〕可看出，當(dāng)覆土厚度為20 cm時，光纖上各點的應(yīng)變值很小且接近于0；當(dāng)覆土厚度為40、60、80 cm時，光纖所測得的應(yīng)變沿扶壁高度方向分布都比較均勻；當(dāng)覆土厚度為100 cm以及處于加載階段時，扶壁高度方向的應(yīng)變變化趨勢比較一致，且在沿扶壁高度約0.8 m處有應(yīng)變波峰。

2）扶壁1內(nèi)側(cè)光纖f2的監(jiān)測方向為從扶壁的底部到頂部，從應(yīng)變變化趨勢〔圖11（b）〕可看出，當(dāng)覆土厚度≤80 cm時，光纖f2沿著監(jiān)測方向的應(yīng)變值逐漸變大，最大值位于扶壁的頂部；當(dāng)覆土厚度為100 cm以及受到附加荷載的作用時，光纖f2沿著監(jiān)測方向的應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，且在監(jiān)測長度約0.8 m處出現(xiàn)了應(yīng)變峰值。

3）扶壁2內(nèi)側(cè)f3光纖的監(jiān)測方向為從扶壁的底部到頂部，從應(yīng)變變化趨勢〔圖11（c）〕可看出，當(dāng)填土厚度≤40 cm時，光纖f3基本沒有發(fā)生應(yīng)變變化，應(yīng)變值接近于0；當(dāng)覆土厚度為60 cm和80 cm時，監(jiān)測長度約為0.8 m的位置出現(xiàn)了應(yīng)變波峰；當(dāng)填土厚度為100 cm以及處于加載階段時，應(yīng)變的最大值位于扶壁的頂端。

4）扶壁2外側(cè)f4光纖的監(jiān)測方向為從扶壁的底部到頂部，從應(yīng)變變化趨勢〔圖11（d）〕可看出，在不同厚度覆土作用下，光纖f4測得的應(yīng)變值較小，接近于0；當(dāng)覆土厚度逐漸變大時，監(jiān)測長度在0～0.8 m的范圍內(nèi)，光纖的負(fù)應(yīng)變值隨之變大，表明扶壁2具有背離扶壁1運動的趨勢，且隨著荷載的加大，這種運動趨勢越明顯。

圖11 光纖應(yīng)變變化趨勢

3 結(jié)語

本文通過建立室內(nèi)扶壁式擋土墻模型，對墻體各部位的土壓力和應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)測，分析結(jié)果如下：

1）隨著覆土厚度的增加，墻踵板垂直土壓力和扶壁內(nèi)側(cè)的側(cè)向土壓力呈對數(shù)函數(shù)曲線形式增長，扶壁外側(cè)的側(cè)向土壓力呈指數(shù)曲線形式增長。

2）隨著覆土厚度的增加，墻面板水平方向的側(cè)向土壓力呈線性增大；垂直方向上，越靠近墻面板的底部，側(cè)向土壓力越大。

3）距離墻踵板同樣高度時，扶壁內(nèi)側(cè)的側(cè)向土壓力最大，墻面板側(cè)向土壓力次之，扶壁外側(cè)的側(cè)向土壓力最小。

4）隨著覆土厚度的增加，墻面板的應(yīng)變值隨之變大，且在沿墻面板高度方向有應(yīng)變波峰，峰值的位置跟覆土厚度有關(guān)，厚度越大，波峰距離墻面板底部的距離越大；扶壁沿高度方向的應(yīng)變隨覆土厚度的變大而變大，在高度方向約0.8 m處有應(yīng)變波峰，且扶壁有相互背離的運動趨勢。