墻面結構對加筋土擋墻變形性能的影響

王宗建， 馬書文， 盧 諒， 張耿川， 沈 權

(1. 重慶交通大學 河海學院，重慶 400074； 2. 重慶大學 土木工程學院，重慶400044；3. 上海永升物業管理有限公司重慶分公司，重慶 401120； 4. 中交路橋華北工程有限公司，北京 101100)

加筋土擋墻主要由填料、筋材和面板組成[1]。作為一種新型支擋結構，加筋土擋墻憑借其較好的穩定性能[2-3]，顯著的經濟、社會和環境效益[4-5]在橋梁、水運、邊坡等行業的應用越來越廣泛[6]。按照面板結構分類，常見的加筋土擋墻面板有整體式[7]、分隔式[8]和復合式[9]等3種。

目前，國內外學者分別對加筋土擋墻模型實驗[10-11]、加筋復合體試件三軸試驗[12]、極限平衡[13-14]和有限元分析[15]等理論計算法[16-17]進行了諸多研究。但其研究重點多集中在加筋土擋墻穩定性上[18]，針對面板結構形式對加筋土擋墻變形性能影響相關研究尚少。面板作為擋墻重要組成部分，具有約束墻后填土和美化環境作用。隨著面板類型越來越豐富，關于面板對加筋土擋墻變形性能的影響，相關規范尚未作詳細說明[19]。有學者認為面板對加筋土擋墻穩定性影響很小[20]；也有學者認為面板在加筋土擋墻穩定性影響上占很大比重[21-23]。

筆者通過改變面板的結構和剛度(厚度)，基于外荷載作用下對加筋土擋墻變形進行了室內實驗，并探討了面板結構對加筋土擋墻變形性能影響。

1 加筋土擋墻面板類型

按墻面板常見的組合方式，可將加筋土擋墻(圖1)分為幾種類型。

1)整體式面板〔圖2(a)〕：該結構面板通常采用混凝土一次澆筑成形，結構抗震性能良好，面板具有整體剛度，能在一定程度上抵抗墻面局部變形。但其施工工藝復雜，施工難度較大。

2)分隔式面板〔圖2(b)〕：該結構面板由若干層條狀(帶狀)面板單元體疊加而成。由于其結構組合的不連續性，較整體式面板而言，其抵抗墻面局部變形能力稍弱，但其施工簡便、易行。

3)復合式“十”字型面板〔圖2(c)〕：在分隔式面板基礎上，加以豎向和水平向約束(連梁)以增強面板整體性和穩定性。該結構適應變形能力較好，施工難度介于整體式與分隔式面板之間。

圖1 加筋土擋墻結構Fig. 1 Structure of the reinforced earth retaining wall

圖2 加筋土擋墻的幾種類型Fig. 2 Several types of the reinforced earth retaining wall

2 模型實驗

2.1 實驗材料

為使實驗模型的物理現象與實際情況相似，筆者在實驗材料、幾何條件、邊界條件等方面按照一定比例將原型尺寸適當縮小，以使模型實驗所涉及的受力、變形等主要參量最大程度與原型相似。本實驗主要模擬加筋土擋墻面板在外界條件下變形的規律。

實驗中不考慮擋墻排水固結，實驗材料盡可能采用與原型相似介質，其中填料采用天然砂，筋材采用100 g/m2牛皮紙，加筋土擋墻墻面板采用強度統一的壓密硬紙板。實驗模型中關鍵結構的幾何形狀與尺寸盡量與實際情況相似，擋墻及面板高度、筋材尺寸等幾何相似比相等。本次模型實驗中各結構尺寸按相似比10∶1進行制作。模型實驗加載介質采用可拆卸沙袋自重力模擬活載或建筑物等豎向荷載，沙袋底面尺寸與擋墻頂部填土尺寸相等，模擬如圖3(a)。

由于模擬水平荷載難度較大，筆者通過給千斤頂加壓來抬升擋墻后緣，用填料在垂直面板方向的重力分力Gx模擬墻后填料水平荷載，模擬如圖3(b)。

實際工程中，加筋土擋墻除擋墻面板方向外均為無限體，變形可忽略，可簡化為平面應變問題。在平面應變條件下，除面板所在平面，加筋土擋墻其他邊界處位移為零，實驗模型采用剛性側壁來滿足平面應變條件。

圖3 荷載示意Fig. 3 Schematic diagram of load

2.2 實驗裝置

本實驗在長方體木制模型槽中進行，該模型槽的尺寸為：75 cm(長)×45 cm(寬)×50 cm(高)，模型槽板厚2 cm，墻體后緣由千斤頂托起〔圖3(a)〕。

模型槽各棱邊接縫處加焊角鋼，實驗時將面板進行回折處理以防止實驗裝置邊緣處漏砂。填料裝填緩慢進行，速度控制為在每1 cm高度上裝填5 kg，裝填完成后實驗裝置如圖4。

圖4 試驗模型Fig. 4 Test model

2.3 實驗材料和物理力學特性

2.3.1 實驗材料

墻后填料采用天然砂；筋材采用100 g/m2牛皮紙，擋墻墻面板采用強度統一的壓密硬紙板，筋材與面板進行黏結處理。由于筆者主要研究面板變形問題，故筋材長度按照安全等級最低的構造配比(墻高的40%)進行選取，即筋材構造鋪設長度為20 cm。

2.3.2 填料物性試驗

擊實試驗、篩分試驗和直接剪切試驗，參照JTG E40—2007《公路土工試驗規程》[24]和GBJ 123—1988《土工試驗方法標準》[25]。

填料擊實試驗采用輕型標準擊實儀進行試驗，試驗數據如表1。篩分法得到填料的顆粒級配曲線如圖5，比重試驗得到填料比重Gs=2.62。填料抗剪強度采用應變控制式直接剪切儀來測定，抗剪強度曲線如圖6。由圖6可知：填料粘聚力c=0 kPa，內摩擦角φ=32.4°。

表1 天然砂擊實試驗數據Table 1 Compaction test data of natural sand

圖5 填料顆粒級配曲線Fig. 5 Particle gradation curve of filler

圖6 填料抗剪強度曲線Fig. 6 Shear strength curve of filler

2.3.3 筋材拉伸試驗

試驗用筋材尺寸為150 mm(長)×5 mm (寬)，筋材線彈性模量Et計算如式(1)：

(1)

式中：FN為所施加的拉力；b為筋材寬度；ε為筋材應變；t為筋材厚度。

試驗數據計算結果如圖7。則筋材平均線彈性模量Et=1.034 kN/m。

圖7 筋材應力-應變曲線Fig. 7 Stress-strain curves of steel bars

2.4 實驗方案

為研究不同擋墻面板結構和不同面板厚度對加筋土擋墻變形性能影響，筆者分別對整體式、分隔式和復合式面板加筋土擋墻進行對比實驗。實驗方案如表2。

2.5 擋墻面板尺寸(圖8)

加筋土擋墻面板尺寸為48 cm(長)×47 cm(寬)，每個面板上均勻鋪設4層×4根筋材，筋材寬度2 cm、水平間距12 cm、豎向間距12 cm。

分隔式面板加筋土擋墻實驗模型如圖9。擋墻由面板單元體疊加而成，單元體尺寸如圖10，其中陰影部分為實驗時的回折部分。

復合式面板加筋土擋墻如圖11。面板豎向約束材料采用48 cm×6 cm壓密硬紙板，其中紙板中心以下部分貼雙層壓密硬紙板，以增加中心以下部分約束。連梁采用9 cm×6 cm壓密硬紙板，置于擋墻面板與豎向約束之間以增加約束整體性。

表2 加筋土擋墻實驗方案Table 2 Experimental scheme of the reinforced earth retaining wall

圖8 加筋土擋墻面板筋材鋪設示意(單位：cm)Fig. 8 Layout of the reinforced earth retaining wall panel setting

圖9 分隔式面板加筋土擋墻模型Fig. 9 Model of partitioned panel reinforced earth retaining wall

圖10 加筋土擋墻面板結構(單位：cm)Fig. 10 Structure of the reinforced earth retaining wall panel

圖11 復合式面板加筋土擋墻模型Fig. 11 Model of composite panel reinforced earth retaining wall

2.6 實驗過程

為統一實驗條件，面板與筋材之間的黏結劑用量均控制在同一量級內。擋墻面板變形情況由墻面中心軸到實驗裝箱邊緣的距離Si表示，其中i∈[1，6]。實驗擋墻填充完整后，以此時面板中心軸位置與實驗裝箱底部邊緣距離為變形基準值S1；施加荷載后，測得中心軸與邊緣距離Si(i=2,3,4,5,6)與基準值S1差值即為面板變形量Δdj(j=1,2,3,4,5)。實驗測點布置如圖12，在每塊面板中心軸線上布設13個測點，測點自下而上開始讀數，相鄰測點間距為4 cm。

實驗過程如下：

1)由千斤頂將實驗裝箱升至預設高度，安放加筋土擋墻墻面板，裝填填料，測量面板初始變形，即墻面與實驗裝箱邊緣距離，計為S1(圖4)；

2)在實驗模型頂部施加2 kN的豎向荷載，施加方法如圖3(a)，待擋墻穩定后測量擋墻面板變形S2，此時面板變形量為S1-S2，記為Δd1；

3)撤去豎向荷載，用千斤頂將墻體抬升2 cm，待穩定后測量擋墻面板變形量S1-S3，計為Δd2；

4)繼續對千斤頂加壓，當擋墻依次抬升4、6、12 cm，待穩定后測量擋墻面板變形量，分別計為Δd3、Δd4、Δd5；

5)持續抬升，直至擋墻破壞，實驗結束。

圖12 擋墻墻面測點布置(單位：cm)Fig. 12 Layout of measuring points on retaining wall surface

3 實驗結果及分析

3.1 加筋土擋墻變形性能分析

筆者以擋墻面板變形量Δdj為研究對象，對6個實驗數據進行整理，并繪制出加筋土擋墻變形曲線，曲線匯總如表3。

由表3可知：3種類型加筋土擋墻面板變形大致呈“上大、下小”分布。當擋墻墻面板結構一定時，對比不同面板剛度(厚度)下擋墻變形曲線可知：隨著面板剛度增加，擋墻自身強度和與外界接觸面摩擦力均得以增加、承載土壓力變形量減少，因此加筋土擋墻適應變形能力、承受荷載能力、整體性及穩定性均逐漸增加。

表3 加筋土擋墻模型實驗數據Table 3 Experiment data of the reinforced earth retaining wall model

當擋墻墻面板剛度(厚度均為0.8 mm)一定時，對比這3種加筋土擋墻變形曲線可知：整體式擋墻在水平荷載作用下變形波動較大，最大變形位于32 cm處，最大變形量為0.75 cm；分隔式擋墻變形較均勻，但局部變形量較大，大變形主要集中于面板單元體連接處，最大變形位于36 cm處，最大變形量為0.3 cm；復合式擋墻在這3種加筋土擋墻中適應變形能力最強，最大變形位于墻頂，變形量為0.18 cm。

3.2 加筋土擋墻整體穩定性分析

整體式面板加筋土擋墻墻后填土對墻面進行局部擠壓，面板局部向外凸起，致使擋墻在抬升16.0 cm時發生滑動破壞，破壞情況如圖13；分隔式面板加筋土擋墻整體性較整體式稍差，穩定性較整體式稍好，千斤頂升至最高時未發生破壞；復合式面板加筋土擋墻承受荷載能力最強，千斤頂升至最高時未發生破壞，在這3種擋墻中整體性和穩定性最好。

圖13 整體式面板加筋土擋墻的滑動破壞Fig. 13 Sliding failure of the reinforced earth retaining wall with integral panel

對比整體式擋墻和分隔式擋墻，由于整體式擋墻面板是發生整體性變形，分隔式擋墻墻面板之間存在縫隙而發生“局部-整體”變形，因此前者整體性和適應變形性能均較后者強；但在同一荷載水平下，整體式擋墻面板變形量較后者大，施工難度也較后者大。故復合式擋墻綜合了二者優點，在分隔式擋墻面板上設置了豎向約束和連梁，既保證了墻面整體變形較小，也增大了擋墻整體穩定性。

4 結 論

1)變形性能方面：在豎向或水平荷載作用下，這3種類型加筋土擋墻面板變形均呈現出擋墻面板上部變形大、下部變形小的特點。與分隔式擋墻相比，復合式和整體式擋墻的整體性及適應變形能力較好；

2)水平方向承載能力方面：在水平荷載Gx作用下，這3種面板類型加筋土擋墻中，復合式擋墻承受荷載能力最強，分隔式擋墻次之，整體式擋墻最弱；

3)整體穩定性方面：在這3種面板類型加筋土擋墻中，整體式擋墻發生整體滑動破壞，分隔式和復合式擋墻發生局部剪切破壞。擋墻面板類型在加筋土擋墻穩定性研究中占有較為重要地位，工程上可根據實際情況選擇面板結構形式；

4)筆者采用概化材料對實際加筋土擋墻進行模擬，如用牛皮紙條模擬筋材、硬紙板模擬混凝土面板等。概化處理對實驗結果產生的影響、更加接近工程實際的實驗模型和實際工程中幾種典型加筋土擋墻的變形性能均尚不明確，有待于進一步研究。