墻后填土壓實度對主動滑裂帶影響的試驗研究＊

陳嘉樂，楊立兵，劉曉紅，陳 豪，江思卿

（湖南理工學院土木建筑工程學院，湖南 岳陽 414006）

在邊坡及基坑支護設計中，土壓力計算是必不可少的環節，土壓力大小及分布與墻后土體滑裂帶形態特征密切相關。經典的朗肯土壓力理論及庫侖土壓力理論均認為：墻后半無限土體滑裂帶為一通過墻踵的平面。從現有文獻看，墻后填土滑裂帶并不一定是平面，也不一定總是通過墻踵，滑裂帶的形態特征與填土寬高比、擋墻變位模式、填土工程性質等因素密切相關。王崇宇等[1-2]通過室內模型試驗研究了自由落砂條件（最小壓實度）下不同寬高比的無黏性砂土主動、被動滑裂帶特征，得到了擋墻3 種變位模式下有限、半無限土體的臨界寬高比，且不同試驗條件下的滑裂帶有的是直線，有的是折線，有的是曲線；有的滑裂帶通過墻踵，有的并不通過墻踵。江旭[3]通過室內模型試驗研究了自由落砂條件下擋墻變位模式對有限砂土的主動、被動滑裂帶的影響規律，得到了類似的結論，即滑裂帶不一定是平面，也不一定通過墻踵。張家強[4]通過室內模型試驗研究了自由落砂條件下填土寬高比對無黏性砂土平動模式被動滑裂帶的影響，不同寬高比填土被動滑裂帶均為通過墻踵的曲線。楊明輝等[5]基于室內模型試驗研究了自由落砂條件（最小壓實度）下無黏性土體在擋墻3 種主動變位模式下有限寬度土體破壞模式，得出不同試驗條件下有限寬度砂土的滑裂帶均為一連續曲面；當墻體平動及繞墻頂轉動時，滑裂帶始終通過墻踵，當墻體繞墻底轉動時，滑裂帶為不通過墻踵的局部破壞面。應宏偉等[6]在自由落砂填筑條件下進行了剛性擋墻平動模式室內模型試驗，利用顆粒圖像測速技術（PIV）分析不同寬高比砂土滑裂帶均為通過墻踵的曲線。

可見，目前針對墻后滑裂帶的模型試驗研究，均采用自由落沙法（最小壓實度）填筑墻后填土，未考慮其壓實度對滑裂面形態特征的影響，目前也未見有采用模型試驗方法研究填土壓實度對滑裂帶特征影響的相關文獻。為此，本文基于自主研發的剛性擋墻模型試驗裝、數字圖像相關法（Digital Image Correlation，DIC）及GOM 軟件，采用無黏性砂土作為墻后填料，針對填土壓實度這一影響因素，展開擋墻平動變位模式（TT 模式）下的模型試驗，探尋壓實度對無黏性填土主動滑裂帶特征的影響規律。

1 模型試驗

1.1 裝置

本試驗利用自主研制的模型裝置系統[7]，如圖1所示。該裝置系統由填土箱、活動擋墻、固定擋墻、活動擋墻變位控制系統、圖像采集與處理系統組成。填土箱為鋼結構長方體，箱體正面為透明鋼化玻璃，以實現試驗過程中的即時觀察、動態拍照及后期分析?；顒訐鯄?6 mm 厚鋼板，鋼板外側上、下各焊接鉸接支座，分別與上、下傳動軸鉸接。固定擋墻為12 mm厚鋼板，箱內每隔10 cm 設置固定卡位，用來放置固定擋墻，以此實現不同的填土寬度?；顒訐鯄ψ兾豢刂葡到y由上下兩套性能相同的三相異步電機、齒輪傳動軸、電控箱、固定電機支架等組成，動力推進速度為0.02 mm/s，可實現活動擋墻平動（TT 模式）、擋墻繞墻頂轉動（RT 模式）、繞墻底轉動（RB 模式）3種變位模式，活動擋墻變位模式可通過電控箱上的按鈕控制實現。圖像采集與處理系統由高清數碼相機、無影光源、計算機與數據采集處理軟件等組成，完成連續拍照、圖像采集與處理分析等。

圖1 剛性擋墻模型裝置系統

1.2 試驗填料

試驗所用填料為無黏性砂土，取自岳陽東洞庭湖，粒徑主要集中在0.5～2 mm 之間，其不均勻系數Cu=2.9，曲率系數Cc=1.4，為級配不良的粗砂土。另經室內試驗測得，該砂土的內摩擦角（自然休止角）為35.6°，最大干密度ρdmax=1.72 g/cm3，風干含水量為1.3%，自由落砂條件下其密度為ρ0=1.42 g/cm3。經計算，自由落砂條件下的干密度ρd0=1.40 g/cm3、壓實度λ=81.3%。

1.3 試驗方法及步驟

準備填土箱：啟動電控箱面板上按鈕，將活動擋墻調至起始位置；選擇合適卡槽，將固定擋墻壁插入卡槽內，使活動擋墻與固定擋墻間凈距離滿足試驗方案要求。

填筑砂土：分層沖擊填筑砂土至土層厚度滿足試驗方案要求，每一分層擊實厚度為10 cm。沖擊前，每一分層虛鋪高度11～13 cm，在其上放置一塊面積與填土箱俯視面積相近的厚度為2 cm 的鋼板，連續沖擊完成方案約定的沖擊次數后，移出鋼板，整平每一分層厚度至10 cm，并在貼近玻璃面鋪設一條黑色砂線，如圖1 所示。每一分層填筑均按上述方法進行，直至填土厚度滿足試驗方案要求。

將高清相機、無影光源、計算機等布設在合適的位置，設置好相機拍攝頻率，關閉室內燈光及窗簾，營造室內暗室效果。同時按下拍照按鈕、電控箱面板上變位模式按鈕，活動擋墻在位移過程中，相機按每張0.5～1 s 的頻率同步拍照、同步存入電腦或存儲卡。

當活動擋墻位移達到設定條件或箱內色砂發生明顯錯動或填土表面出現明顯裂縫和沉降時，可結束試驗。

打開箱底漏砂圓孔，將模型箱內砂土全部移至箱外，用電子稱稱重，用砂土質量除以砂土體積，可得填筑土密度，然后根據試驗砂土的最大干密度及風干含水量，即可計算出不同沖擊次數填土的壓實度λ。

1.4 試驗方案

為了研究墻后填土壓實度λ對平動模式主動滑裂帶的影響，設計了如表1 所示的試驗方案。本試驗方案包括3 類試驗：自由落砂條件（最小壓實度）下臨界寬高比ncr的確定試驗（表1 中序列1）、壓實度λ對有限土體（n=0.2）主動滑裂帶的影響試驗（表1 中序列2）、壓實度λ對半無限土體（n=0.5）主動滑裂帶的影響試驗（表1 中序列3）。

表1 試驗方案

2 成果分析

基于數字圖像測量技術，采用GOM 軟件分析墻后填土變形過程的系列圖像，獲得填土剪應變隨擋墻位移的動態發展過程、不同時刻對應的剪應變云圖，揭示滑裂帶的發展形成過程及其特征。

2.1 自由落砂條件（最小壓實度）下的臨界寬高比

為了獲得自由落砂條件（最小壓實度為81.3%）下，平動模式有限與半無限填土臨界寬高比ncr，設計寬高比n分別為0.2、0.3、0.4、0.5、1.0 的模型試驗。

經數據分析，獲得了不同寬高比填土達到完全破壞狀態時的剪應變云圖，如圖2 所示。結合剪應變云圖色度的漸變趨勢及色砂線的變形特點，即可判斷主動滑裂帶所在部位為圖中虛線標注處。

圖2 自由落砂條件下滑裂帶隨寬高比n 的變化規律

由圖2 可知：①當寬高比n=0.5 或1.0 時，滑裂帶為起于墻踵止于填土面的近似直線型條帶，滑裂帶未碰觸固定擋墻，直接從填土面出露，此時墻后填土滿足半無限條件；②當寬高比n=0.3 或0.4 時，滑裂帶為2 段連成的起于墻踵止于填土面的折線型條帶，滑裂帶先碰觸固定擋墻，然后反射到填土面出露，此時墻后填土為有限土體；③當寬高比n=0.2 時，滑裂帶為3段連成的起于墻踵止于填土面的折線型條帶，滑裂帶先碰觸固定擋墻，然后反射到活動擋墻，再由活動擋墻反射到填土面出露，墻后填土為有限土體。

綜上認為：①自由落砂條件下，平動模式半無限、有限填土臨界寬高比ncr介于0.4～0.5 之間；②半無限土體主動滑裂帶為近似直線型，寬高比n的變化對滑裂帶特征無明顯影響；③有限土體主動滑裂帶為折線型，隨寬高比n的減小，組成滑裂帶的直線段數越多，同時第1 段與固定擋墻的交點越低；④當壓實度一定時（自由落砂條件下的壓實度為81.3%），寬高比n是影響滑裂帶型式（直線型或折線型）的主要因素，但寬高比n對主動滑裂帶各段傾斜度無明顯影響。

2.2 壓實度對有限土體主動滑裂帶的影響

以自由落砂條件下寬高比n=0.2 時的有限土體為例，探尋填土壓實度λ對平動模式有限土體主動滑裂帶的影響。各組模型試驗設計壓實度λ分別為81.3%、84.5%、89.7%、94.3%，各組試驗填土達到主動破壞狀態時的剪應變云圖及滑裂帶如圖3 所示。

圖3 壓實度對有限土體（n=0.2）主動滑裂帶的影響

由圖3 可知，對于寬高比一定時的自由落砂條件下的有限土體（n=0.2），隨壓實度λ的變化，其滑裂面有如下特點：①當λ=81.3%（自由落砂）時，滑裂帶為3 段組成的折線；當λ=84.5%時，滑裂帶為2 段組成的折線；當λ≥89.7%時，滑裂帶為近似直線。②隨壓實度λ的增大，自由落砂條件下的有限土體（n=0.2）滑裂帶由折線型逐漸過渡至近似直線型，滑裂帶段數由3段減少為2 段直至1 段。③當λ≥89.7%時，自由落砂條件下的有限土體（n=0.2）轉變成了半無限土體；當λ≤84.5%時，仍為有限土體。即此時有限、半無限土體臨界壓實度λcr介于84.5%～89.7%之間。

綜上可得：寬高比n一定時，隨壓實度λ的增大，墻后填土由有限土體逐步轉變為半無限土體，即臨界寬高比隨壓實度的增大而減小。故判斷墻后填土為有限或半無限土體的依據，除了眾多文獻認可的寬高比n之外，壓實度λ亦是區分有限、半無限土體的重要因素。

2.3 壓實度對半無限土體主動滑裂帶的影響

以自由落砂條件下的半無限土體（寬高比n=0.5）為例，探尋填土壓實度對半無限土體主動滑裂帶的影響。設計6 組模型試驗，對應的壓實度分別為81.3%、85.0%、88.1%、90.5%、93.3%、95.1%。6 種壓實度填土達到破壞狀態時的剪應變云圖及滑裂線，如圖4所示。

圖4 壓實度對半無限土體（n=0.5）主動滑裂帶的影響

由圖4 可知：①自由落砂條件下的半無限土體（n=0.5），不同壓實度λ下滑裂帶均為近似拋物線的曲線，均起始于墻踵止于填土面；②隨著填土壓實度λ從自由落砂條件的最小值（81.3%）逐漸增大至95.1%，滑裂線逐漸變陡，滑裂體體積逐漸減小，但其墻后填土仍為半無限土體。

3 結論

利用自主研制的模型試驗裝置，開展不同壓實度填土平動模式下主動模型試驗，主要結論如下。

自由落砂條件下（最小壓實度），平動模式半無限、有限砂土臨界寬高比ncr介于0.4～0.5，當寬高比n≤0.4 時，有限土體主動滑裂帶為由2～3 條直線段構成的起于活動擋墻墻踵止于填土面的折線，當寬高比n≥0.5 時，半無限土體主動滑裂帶為一條起于活動擋墻墻踵止于填土面的直線。

隨壓實度λ的增大，自由落砂條件下的有限土體（以寬高比n=0.2 為例），其主動滑裂帶由折線逐漸變為單一直線，這說明自由落砂條件下的有限土體隨壓實度的增大而逐漸變為半無限土體，其壓實度臨界值介于84.5%～89.7%。

隨壓實度的增大，自由落砂條件下的半無限土體（以寬高比n=0.5 為例），主動滑裂帶逐漸變陡，滑裂體體積逐漸變小，其滑裂線為近似拋物線的曲線。

試驗結果表明：墻后填土主動滑裂帶形態特征不僅受填土寬高比n的影響，也受填土壓實度λ的影響。填土寬高比n一定時，主動滑裂帶隨壓實度的不同而明顯不同，臨界寬高比ncr隨壓實度λ的增大而減小。