周亦濤,梁小勇,王蓉蓉,薛曉輝,王道遠

(1.河北工程技術高等專科學校水利工程系,河北滄州 061001;2.河北科技大學建筑工程學院,河北石家莊 050018;3.陜西鐵路工程職業(yè)技術學院建筑工程系,陜西渭南 714000;4.河北交通職業(yè)技術學院土木工程系,河北石家莊 050091)

工作狀態(tài)下加筋土擋墻土壓力分布規(guī)律研究

周亦濤1,梁小勇2,王蓉蓉1,薛曉輝3,王道遠4

(1.河北工程技術高等專科學校水利工程系,河北滄州 061001;2.河北科技大學建筑工程學院,河北石家莊 050018;3.陜西鐵路工程職業(yè)技術學院建筑工程系,陜西渭南 714000;4.河北交通職業(yè)技術學院土木工程系,河北石家莊 050091)

加筋土擋墻墻背側向土壓力的計算方法都不能很好地解釋工作狀態(tài)下的分布情況,現場測試表明土壓力沿墻高呈上下小、中間大的形式分布。微元體法得出的重力式擋墻墻背主動土壓力與靜止土壓力分布形式與加筋土擋墻現場測試結果比較接近,然而2種土壓力進行組合后,分布形式吻合得非常好,但大小相差比較大。綜合考慮了拉筋垂直層間距與填料的影響,提出了加筋土擋墻墻背土壓力計算模型,并對模型中的拉筋層豎向間距對加筋土擋墻墻背土壓力的影響系數進行了初步探討,然后與現場測試結果進行了對比分析,證實了該模型的合理性。

側向土壓力;加筋土擋墻;土壓力系數;豎向間距

加筋土擋墻設計的關鍵是拉筋拉力的計算,而拉筋拉力是用來抵消墻背土壓力的[1]。因此,加筋土擋墻設計的關鍵實質上是怎樣確定墻背土壓力。墻背土壓力的計算,目前有庫侖合力法、庫侖力矩法、正應力均勻分布法、正應力梯形分布法、正應力梅氏分布法、Osman能量法、經驗法和公路變系數法[2]等,都是對朗肯土壓力理論進行修正,且填土表面有荷載下土中應力的影響都是按一定的角度擴散的[3]。其中公路變系數法較其他方法能合理解釋一些實際土壓力分布情況,因而在加筋土擋墻設計中得以廣泛應用。但這些計算理論都是基于極限平衡理論的,而擋墻在工作狀態(tài)下并沒有達到極限狀態(tài),因而加筋土擋墻墻背土壓力分布非上述理論能解釋。

許多研究人員用微元體法對處在主動極限狀態(tài)下的滑楔體進行了研究,得出了墻背土壓力沿墻高呈上下小、中間大的曲線分布公式[4～9]。目前,加筋土擋墻現場測試研究結果表明墻背土壓力沿墻高呈上下小、中間大的分布形式[10,11],因而筆者將利用他們的研究成果,并對筋材豎向間距加以考慮,來對加筋土擋墻墻背側向土壓力分布進行探討。

1 重力式擋墻墻背土壓力

假設擋墻高 h(m),填土表面水平且有均布荷載q(kN/m),無黏性填土容重為γ(kN/m3)。墻后填土沿破裂角為θ的破裂面沿下有滑動趨勢,其微元體受力如圖1所示[4]。

距離填土表面z處的擋墻墻背土壓力按王元占等推導的公式[4]計算:

圖1 填土微元體受力簡圖Fig.1 Forces acting on differential element of backfill

2 加筋土擋墻墻背土壓力計算

2.1 工作狀態(tài)下的墻背側向土壓力計算

工作狀態(tài)下,擋墻墻背土壓力一般處在主動土壓力與靜止土壓力之間,且沿墻高呈上下兩端小、中間大的曲線分布[4～9],擋墻總會出現一定的位移(可能是平移、繞墻趾轉動)[7,12],墻趾處位移微小。筆者認為墻趾處不發(fā)生位移,墻頂處為主動土壓力,墻趾處為靜止土壓力,則可按式(4)來計算墻背土壓力(簡稱組合法土壓力)。

式中:σL為距離填土表面 z處的重力式擋墻墻背側向土壓力;σa按式(2)計算;σ0按式(3)計算。

式(4)適合于計算重力式擋墻背向填土的位移情況;也適合于加筋土擋墻,因為加筋土擋墻一般來說不會發(fā)生擠壓填土的情況。

2.2 加筋土擋墻墻背土壓力計算模型

式(4)計算得出的加筋土擋墻墻背側向背土壓力偏大,這是因為該計算式沒有考慮筋材的作用。筆者在考慮拉筋豎向層間距影響的情況下,建立了如式(5)所示的模型來計算加筋土擋墻墻背土壓力(簡稱加筋組合法土壓力)。

式中:σ為距離填土表面z處的加筋土擋墻背側向土壓力;f(s)為加筋土擋墻土壓力拉筋豎向間距影響系數,f(s)=1-e-λs,λ為由填土與筋材物理特性所決定的系數,且λ>0;s為拉筋層間距;σL按式(4)計算。

2.3 模型的合理性分析

由于λ>0,則d f(s)/d s>0,所以加筋土擋墻墻背土壓力隨筋材豎向間距的增加而增加。

當s=0時,f(0)=0,則有σ=0。這說明墻后全是筋材而沒有填土的時候,墻背沒有壓力,這與筋材的自立性相符合。

當s→+∞時,f(+∞)=1,則有σ=σL。即加筋土擋墻墻背土壓力隨筋材豎向間距的增加而增加,且有界。說明沒有拉筋的時候墻背土壓力就是重力式擋墻墻背土壓力。

由于筋材豎向間距s的取值為(0,+∞),則加筋土擋墻墻背土壓力σ的相應取值為(0,σL)。以上的討論,說明了式(5)計算加筋土擋墻墻背土壓力的合理性。

2.4 模型中參數λ的確定

模型中的參數λ與回填土的物理特性及筋材的物理特性有關。填土壓縮模量與內摩擦角越大,筋土間相互作用越大,墻背土壓力也越大;筋材的彈性模量越大,墻背土壓力越小。則擬將按式(6)確定參數λ。

式中:Ef為筋材的彈性模量(M Pa);Es為回填土的壓縮模量(M Pa);vs為回填土的泊松比。

沒有材料的物理參數時,對土工格柵拉筋加筋土擋墻可以取λ=2.5。當s=1時,f(1)=1-e-2.5×1=0.92≈1,這說明拉筋層間距不宜大于1 m。

2.5 模型的試驗驗證

例1 贛(州)龍(巖)鐵路線上某段加筋土擋墻,墻高 h=12.2 m,填土表面荷載 q=0,墻體上部4.7～12.2 m,填土容重γ=17 kN/m3,內摩擦角φ=22°,彈性模量 Es=25 M Pa,泊松比 vs=0.3,拉筋采用A型,其彈性模量 Ef=2 515 M Pa;墻體下部0～4.7 m填土容重γ=19.2 kN/m3,內摩擦角φ=35°,彈性模量Es=55 M Pa,泊松比 vs=0.3,拉筋采用B型,其彈性模量 Ef=2 017 M Pa。整個擋墻的拉筋豎向間距s=0.5 m,這里取填土與墻背之間的摩擦角δ=φ/2[13]。

表1 土壓力參數計算結果Tab.1 Parameters calculation of lateral soil p ressure

參數計算結果見表1,加筋土擋墻竣工后墻背側向土壓力實測值與理論值的比較見圖2。從圖2可以看出,實測值與理論值相當接近,差值都在5 kPa左右,實測與理論最大值基本上在同一高度,且中下部土壓力較大處誤差相差10%左右,說明加筋土擋墻墻背土壓力實測值與理論值非常吻合。因此,加筋組合法土壓力能有效反映工作狀態(tài)下的墻背土壓力分布。

例2 梅(州)坎(市)鐵路某路堤雙級加筋土擋墻上級墻,墻高 h=6.4 m,填土容重γ=19 kN/m3,內摩擦角φ=35°,拉筋豎向間距 s=0.3 m[14,15]。其他參數缺失 ,取 q=20 kPa,δ=φ/2,λ=2.5,則f(s)=0.528。理論計算與實測值的比較見圖3,實測最大值與理論值相當接近,其誤差在10%以內。從圖3可以看出,本模型計算出的土壓力對臺階式加筋土擋墻上級墻也是比較有效的。

圖2 加筋土擋墻側向土壓力分布圖Fig.2 Distribution of lateral soil p ressure of reinforced earth retaining wall

從以上2個例子可以看出,筆者的模型計算值都大于實測值,因此本模型是偏于安全的,可以用于指導施工與設計。

3 結 論

通過以上的研究分析,得出如下結論。

1)筆者提出的加筋土擋墻墻背側向土壓力計算模型較好地反映了土壓力隨墻高呈中間大、上下小的分布規(guī)律,即土壓力先隨加筋填土深度的增加而增加,達到最大值后便開始減小。對單級加筋土擋墻,本模型與實測值吻合得尤其好,不但分布形式一致,而且?guī)缀踉谕晃恢贸霈F最大值。

2)本模型計算值與實測值相當接近,在中部出現最大值處誤差在10%左右。且筆者提出的加筋組合法土壓力值都比實測值大,是偏于安全的,可以用于指導施工設計。

3)拉筋豎向間距影響系數隨豎向間距的增加而增加,墻背土壓力也隨著增加,但豎向間距大于1 m后影響系數增加很微小,土壓力也基本上沒有什么變化。因而拉筋豎向間距不宜大于1 m。

4)筆者的研究只是一種嘗試,需要大量的試驗來進一步研究。

圖3 多級臺階式加筋土擋墻側向土壓力分布圖Fig.3 Distribution of lateral soil p ressure of multi-steps reinforced earth retaining wall

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Study on distribution of working lateral soil p ressures fo r reinfo rced earth retaining w all

ZHOU Yi-tao1,L IANG Xiao-yong2,WANG Rong-rong1,XUE Xiao-hui3,WANGDao-yuan4
(1.Department of Hydraulic Engineering,Hebei Engineering and Technical College,Cangzhou Hebei 061001,China;2.College of A rchitecture Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei050018,China;3.Department of Civil Engineering and A rchitecture,Shaanxi Railway Institute,Weinan Shaanxi714000,China;4.Departmentof Civil Engineering,Hebei Jiaotong Vocational and Technical College,Shijiazhuang Hebei 050091,China)

A t p resent,no methods fo r lateral soil p ressure of reinfo rced earth retaining wall can explain the distribution of wo rking p ressure.The site tests show that the lateral soil p ressure is distributed w ith greater value in the middle and less though at the bo ttom and the top.The distribution of the active and static soil p ressure in the gravity retaining wall,w hich is obtained acco rding to differential element method,is quite close to the site tests of the lateral soil p ressure in reinforced earth retaining wall.The linear combination of the active and static soil p ressure is consistent w ith the site test in shape,but not in values.Acco rding to soil p ressure combination,lateral soil p ressuremodel considering vertical spacing of in reinforced earth retaining wall was put forward.This paper discusseed influence coefficient of the vertical spacing of the reinforcement to the lateral soil p ressure in reinfo rced earth retaining wall.Then the model was confirmed by the site tests and the results show the reasonability of the model.

lateral soil p ressure;reinfo rced earth retaining wall;coefficient of earth p ressure;vertical spacing

TU 43

A

1008-1542(2010)01-0067-04

2009-06-15;責任編輯:馮 民

周亦濤(1978-),男,四川宣漢人,講師,碩士,主要從事土木工程方面的教學與研究。