佘志清

(中鐵五局集團機械化公司， 衡陽 421000)

高加筋土擋土墻墻背土壓力測試研究

佘志清

(中鐵五局集團機械化公司， 衡陽 421000)

目前加筋土擋土墻通常采用0.3H法進行工程設計，這種方法在低矮擋墻設計中得到了成功的應用，但當墻高較大時, 墻體的實際狀態(tài)與0.3H法的假設存在較大差異。文章通過7 m、10 m、12 m 3個不同高度加筋土擋墻斷面的現(xiàn)場測試，圍繞拉筋拉力、墻背土壓力進行分析研究，得到了加筋土擋土墻拉筋拉力沿拉筋長度方向的分布規(guī)律和墻背土壓力的分布規(guī)律，顯示墻背的側(cè)向土壓力分布呈現(xiàn)鋸齒形。經(jīng)過對測試數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)設計計算結(jié)果進行比較，認為0.3H法用于低矮加筋土擋土墻與實測結(jié)果比較接近，但用于高墻的設計結(jié)果過于保守，采用經(jīng)驗公式來計算其加筋墻的側(cè)向土壓力更合適。

高加筋土擋墻； 拉筋拉力； 側(cè)向土壓力； 0.3H法

加筋土擋土墻是一種自重輕、抗震性能好的路基支擋結(jié)構(gòu)。與其他剛性擋土墻相比，在地震地區(qū)它更能適應結(jié)構(gòu)抗震的要求。在承載力較低的軟土地區(qū)，它更能適應地基的變形，因而目前在鐵路、公路建設工程中應用較多。

目前的工程設計中，加筋土擋土墻的設計方法通常采用極限平衡方法。這種方法是根據(jù)具體工程條件，通過假定破裂面位置、形狀等，利用力的平衡方程計算結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。采用極限平衡理論進行加筋土擋墻的設計，必須解決墻面板后側(cè)向土壓力的大小和分布、加筋土擋墻的破裂面形狀和位置等主要問題。本文對高度為7 m、10 m和12 m的3個加筋土擋土墻斷面進行現(xiàn)場測試，分析了高加筋土擋墻墻背土壓力分布規(guī)律，并對目前國內(nèi)外普遍采用的0.3H法進行了討論。

1 0.3H法及存在的問題

目前國內(nèi)設計規(guī)范中普遍采用的方法是基于試驗和實際工程經(jīng)驗的0.3H法，設計示意如圖1所示。

圖1 0.3H法加筋墻設計示意圖

這種方法做了以下的基本假設：

(1)認為破裂面分為兩段，在墻高H/2以上為距離墻面板0.3H的豎直線，下段為與水平方向成45+φ/2角度的斜直線。

(2)拉筋上拉力最大值在距面板一定距離處，與潛在破裂面位置一致，該最大拉力分擔了墻背后的側(cè)向土壓力。

(3)墻背側(cè)向土壓力在6 m以下為主動土壓力KA，從墻高6 m向上漸變至頂端靜止土壓力K0。

(4)認為豎向土壓力均勻分布于拉筋帶表面。

由以上假設，根據(jù)極限狀態(tài)時拉筋拉力與墻背側(cè)向土壓力的平衡條件，可以得到拉筋的最大張力及可以產(chǎn)生的最大粘結(jié)力。

上述方法在低矮擋墻的設計中得到了成功的應用，但根據(jù)它的假設，我們不難看出其墻背填料的內(nèi)摩擦角φ被限定為固定值，忽略了填料實際內(nèi)摩擦角的大小，這顯然是不符合實際的。另外這種方法是關(guān)于8 m及以下的低矮加筋墻的工程試驗和模型試驗總結(jié)得到的，對于高加筋土擋墻，墻體的實際狀態(tài)與0.3H法的假設存在較大差異。

2 試驗概況

本次試驗選擇了加筋土擋墻斷面進行測試，所選擇的試驗斷面墻高分別為7 m、10 m、12 m，其中斷面A和C墻后采用CAT30020C型鋼塑復合筋帶，破斷拉力為12 kN，延伸率小于1%，填料為山砂，墻面板為C25型十字形混凝土面板。斷面A筋帶按7 m等長布置；斷面C下部4 m的筋帶長8 m，上部的筋帶長12 m。斷面B墻后采用CAT30020B型鋼塑復合筋帶，破斷拉力為10.53 kN，延伸率為1.6%，筋帶按12 m等長布置，填料為風化泥巖，墻面板為CB-2型矩形混凝土面板。

本次測試主要圍繞拉筋拉力、墻背土壓力進行。拉筋拉力的測試通過貼在拉筋上的應變片獲得。墻背土壓力由靠近墻面并排布置的兩根拉筋拉力通過換算得到，認為這兩根拉筋分擔了墻背承受的側(cè)向土壓力。測試點布置，如圖2所示。

圖2 測試斷面布置圖

圖3 實測拉筋拉力分布圖

3 試驗分析

3.1 拉筋拉力

試驗結(jié)果表明，拉筋上拉力一般均在2 kN以內(nèi)，而拉筋的設計允許最大拉力為6 kN，破斷拉力在10 kN以上，另外拉筋可以產(chǎn)生的極限抗拔力也遠大于拉筋上的最大拉力，這些表明目前墻體內(nèi)部穩(wěn)定性的設計比較保守，不會發(fā)生拉筋破斷破壞。同時實測拉筋拉力分布，如圖3所示，拉筋上普遍存在兩個或兩個以上的拉力峰值，且存在筋帶受壓的現(xiàn)象。

分析認為，加筋土擋土墻拉筋拉力多峰值為正?，F(xiàn)象。第一個峰值是加筋區(qū)內(nèi)部拉筋拉力破壞或粘結(jié)破壞的潛在破壞面的位置，第二個峰值是當墻高大于一定數(shù)值后，不僅只在墻趾附近產(chǎn)生一個破裂面，還在加筋土擋土墻內(nèi)部形成一個破裂楔體，拉筋一部分位于潛在滑動楔體上，另一部分在穩(wěn)定體上，為保持平衡，則將出現(xiàn)第二個峰值。潛在破壞面位置，如圖4所示。

圖4 潛在破壞面位置

對加筋土擋墻的設計，特別是高加筋土擋土墻，應該充分考慮到這一點，可以采用與破裂楔體法類似的平衡分析方法。

此外，測試數(shù)據(jù)顯示，拉筋局部沒有受到張拉反而受壓。分析其原因可能有：一是施工中的因素(如填料不夠均勻、鋪設筋帶的土層表面不夠平整、施工機具碾壓等)會導致柔性筋帶受壓受扭，而不是理想的單純受拉狀態(tài)，從而導致電阻應變片測出的拉力是筋帶在多種作用下產(chǎn)生的合力；二是在加筋墻內(nèi)可能存在兩個潛在的破裂面，形成兩個破裂楔體，當兩者位移不一致時(如前者位移小，后者位移大)，形成局部擠密區(qū)，不同的擠密區(qū)產(chǎn)生的位移往往不一致，這種不均勻變形會導致筋帶受壓。

3.2 墻背土壓力分布

對高加筋土擋墻的墻背土壓力分布，M.D.Bolton教授曾經(jīng)采用離心機試驗結(jié)果擬合，得到其分布情況符合經(jīng)驗公式：

式中：Ei——墻背側(cè)向土壓力(kN)；Ka——主動土壓力系數(shù)；L——筋帶長度(m)；H——墻高(m)；γ——填料容重(kN/m3)；hi——第i條筋帶與墻頂?shù)木嚯x(m)。

為了便于比較，將3個斷面的實測墻背土壓力分布及0.3H法、經(jīng)驗公式的計算結(jié)果進行對比，如圖5～圖7所示。

圖5 斷面A(墻高7 m)墻背側(cè)向土壓力

圖6 斷面B(墻高10 m)墻背側(cè)向土壓力

圖7 斷面C(墻高12 m)墻背側(cè)向土壓力

從圖5～圖7中可以看出它有以下幾個特點：

(1)實測土壓力的分布呈明顯的鋸齒形，這反映了加筋土擋墻的兩個特點：一是由于相鄰兩層拉筋之間形成承壓土拱，如圖8所示，卸掉了來自墻背的土壓力；二是由于加筋墻的墻面為柔性結(jié)構(gòu)，發(fā)生的位移由墻面的整體位移(公移)和墻面板因為自身軸線與整體墻面的軸線不重合而產(chǎn)生的位移(自移)兩部分組成(如圖9所示)，從而使墻背側(cè)向土壓力呈鋸齒狀。

圖8 拉筋間土體承壓拱示意圖

圖9 墻面板位移示意圖

(2)總體上看，側(cè)向土壓力的外輪廓線呈現(xiàn)上下兩端小、中間大的趨勢，這與一般擋土墻背后土壓力分布規(guī)律一致。當墻高越大時，墻后側(cè)向土壓力在下部變小的趨勢越明顯，甚至接近于零。

比較圖5～圖7中的實測值與計算值可知，面板后的側(cè)向土壓力隨埋深減小的趨勢非常明顯，按0.3H法計算值在墻高為7 m時與實測結(jié)果比較接近， 而對于墻高為10 m和12 m的斷面， 0.3H法的計算結(jié)果與實測相差過大，過于保守，采用經(jīng)驗公式的結(jié)果更合理一些。

4 結(jié)束語

通過現(xiàn)場試驗及對結(jié)果分析比較可以得出以下結(jié)論：

(1)對于高大加筋土擋土墻，設計時應該考慮兩個破裂楔體的存在，分別檢算。

(2)墻背的側(cè)向土壓力分布呈現(xiàn)鋸齒形，整體趨勢為中間大，兩端小，對于高加筋土擋墻，土壓力在下部減小的趨勢更明顯。

(3)0.3H法用于低矮加筋土擋土墻設計，計算結(jié)果與實測結(jié)果比較接近，但用于高墻的設計，計算結(jié)果過于保守。采用經(jīng)驗公式來計算高加筋土擋土墻的側(cè)向土壓力更合適。

以上結(jié)論是對試驗數(shù)據(jù)定性分析的結(jié)果，若要將其定量應用于工程設計還需要更進一步的試驗研究。

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Testing Study on Earth Pressure of High Reinforced Earth Retaining Wall

SHE Zhiqing

(China Railway No.5 Engineering Group Co.,Ltd.,Hengyang 421000， China)

0.3H method is usually used for reinforced retaining wall design now. This method has been successfully applied in the design of low retaining wall, but there is a big difference between the actual state of the high wall and the assumption of the 0.3H method. In this paper, three reinforced earth retaining wall sections with height of 7 m, 10 m, and 12 m are tested at site. The tensile force of the tied reinforcement and back earth pressure are analyzed, the distribution pattern of the tensile force of the tied reinforcement along the tied reinforcement length direction as well as that of wall back earth pressure are obtained, which shows that the lateral earth pressure distribution on the wall back is zigzag. Through comparing between the test data and the traditional design results, it is considered that the 0.3H method used for low reinforced earth retaining wall is more close to the measured results, but too conservative for high retaining wall design, using the empirical formula to calculate the lateral soil pressure of high retaining wall is more appropriate.

high reinforced earth retaining wall; tensile force of the tied reinforcement; lateral earth pressure; 0.3H method

2016-03-08

佘志清(1971-)，男，高級工程師。

1674—8247(2016)03—0038—04

U417.3

A