■盧建亮

(三明市公路養(yǎng)護中心將樂分中心，三明 365000)

0 前言

擋土墻是公路工程中廣泛使用的一種防止路基填土或山坡土體變形失穩(wěn)的構(gòu)造物。近年來，福建山區(qū)公路邊坡的穩(wěn)定性正經(jīng)受著頻繁出現(xiàn)的極端天氣的嚴(yán)峻考驗，同時也對快速修復(fù)受損邊坡、 縮短開放交通時間提出了更高的要求。

模塊化設(shè)計與預(yù)制拼裝技術(shù)是目前實現(xiàn)快速施工的基本途徑。作為修復(fù)受損邊坡的重要手段，新型的預(yù)制拼裝擋土墻結(jié)構(gòu)不僅需要具有施工效率高、 可實現(xiàn)短時修復(fù)的功能，同時又應(yīng)具備良好的工作性能，以滿足正常使用的要求。目前，國內(nèi)外已發(fā)展出多種形式的預(yù)制拼裝擋土墻，例如格賓網(wǎng)箱擋土墻[1]、預(yù)制塊材Golcon 體系[2]、MSE 擋土墻[3]及SRW 擋土墻體系[4]等。 上述各類預(yù)制拼裝擋土墻雖實現(xiàn)了擋土墻的預(yù)制拼裝，但在模具精度、施工配套措施等方面有著不同程度的要求。 作者團隊提出了一種新型的預(yù)制拼裝箱形重力式擋土墻[5]，其構(gòu)造簡單，施工便捷，適用于福建山區(qū)公路邊坡水毀擋土墻的快速搶修等場合。

為明確新型預(yù)制拼裝箱形重力式擋土墻在不同荷載工況下的強度和穩(wěn)定性， 本文設(shè)計制作了1∶1 的足尺模型， 開展模擬福建山區(qū)公路邊坡重力式擋土墻典型受力工況的靜載試驗， 對新型預(yù)制拼裝擋土墻的整體工作性能以及聯(lián)接構(gòu)造的局部性能等進行試驗檢驗， 從而為其推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 新型預(yù)制拼裝箱形重力式擋土墻簡介

新型預(yù)制拼裝箱形重力式擋土墻由“田”字形空心箱形預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)件、 底部箱形預(yù)制件和預(yù)制底板三部分組成[5]，如圖1 所示；各預(yù)制件均采用素混凝土制作，為防止預(yù)制件開裂，按相關(guān)規(guī)范[6]配有構(gòu)造鋼筋；各預(yù)制件均采用榫接方式聯(lián)結(jié)。

圖1 新型擋土墻各預(yù)制件示意圖

1.2 模型設(shè)計及制作

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)[7]的相關(guān)規(guī)定，重力式擋土墻墻高不宜超過12m，且干砌擋土墻的高度不宜超過6m。 基于安全性考慮，本文將應(yīng)用于公路邊坡的新型預(yù)制拼裝箱形重力式擋土墻的墻高范圍限制在8m 以內(nèi)，并在進行試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計時，以8m 高的福建山區(qū)公路上邊坡重力式擋土墻為對象； 根據(jù)前期對新型預(yù)制拼裝箱形重力式擋土墻的設(shè)計計算成果， 初步擬定了各預(yù)制件的基本尺寸[5]。

為對新型預(yù)制拼裝重力式擋土墻的整體工作性能以及聯(lián)接構(gòu)造的局部性能等進行可靠檢驗， 本文采用1:1的足尺模型。參考文獻[5]，本文設(shè)計了用于試驗的新型預(yù)制拼裝擋土墻的各預(yù)制件尺寸：

(1) 預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)件尺寸為長2.0m×寬2.2m×高2.0m，如圖2(a)所示；

(2) 底部箱形預(yù)制件與底板相接部分的尺寸為長2.0m×寬2.6m×高2.0m；其余部分的尺寸與預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸相同，如圖2(b)所示；

(3)預(yù)制底板尺寸為長2.0m×寬3.0m×高0.3m，如圖2(c)所示。

圖2 各預(yù)制件尺寸

各預(yù)制件均采用素混凝土澆筑， 設(shè)計混凝土強度等級為C30，重度為25kN/m3；為保證各預(yù)制件之間的可靠聯(lián)接，在各預(yù)制件上均設(shè)計了凹凸榫頭構(gòu)造(見圖2)。 按圖2 加工制作了各預(yù)制件， 經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護后最終在福州大學(xué)土木工程多災(zāi)害防治重點實驗室內(nèi)完成了各預(yù)制件的拼裝，如圖3 所示；拼裝后的足尺模型總高度為4m，用于模擬8m 高重力式擋土墻受力最不利的下半部分。

本文采用容重約為1600～1800kg/m3的雜填土填筑模型的空心部分，并充分壓實，從而形成重力式擋土墻結(jié)構(gòu)的足尺模型。

圖3 拼裝后的足尺試驗?zāi)Ｐ?/p>

1.3 試驗加載裝置與加載工況

本試驗主要模擬對象為福建山區(qū)上邊坡8m 高重力式擋土墻， 同時也考察新型預(yù)制拼裝重力式擋土墻對于下邊坡的適用性。 為模擬8m 高的重力式擋土墻的實際受力行為，采用了圖4(a)所示的加載裝置：其中，豎向千斤頂F1 及重量為110kN 的混凝土配重塊用于模擬足尺模型頂面所受到的結(jié)構(gòu)自重(對應(yīng)8m 高重力式擋土墻在4m 高度橫截面所受的實際結(jié)構(gòu)自重)；為模擬8m 高重力式擋土墻實際受到的墻背土壓力， 設(shè)計制作了試驗專用鋼箱，并在鋼箱內(nèi)裝填干燥的沙粒，同時，通過水平向千斤頂F2 和豎向千斤頂F3 來模擬8m 高重力式擋土墻實際受到的墻背土壓力(見圖4(b))。

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)[7]的相關(guān)規(guī)定，計算確定了本文試驗的加載工況：豎向千斤頂F1施加的靜力荷載為520kN，并在試驗全程中保持不變，以模擬足尺模型頂面所受到的結(jié)構(gòu)自重； 墻背土壓力采用分級加載，如表1 所列。 表1 中，上邊坡工況7 對應(yīng)設(shè)計荷載，工況8 取為設(shè)計荷載的1.1 倍；下邊坡工況8 對應(yīng)設(shè)計荷載，工況10 為試驗極限荷載。

圖4 試驗加載裝置

本試驗采用砂土料模擬地基土， 并在砂土料外圍用土袋堆壘形成柔性邊界以模擬實際邊坡情況。根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)規(guī)定[7]，重力式擋土墻的墻趾埋深不應(yīng)小于1m，本試驗取墻趾埋深為1.3m，如圖4(a)所示；考慮到實際工程遇到較不利地基土?xí)r需采用換填砂土層對地基土進行處理以提高基底承載力， 故本試驗在足尺模型下方采用了厚0.2m 的砂石料墊層。在正式試驗之前，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)[8]的相關(guān)規(guī)定， 實測了砂石料墊層的重度、 內(nèi)摩擦角及粘結(jié)力，其結(jié)果如表2 所列。

表1 試驗加載工況(單位：kN)

表2 試驗?zāi)Ｐ偷鼗粱緟?shù)

1.4 測量內(nèi)容與測點布置

本試驗的量測內(nèi)容為足尺模型在各試驗加載工況下的基底土壓力、 墻后土壓力以及墻身不同位置的位移和應(yīng)變；其中，基底及墻后土壓力均采用土壓力計量測，墻身位移和應(yīng)變分別采用位移計和應(yīng)變計量測。 試驗測點布置見圖5， 本試驗共布置了10 個位移測點、14 個應(yīng)變測點(每個應(yīng)變測點均布置3 個應(yīng)變片)和18 個土壓力計(其中墻身上布置14 個，砂石料墊層中布置4 個)。

圖5 測點布置圖

2 試驗現(xiàn)象與結(jié)果分析

本試驗在福州大學(xué)土木工程多災(zāi)害防治重點實驗室內(nèi)實施。 正式試驗之前先進行預(yù)備試驗， 以檢驗加載裝置、各傳感器和儀器等的可靠性；在證實加載裝置、各傳感器和儀器等可靠之后，才實施正式試驗。

正式試驗按擋土墻的設(shè)置位置分為上邊坡工況和下邊坡工況，試驗加載順序如下：首先，通過豎向千斤頂F1施加520kN 的靜力荷載，并在試驗全程中保持不變；其次， 按表1 所列的上邊坡工況分級加載直至完成工況8 加載；在上邊坡工況試驗成功后，卸除水平向千斤頂F2 和豎向千斤頂F3 施加的荷載， 按表1 所列的下邊坡工況分級加載直至完成工況10 加載；至此，試驗全部結(jié)束。

試驗加載過程中， 注意觀察并記錄足尺模型的變形和裂縫情況， 并量測其基底和墻后土壓力以及墻身不同位置的位移和應(yīng)變等變化情況。

2.1 試驗現(xiàn)象

在上邊坡工況整個加載過程中，足尺模型均未開裂，也沒有出現(xiàn)滑移或傾覆現(xiàn)象， 同時各預(yù)制件之間的聯(lián)接界面也均未發(fā)現(xiàn)明顯的相對錯動，聯(lián)接榫頭完好，未出現(xiàn)剪切破壞。試驗現(xiàn)象表明，新型預(yù)制拼裝重力式擋土墻在上邊坡設(shè)計荷載作用下整體抗滑移和抗傾覆性能良好，各預(yù)制件自身承載力和局部連接構(gòu)造等也均能滿足設(shè)計要求。

在下邊坡工況加載過程中，當(dāng)荷載增加至工況9(略超過設(shè)計荷載) 時， 發(fā)現(xiàn)足尺模型開始出現(xiàn)整體滑移趨勢，且荷載無法繼續(xù)增大，表明其已達到承載能力極限狀態(tài)；分析認(rèn)為，這是由于本試驗足尺模型系按上邊坡工況設(shè)計的，故其用于下邊坡工況時，可靠度相對有所減小。此外，下邊坡工況試驗全過程中，足尺模型也均未開裂，聯(lián)接榫頭都保持完好無損。試驗現(xiàn)象表明，新型預(yù)制拼裝重力式擋土墻亦可適用于下邊坡場合。

2.2 試驗結(jié)果分析

(1)墻背土壓力

圖6 顯示足尺模型分別在上、 下邊坡使用條件下各加載工況下實測的墻背土壓力分布曲線。從圖6 中可見，墻背土壓力P 沿墻身高度H 呈曲線分布，且隨試驗荷載的增大而增大， 墻背最大土壓力出現(xiàn)在H=2m 附近；此外，當(dāng)試驗荷載達到設(shè)計荷載時，墻背土壓力合力超過設(shè)計主動土壓力的合力， 而且一些部位的土壓應(yīng)力也已經(jīng)超過設(shè)計靜止土壓力。

圖6 各加載工況下實測墻背土壓力分布曲線

(2)墻身結(jié)構(gòu)主壓應(yīng)力

根據(jù)各應(yīng)變測點的實測數(shù)據(jù)， 計算得到了足尺模型的墻身結(jié)構(gòu)分別在上、 下邊坡使用條件下荷載施加至設(shè)計荷載時的主壓應(yīng)力，如表3 所列。 從表3 中可知，足尺模型的墻身結(jié)構(gòu)整體處于受壓狀態(tài)， 且榫接處角點位置(測點1-6/2-4)承受較大的主壓應(yīng)力，是最不利的受力位置；此外，墻身結(jié)構(gòu)各部位的主壓應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于C30 混凝土的設(shè)計強度值， 表明墻身結(jié)構(gòu)強度具有很高的安全儲備。

表3 墻身結(jié)構(gòu)主壓應(yīng)力(單位：MPa)

(3)墻身結(jié)構(gòu)位移

預(yù)制拼重力式擋土墻在荷載作用下的變形是評價其整體工作性能的重要指標(biāo)之一。 表4 列出了足尺模型的墻身結(jié)構(gòu)分別在上、 下邊坡使用條件下荷載施加至設(shè)計荷載時各位移測點的實測位移值。從表4 可知，在上邊坡和下邊坡應(yīng)用場合，當(dāng)墻背土壓力達到設(shè)計值時，墻身結(jié)構(gòu)各部位的位移仍均十分微小， 最大位移值約為0.01mm，表明結(jié)構(gòu)具有類似剛體的特性；在下邊坡應(yīng)用場合，當(dāng)荷載增加至工況9 時，擋土墻頂部(高程5m 處)位移計實測位移出現(xiàn)較大幅度的增大，達到0.023mm，表明擋土墻結(jié)構(gòu)開始具有滑移趨勢， 這與觀察到的試驗現(xiàn)象相符。

表4 墻身結(jié)構(gòu)實測位移(單位：×10-2mm)

(4)基底壓力

表5 和表6 分別給出了上邊坡和下邊坡應(yīng)用場合各分級加載工況下基底土壓力的實測結(jié)果。 由表5 和表6可知，隨著墻背土壓力的增加，墻踵部位的土壓力逐漸減小， 而墻趾部位的土壓力逐漸增大， 但直至設(shè)計荷載工況，兩者也均未超過砂石料墊層的設(shè)計承載力，表明擋土墻底部地基承載力滿足設(shè)計要求。需要指出的是，在下邊坡應(yīng)用場合，當(dāng)加載工況達到工況9 時，墻踵部位的土壓力開始迅速減小，而墻趾部位的土壓力迅速增大，結(jié)構(gòu)開始失效。

表5 上邊坡應(yīng)用場合基底土壓力實測值(單位：kPa)

表6 下邊坡應(yīng)用場合基底土壓力實測值(單位：kPa)

3 結(jié)論

本文通過足尺模型靜載試驗， 初步探討了新型預(yù)制拼裝箱形重力式擋土墻在福建山區(qū)公路上、 下邊坡應(yīng)用場合下的整體工作性能以及聯(lián)接構(gòu)造的局部性能， 得到如下的研究結(jié)論：

(1)在設(shè)計荷載作用下，墻身結(jié)構(gòu)各部位的主壓應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于混凝土材料的設(shè)計強度值， 具有很高的安全儲備。

(2)在設(shè)計荷載作用下，墻身結(jié)構(gòu)各部位的位移十分微小，可近似視為剛體。

(3)在應(yīng)用于上邊坡場合時，新型預(yù)制拼裝重力式擋土墻在超過1.1 倍設(shè)計荷載作用下未出現(xiàn)整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性問題， 而且各預(yù)制件自身承載力和局部連接構(gòu)造等均能滿足設(shè)計要求。

(4)在應(yīng)用于下邊坡場合時，新型預(yù)制拼裝重力式擋土墻仍能滿足設(shè)計要求，但可靠度有所減小。