張建成, 侯天順, 劉浩鈺, 楊 誠(chéng), 駱亞生

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;2. 陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司, 陜西 西安 710011)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷提高,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn),高速公路的鋪設(shè)軌跡也不斷延伸。擋土墻作為一種路基支擋結(jié)構(gòu),在公路建設(shè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,尤其是在施工難度較大的山區(qū)公路中更是必不可少[1]。為了防止工程事故的發(fā)生,進(jìn)而避免造成重大的財(cái)產(chǎn)損失,對(duì)擋土墻穩(wěn)定性的研究是十分必要的。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在研究擋土墻的過程中針對(duì)墻背土壓力開展了大量研究。Chen等[2]在考慮摩擦作用的基礎(chǔ)上,通過有限元分析和理論推導(dǎo)的方法研究了有限土體的主動(dòng)土壓力,發(fā)現(xiàn)主動(dòng)土壓力與填土的長(zhǎng)寬比有關(guān)。Tang等[3]針對(duì)黏性土有、無張拉裂縫的情況,采用動(dòng)態(tài)極限平衡方法提出了主動(dòng)土壓力計(jì)算方法,其與已有計(jì)算方法相比更加準(zhǔn)確。Chen等[4]通過有限元模擬研究了平動(dòng)模式下有限土體的破壞機(jī)理,提出了滑移面傾角的擬合公式,還發(fā)現(xiàn)被動(dòng)土壓力呈非線性分布,隨著填土寬度的降低而增大。Ni等[5]提出了一種計(jì)算樁結(jié)構(gòu)不同深度處土壓力的方法,經(jīng)過與已有計(jì)算方法對(duì)比,發(fā)現(xiàn)該方法較為準(zhǔn)確。Fang等[6]利用臺(tái)灣交通大學(xué)的儀器研究不同密度的干砂對(duì)被動(dòng)土壓力的影響,研究發(fā)現(xiàn)無論干砂密度大小如何,當(dāng)墻背位移量達(dá)到墻高的12%時(shí),被動(dòng)土壓力都將達(dá)到恒值。Li等[7]基于微分單元法提出了一種計(jì)算樁間擋板主動(dòng)土壓力的方法,經(jīng)過與試驗(yàn)結(jié)果和其他計(jì)算方法對(duì)比后,發(fā)現(xiàn)該方法準(zhǔn)確度較高,建議板的凈跨取樁徑的1.5～1.7倍。Li等[8]采用非線性屈服準(zhǔn)則對(duì)主動(dòng)土壓力特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明拉裂縫會(huì)對(duì)主動(dòng)土壓力產(chǎn)生不利影響,且這種不利影響在較高滲透壓力作用時(shí)更加明顯。Goel等[9]在考慮土拱效應(yīng)的基礎(chǔ)上對(duì)主動(dòng)土壓力系數(shù)進(jìn)行了修正。應(yīng)宏偉等[10]通過開展不同填土寬度的擋土墻模型試驗(yàn)對(duì)被動(dòng)土壓力進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)有限寬度土體的被動(dòng)土壓力試驗(yàn)值要大于庫(kù)侖被動(dòng)土壓力,且隨著土體寬度的減小合力作用點(diǎn)逐漸向墻底移動(dòng)。許雷挺等[11]研究了T模式、RB模式和RT模式的主動(dòng)土壓力,發(fā)現(xiàn)三種模式的合力作用點(diǎn)均高于1/3墻高,這一結(jié)果與傳統(tǒng)理論存在明顯差異。芮瑞等[12]采用鋼棒相似土配合荷載計(jì)測(cè)試的方法,發(fā)現(xiàn)靜止土壓力試驗(yàn)值小于理論值,且主動(dòng)土壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與Paik法較為吻合。

為了達(dá)到減壓效果,進(jìn)而降低工程成本,近年來出現(xiàn)了許多新型擋土結(jié)構(gòu)和填土材料。在擋土結(jié)構(gòu)方面,由于聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene,EPS)顆粒的彈性較好,往往通過在墻背粘貼一層由EPS顆粒制成的EPS板來發(fā)揮減壓作用。Ni等[13]通過開展不同厚度EPS板的模型試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)EPS板厚度越大則模型試驗(yàn)中填土的位移量越大,其土壓力也更接近主動(dòng)土壓力。鄭俊杰等[14]通過模型試驗(yàn)和FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)EPS板的減壓特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明EPS板能有效減小墻背靜止土壓力,EPS板的彈性模量越小、厚度越大、墻后填土表面的外荷載越大,則EPS板的減壓效果越好,且EPS板厚達(dá)0.1倍墻高即可獲得最佳減壓效果。

在填土材料方面,將普通填土與EPS顆粒、水以及水泥按照一定的配比拌和成EPS顆?；旌陷p量土,使其作為墻后填土來發(fā)揮作用,在減小結(jié)構(gòu)物斷面尺寸以及降低工程造價(jià)等方面具有十分重要的價(jià)值[15]。輕量土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐久、隔熱等優(yōu)良特性,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程[16]。大量研究發(fā)現(xiàn),輕量土是一種非飽和土,也是一種結(jié)構(gòu)性土,其EPS顆粒含量、水泥含量以及含水率對(duì)輕量土的密度和強(qiáng)度特性等具有重要影響[17-20]。Jamshidi等[21]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),上覆壓力影響著輕量土的靜止土壓力系數(shù),且隨著輕量土的剛度增加,其靜止土壓力系數(shù)逐漸降低。王超等[22]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了EPS顆粒混合輕量土處理橋臺(tái)軟弱地基的效果,發(fā)現(xiàn)輕量土可以有效減小臺(tái)背土壓力,并且在一定范圍內(nèi)臺(tái)背土壓力隨著EPS顆粒含量的增加而減小。李明東等[23]以新安江電廠的道路工程為例,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)灌水法測(cè)試發(fā)現(xiàn)EPS顆粒混合輕量土可以有效降低填土豎向土壓力,減幅約為普通填土的40%。

綜上所述,盡管對(duì)于擋土墻的主動(dòng)土壓力特性已經(jīng)進(jìn)行了大量研究,但對(duì)以輕量土為填料的墻背主動(dòng)土壓力的研究仍較為少見。為進(jìn)一步明確輕量土在擋土墻支護(hù)方面的減壓效果,本文通過開展室外大比尺模型試驗(yàn),探究輕量土在上部荷載作用下主動(dòng)土壓力與位移的關(guān)系,對(duì)比重塑黃土和輕量土的主動(dòng)土壓力分布規(guī)律,揭示輕量土的減壓特性和變形特性,以期為實(shí)際工程提供一定的理論指導(dǎo)。此外,利用室內(nèi)直剪試驗(yàn)得到填土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),按照傳統(tǒng)理論計(jì)算其主動(dòng)土壓力,對(duì)比分析傳統(tǒng)理論與模型試驗(yàn)的關(guān)系,對(duì)完善輕量土土壓力理論具有重要意義。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用自制擋土墻模型裝置,主要包括擋土墻模型槽、加載裝置、位移控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四個(gè)部分。待土料填筑完成以及加載結(jié)束后,利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)試其土壓力分布規(guī)律及位移變化規(guī)律。

1.1 擋土墻模型槽

如圖1所示,模型槽在室外搭建,內(nèi)側(cè)長(zhǎng)×寬×高為2 000 mm×1 200 mm×1 500 mm,形狀為無蓋的長(zhǎng)方體。模型槽后側(cè)及右側(cè)為水泥砂漿抹平的磚砌墻體,左側(cè)為角鋼焊制的鋼架。在鋼架右半部分布置10 mm厚的有機(jī)玻璃板,其寬×高為1 000 mm×1 500 mm,用于觀測(cè)墻后填土的變形情況;鋼架左半部分安放三塊獨(dú)立木板,試驗(yàn)時(shí)木板高度隨著填土深度逐漸調(diào)整。試驗(yàn)所用擋土墻采用混凝土制作,外觀呈L型,其寬×高為1 200 mm×1 500 mm,除底部厚度為250 mm外,其余部位厚度均為100 mm。

圖1 擋土墻模型槽Fig.1 Model chamber of retaining wall

1.2 加載裝置

為了研究輕量土作為墻后填土?xí)r的主動(dòng)土壓力特性,需要在填土表面施加荷載。對(duì)于重塑黃土,在填土完成且土壓力盒讀數(shù)穩(wěn)定后即可施加荷載,而輕量土則需要在填土完成并養(yǎng)護(hù)28 d后,待土壓力盒讀數(shù)穩(wěn)定再進(jìn)行加載。加載時(shí),先在填土表面鋪設(shè)一塊矩形加載板,然后在填土表面采用重物堆載的方式逐級(jí)施加豎向均布荷載,加載方式如圖2所示。加載所用重物為混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)塊,每層混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)塊可以施加3.09 kPa的荷載。每施加一級(jí)荷載,需待荷載儀讀數(shù)穩(wěn)定后再施加下一級(jí)荷載。

圖2 模型試驗(yàn)加載Fig.2 Loading of model test

1.3 位移控制系統(tǒng)

試驗(yàn)位移控制系統(tǒng)由高強(qiáng)絲桿、百分表、螺母、鋼架和型鋼五部分組成(圖3)。為了保證精確控制擋土墻位移量,沿模型槽邊緣對(duì)稱安裝6根直徑為22 mm的高強(qiáng)度絲桿;為了獲取擋土墻的實(shí)時(shí)位移量,沿著擋土墻豎直中線對(duì)稱布設(shè)6只百分表,百分表水平向間距為400 mm,量程為0～10 mm。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,該系統(tǒng)可以精確控制擋土墻的位移量。試驗(yàn)時(shí),通過調(diào)節(jié)6個(gè)絲桿使得擋墻產(chǎn)生相應(yīng)的位移,每次調(diào)節(jié)完畢需等到24 h后數(shù)據(jù)穩(wěn)定再繼續(xù)調(diào)節(jié)。考慮到墻底摩擦較大,為避免試驗(yàn)過程中擋土墻無法產(chǎn)生位移,填土前在擋墻底部均勻放置兩根直徑為14 mm的光滑鋼筋。

圖3 位移控制裝置示意圖(單位:mm)Fig.3 Schematic diagram of displacement control device (Unit:mm)

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了監(jiān)測(cè)側(cè)向土壓力和豎向土壓力,試驗(yàn)采用江蘇溧陽(yáng)儀器廠生產(chǎn)的BW型應(yīng)變式土壓力盒作為測(cè)量元件,并利用WH-1000型點(diǎn)荷載儀讀取土壓力盒的數(shù)據(jù)。土壓力盒外觀直徑為48 mm,厚度為10 mm,量程為0～0.1 MPa。由于土壓力盒是由金屬材料制成的,在其附近易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,這樣會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)與真實(shí)情況出現(xiàn)偏差[24],因此需要對(duì)土壓力盒進(jìn)行重新標(biāo)定?？紤]到砂土介質(zhì)便于開展試驗(yàn),本次試驗(yàn)采用自制砂標(biāo)儀對(duì)土壓力盒進(jìn)行了標(biāo)定。

土壓力盒的具體布設(shè)情況如圖3所示,5只土壓力盒沿著擋墻墻背中線位置豎向均勻布設(shè)。為避免因土壓力盒相距過遠(yuǎn)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性降低,同一高度處填土中土壓力盒與墻背土壓力盒水平距離為300 mm?？紤]到土壓力盒在試驗(yàn)時(shí)需要固定于墻背上,因此在擋土墻內(nèi)側(cè)粘貼一張厚度為5 mm的木工板,并在木工板表面設(shè)置凹槽以便放置土壓力盒。為避免因土壓力盒表面受力不均勻?qū)е碌臄?shù)據(jù)不準(zhǔn)確,在填土前需要在土壓力盒表面均勻鋪灑一層細(xì)砂。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用的原料土為陜西楊凌地區(qū)黃土,取土深度4～6 m,原料土呈黃褐色,屬低液限粉質(zhì)黏土,其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所列。根據(jù)輕型擊實(shí)試驗(yàn),該原料土的最優(yōu)含水率為21.6%,最大干密度為1.701 g/cm3。試驗(yàn)所用的輕質(zhì)材料為EPS顆粒,呈球粒狀,粒徑為3～5 mm,純顆粒密度為0.010 3 g/cm3,堆積密度為0.006 1 g/cm3。固化劑為社會(huì)牌水泥,標(biāo)號(hào)為P.C32.5R,純顆粒密度為3.1 g/cm3,試驗(yàn)用水為普通自來水。

表1 陜西楊凌地區(qū)黃土物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of loess in Yangling area,Shaanxi Province

2.2 試驗(yàn)方案

為了揭示輕量土對(duì)擋土結(jié)構(gòu)物的減壓機(jī)理,完善輕量土的土壓力理論,通過室外擋土墻模型試驗(yàn)對(duì)輕量土擋土墻墻背土壓力分布規(guī)律進(jìn)行研究,模型試驗(yàn)具體方案如表2所列?？紤]到確定輕量土配比的需要,現(xiàn)將干土質(zhì)量記為ms,體積記為vs;水泥的質(zhì)量記為mc,體積記為vc;EPS顆粒的質(zhì)量記為me,體積記為為ve;水的質(zhì)量記為mw,體積記為vw;含水率為w,w=mw/ms;定義水泥摻入比為ac,ac=mc/ms;定義EPS顆粒摻入比為ae,ae=me/ms;定義EPS顆粒占試樣總體積的百分比為be,be=ve/(ve+vs+vw+vc)。

表2 模型試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme for model test

為了增加不同填土間的對(duì)比性,填土含水率均選用最優(yōu)含水率,重塑黃土和輕量土的最優(yōu)含水率由標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得?？紤]到試驗(yàn)的安全性,重塑黃土和輕量土的上部荷載分別為四級(jí)荷載和八級(jí)荷載,其上部荷載最大值分別設(shè)定為12.36和24.72 kPa。本文直剪試驗(yàn)采用固結(jié)快剪的方式,法向應(yīng)力分別為50、100、150、200 kPa,直剪試驗(yàn)的配比與模型試驗(yàn)相同。

2.3 試樣制備與土料填筑

不同類型填土的直剪試樣制備方法以及模型試驗(yàn)土料拌和方式差別較大,其具體方法如下:

(1) 直剪試驗(yàn)。對(duì)于重塑黃土,按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123—2019)》[25]進(jìn)行制樣。對(duì)于輕量土,首先取過2 mm篩的風(fēng)干土并烘干,然后按照配比先添加水泥,攪拌均勻后再加水拌和,最后加入EPS顆粒進(jìn)行攪拌,拌和好后才可以用于制樣。重塑黃土和輕量土的制樣方法均為壓樣法,每一配比制備12個(gè)試樣,同一應(yīng)力下的直剪試驗(yàn)重復(fù)三組后取平均值。還要注意的是,重塑黃土直剪試樣在試驗(yàn)前需要浸水飽和24 h,輕量土直剪試樣首先要放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d,養(yǎng)護(hù)箱的養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2) ℃,養(yǎng)護(hù)濕度≥95%,然后再浸水飽和24 h才可以進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

(2) 模型試驗(yàn)。對(duì)于重塑黃土,取風(fēng)干土體過10 mm篩后,按照配比均勻拌和至最優(yōu)含水率后即可進(jìn)行填筑。對(duì)于輕量土,取風(fēng)干土體過10 mm篩后,按照配合比先將水泥和土均勻攪拌,再把水均勻噴灑到水泥和土的混合物中,待均勻攪拌后倒入EPS顆粒,將其攪拌至均勻后再進(jìn)行填筑。

考慮到邊界效應(yīng)的影響,在有機(jī)玻璃板和模型槽內(nèi)表面涂抹黃油,減小內(nèi)壁和土體之間的摩擦。采用分層填土、人工夯實(shí)的方法進(jìn)行填筑,共分10層,每層150 mm,壓實(shí)度為90%。為避免填土過程中人為干擾過大,填土?xí)r應(yīng)保證土體均勻鋪撒,自由下落。夯實(shí)時(shí)控制質(zhì)量為8 kg的鐵餅從300 mm的高度處自由下落,在填土表面均勻施加夯實(shí)荷載,保證每層填土填筑均勻。每層填土結(jié)束后,在有機(jī)玻璃板附近填土上表面鋪撒一層白灰,用于研究輕量土的豎向變形特性。每層填土完成后需間隔2 h,待土壓力盒讀數(shù)穩(wěn)定并記錄下初始值后再進(jìn)行下一層填土。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 側(cè)向土壓力隨填土深度的變化規(guī)律

根據(jù)傳統(tǒng)土壓力理論,主動(dòng)土壓力沿著填土深度呈線性分布,但由于實(shí)際工程中各種因素與理論假設(shè)條件不同,會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)非線性分布的現(xiàn)象,本文采用模型試驗(yàn)對(duì)主動(dòng)土壓力與填土深度的變化關(guān)系進(jìn)行研究(圖5)。

由圖4可知:(1)除去底板h=150 cm處,重塑黃土側(cè)向土壓力與填土深度的關(guān)系曲線近似呈拋物線型。以擋墻位移量為2 mm時(shí)的側(cè)向土壓力為例,自墻頂至墻底依次為0、2.91、7.63、2.74、27.44 kPa,除墻底外,其最大值位于擋墻中部。(2)除去底板h=150 cm處,輕量土側(cè)向土壓力與填土深度的關(guān)系曲線近似呈拋物線型。以擋墻位移量為2 mm時(shí)為例,輕量土側(cè)向土壓力自墻頂至墻底依次為0.37、2.55、3.05、0、6.12 kPa。(3)同一填土深度處,重塑黃土的側(cè)向土壓力高于輕量土。以位移量為2 mm時(shí)為例,以重塑黃土側(cè)向土壓力為基準(zhǔn),輕量土與重塑黃土的絕對(duì)差值自墻頂至墻底各處分別為0.37、0.36、4.58、2.74、21.32 kPa,其中h=150 cm處的差值最大。(4)在h=150 cm處,重塑黃土和輕量土的側(cè)向土壓力明顯偏大,可能是由于模型槽底部存在摩擦所致。

圖4 不同位移量時(shí)側(cè)向土壓力隨填土深度變化規(guī)律Fig.4 Change law of lateral earth pressure with filling depth under different displacements

3.2 側(cè)向土壓力隨位移量的變化規(guī)律

根據(jù)傳統(tǒng)理論可知,墻后填土達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí)的墻背土壓力為主動(dòng)土壓力,這一狀態(tài)與擋墻的位移量息息相關(guān),本文以模型試驗(yàn)探究主動(dòng)土壓力與擋墻位移量之間的關(guān)系(圖5)。

由圖5可知:(1)隨著擋墻位移量的增加,重塑黃土的側(cè)向土壓力先迅速降低后趨于穩(wěn)定,在擋墻位移量為0～2 mm階段降幅最大,在擋墻位移量為4 mm時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。以h=60 cm處為例,不同位移量時(shí)重塑黃土側(cè)向土壓力分別為5.83、5.10、2.91、1.46、1.46、1.46、1.46、1.46 kPa;以擋墻位移量為0 mm時(shí)的側(cè)向土壓力為基準(zhǔn),不同位移量時(shí)重塑黃土側(cè)向土壓力的降低幅度依次為12.50%、50.00%、75.00%、75.00%、75.00%、75.00%、75.00%。(2)隨著擋墻位移量的增加,輕量土的側(cè)向土壓力先迅速降低后趨于穩(wěn)定,在擋墻位移量為0～1 mm階段降幅最大,當(dāng)擋墻位移量為3 mm時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。以h=60 cm處為例,不同位移量時(shí)輕量土側(cè)向土壓力分別為9.83、2.55、2.55、2.91、2.91、2.55、2.55、2.91 kPa;以擋墻位移量為0 mm時(shí)的側(cè)向土壓力為基準(zhǔn),不同位移量時(shí)輕量土側(cè)向土壓力的降低幅度依次為74.07%、74.07%、70.37%、70.37%、74.07%、74.07%、70.37%。(3)對(duì)于重塑黃土,當(dāng)擋墻位移量為4 mm時(shí),其側(cè)向土壓力達(dá)到了主動(dòng)極限平衡狀態(tài),故認(rèn)為此時(shí)重塑黃土的側(cè)向土壓力近似為主動(dòng)土壓力。同理,當(dāng)擋墻位移量為3 mm時(shí),輕量土側(cè)向土壓力近似為主動(dòng)土壓力,可見輕量土達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài)所需位移量比重塑黃土小。(4)取達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)的側(cè)向土壓力為主動(dòng)土壓力,在輕量土上部荷載更大的情況下,輕量土主動(dòng)土壓力顯著小于重塑黃土,這表明輕量土具有良好的減壓特性。

綜上所述,對(duì)主動(dòng)土壓力的變化規(guī)律進(jìn)行以下幾點(diǎn)總結(jié):(1)因?yàn)樘钔恋撞颗c地面之間存在摩擦作用,底部填土的應(yīng)力在擋墻移動(dòng)時(shí)不易發(fā)生變化,這導(dǎo)致墻底處側(cè)向土壓力的變化規(guī)律出現(xiàn)明顯的異?，F(xiàn)象。隨著擋墻位移逐漸增大,墻后填土逐漸由彈性平衡狀態(tài)向主動(dòng)極限平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變。由于模型試驗(yàn)中頂部填土和底部填土對(duì)中部填土的側(cè)向移動(dòng)具有約束效應(yīng),使得墻后填土出現(xiàn)了“土拱效應(yīng)”,因此墻背側(cè)向土壓力與填土深度呈現(xiàn)類似拋物線型的分布規(guī)律。(2)在填土填筑過程中采用了分層拌合、分層填土以及分層人工壓實(shí)的方法,使得填土難以達(dá)到良好的均勻效果,這種不均勻性會(huì)使個(gè)別位置處的土壓力出現(xiàn)一定的偏差,所以出現(xiàn)了個(gè)別側(cè)向土壓力降低為0的現(xiàn)象。(3)輕量土在主動(dòng)土壓力方面具有減壓特性,這主要有兩個(gè)原因:其一是由于輕量土自身的重度偏小,使得輕量土的側(cè)向土壓力相應(yīng)偏低;其二是輕量土具有自立性,水泥經(jīng)過充分的水解水化反應(yīng),會(huì)在輕量土中產(chǎn)生較強(qiáng)的膠結(jié)作用,使得輕量土在相同條件下側(cè)向土壓力更小。

3.3 側(cè)向土壓力系數(shù)隨填土深度的變化規(guī)律

側(cè)向土壓力系數(shù)是指某一深度處側(cè)向土壓力與豎向土壓力的比值,也稱側(cè)壓力系數(shù)。由于模型試驗(yàn)情況十分復(fù)雜,使得實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值存在一定的偏差[26],本文通過模型試驗(yàn)探究重塑黃土和輕量土主動(dòng)土壓力系數(shù)沿填土深度的變化規(guī)律(圖6)。

圖6 不同位移量時(shí)側(cè)向土壓力系數(shù)隨填土深度變化規(guī)律Fig.6 Change law of lateral earth pressure coefficient with filling depth under different displacements

由圖6可知:(1)重塑黃土的側(cè)向土壓力系數(shù)隨填土深度的增加變化不大,整體上在0.24左右浮動(dòng)。以位移量2 mm時(shí)為例,其側(cè)向土壓力系數(shù)自墻頂至墻底各處依次為0、0.10、0.23、0.08、0.54。(2)輕量土的側(cè)向土壓力系數(shù)隨填土深度的增加變化不大,整體上在0.12上下浮動(dòng)。以位移量2 mm時(shí)為例,其側(cè)向土壓力系數(shù)自墻頂至墻底各處依次為0.04、0.12、0.10、0、0.14。(3)重塑黃土和輕量土的側(cè)向土壓力系數(shù)都不是常數(shù),這與傳統(tǒng)土壓力理論不同,表明理論與實(shí)際存在偏差。(4)當(dāng)擋墻位移量為0 mm時(shí),重塑黃土和輕量土的側(cè)向土壓力系數(shù)明顯偏大,因?yàn)榇藭r(shí)墻后填土處于彈性平衡狀態(tài),土體內(nèi)部的自約束效應(yīng)尚未發(fā)揮。

3.4 側(cè)向土壓力系數(shù)隨位移量的變化規(guī)律

當(dāng)擋土墻產(chǎn)生位移時(shí),墻后填土不可避免地要發(fā)生應(yīng)力重分布,與此同時(shí)填土的側(cè)向土壓力系數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。針對(duì)此,本文通過模型試驗(yàn)研究側(cè)向土壓力系數(shù)與擋墻位移量之間的變化關(guān)系(圖7)。

圖7 不同填土深度處側(cè)向土壓力系數(shù)隨位移量變化規(guī)律Fig.7 Change law of lateral earth pressure coefficient with displacement at different filling depths

由圖7可知:(1)隨著擋墻位移量增加,重塑黃土的側(cè)向土壓力系數(shù)先迅速降低,然后逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)擋墻位移量為1～2 mm時(shí)下降幅度最大,擋墻位移量超過4 mm后側(cè)向土壓力系數(shù)幾乎不發(fā)生變化,且在h=30 cm和h=120 cm處出現(xiàn)了側(cè)向土壓力系數(shù)為0的情況。以h=60 cm處為例,不同位移量時(shí)側(cè)向土壓力系數(shù)分別為0.22、0.17、0.10、0.05、0.05、0.05、0.05、0.05;以擋墻位移量為0 mm時(shí)的側(cè)向土壓力系數(shù)為基準(zhǔn),不同位移量時(shí)側(cè)向土壓力系數(shù)降低幅度依次為23.25%、54.55%、76.85%、76.85%、76.85%、76.85%、76.85%。(2)隨著擋墻位移量的增加,輕量土的側(cè)向土壓力系數(shù)先降低后逐漸趨于穩(wěn)定,當(dāng)擋墻位移量為0～1 mm時(shí)降低幅度最大,擋墻位移量超過3 mm后側(cè)向土壓力系數(shù)幾乎不發(fā)生變化,且在h=30 cm和h=120 cm處出現(xiàn)了側(cè)向土壓力系數(shù)為0的情況。以h=60 cm處為例,不同位移量時(shí)側(cè)向土壓力系數(shù)分別為0.57、0.13、0.12、0.16、0.16、0.14、0.14、0.16;以擋墻位移量為0 mm時(shí)的側(cè)向土壓力系數(shù)為基準(zhǔn),不同位移量時(shí)側(cè)向土壓力系數(shù)降低幅度依次為77.49%、78.61%、71.24%、71.24%、74.84%、74.84%、71.24%。(3)重塑黃土的主動(dòng)土壓力系數(shù)自墻頂至墻底分別為0.00、0.05、0.03、0.04、0.57,輕量土的主動(dòng)土壓力系數(shù)自墻頂至墻底分別為0.02、0.16、0.09、0.00、0.14,可見重塑黃土和輕量土的主動(dòng)土壓力系數(shù)隨墻高變化均較為穩(wěn)定,且重塑黃土的主動(dòng)土壓力系數(shù)大于輕量土。(4)重塑黃土在h=150 cm處的側(cè)向土壓力系數(shù)隨位移量變化基本上保持不變,且穩(wěn)定后側(cè)向土壓力系數(shù)高于其余位置,可能是由于填土底部存在較大摩擦,難以消除。

綜上所述,對(duì)主動(dòng)土壓力系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行原因分析:(1)在模型試驗(yàn)中,難以控制人工填土和夯實(shí)的均勻性,且在上部荷載向下傳遞時(shí)不同深度處填土的傳遞系數(shù)也不一致,導(dǎo)致各處填土的豎向土壓力增加值出現(xiàn)差異,這些因素共同作用使得填土的密實(shí)度分布不均勻。此外,水泥在非標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下水解水化反應(yīng)并不充分,導(dǎo)致填土中應(yīng)力分布不均勻。填土密實(shí)度分布不均勻以及填土中應(yīng)力分布不均勻都會(huì)導(dǎo)致側(cè)向土壓力系數(shù)無法保持為某一固定值[27]。(2)由于模型試驗(yàn)中重塑黃土豎向土壓力的變化幅度較小,而側(cè)向土壓力變化較為明顯,使得側(cè)向土壓力系數(shù)呈現(xiàn)與側(cè)向土壓力相同的變化規(guī)律,出現(xiàn)部分側(cè)向土壓力系數(shù)等于0的情況。(3)由于模型試驗(yàn)中填土底部的摩擦難以完全消除[28],使得擋墻底部的側(cè)向土壓力變化出現(xiàn)異常,導(dǎo)致墻底處側(cè)壓力系數(shù)在擋墻移動(dòng)時(shí)的變化規(guī)律明顯不同于其他位置。

4 主動(dòng)土壓力理論值與試驗(yàn)值的對(duì)比分析

已有研究結(jié)果表明傳統(tǒng)理論與實(shí)際工程存在一定偏差,且對(duì)于輕量土作為墻后填土?xí)r的主動(dòng)土壓力分布規(guī)律,傳統(tǒng)理論也未作出相應(yīng)分析,使得輕量土的工程應(yīng)用受到了一定限制。為了研究普通填土中傳統(tǒng)理論值與試驗(yàn)值的吻合程度,以及傳統(tǒng)理論對(duì)輕量土的適用性,下面對(duì)傳統(tǒng)理論計(jì)算值與模型試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 主動(dòng)土壓力傳統(tǒng)理論分析

傳統(tǒng)的土壓力理論主要是庫(kù)侖理論和朗肯理論,二者在適用范圍等方面差異較大。朗肯理論假定擋墻墻背光滑且垂直,填土表面水平,庫(kù)侖理論則主要適用于無黏性土的情況,在黏性土工況下的計(jì)算誤差較大。本文采用固結(jié)快剪的方式得到了重塑黃土和輕量土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),其中重塑黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ分別為10.71 kPa和21.27°,輕量土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ分別為49.91 kPa和30.40°。在本文模型試驗(yàn)中,重塑黃土和輕量土的黏聚力都不為0,因此采用朗肯土壓力理論計(jì)算其主動(dòng)土壓力,得到主動(dòng)土壓力分布簡(jiǎn)圖(圖8)。

圖8 黏性土主動(dòng)土壓力分布簡(jiǎn)圖Fig.8 Simplified diagram of active earth pressure distribution of cohesive soil

由圖8可知:(1)朗肯主動(dòng)土壓力包括三部分,其中由黏聚力所產(chǎn)生的土壓力為負(fù)值,由填土上部均布荷載以及填土自重所產(chǎn)生的土壓力為正值;(2)黏聚力的存在使得部分土壓力出現(xiàn)負(fù)值的情況,也就是拉應(yīng)力,考慮到墻土之間的關(guān)系,可以認(rèn)為在z0以上的深度范圍內(nèi)出現(xiàn)了裂縫;(3)z0的大小受到三種力的共同作用,尤其是當(dāng)黏聚力和上部荷載同時(shí)存在時(shí),z0的值需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)圖8所示的主動(dòng)土壓力分布情況,得到如下計(jì)算公式:

主動(dòng)土壓力強(qiáng)度:

(1)

主動(dòng)土壓力系數(shù):

(2)

裂縫深度:

(3)

主動(dòng)土壓力合力:

(4)

式中:H為墻高;γ為土的重度;φ為土的內(nèi)摩擦角;c為黏聚力;q為均布荷載;z為計(jì)算點(diǎn)深度。合力作用點(diǎn)位于墻底以上(H-z0)/3處。

4.2 主動(dòng)土壓力理論值與試驗(yàn)值的對(duì)比分析

根據(jù)上文選用的理論公式計(jì)算兩種填土在均布荷載作用下的主動(dòng)土壓力和裂縫深度,并與模型試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析(圖9),進(jìn)而揭示傳統(tǒng)理論在實(shí)際工程中的適用性。

圖9 朗肯理論值與試驗(yàn)值對(duì)比關(guān)系曲線Fig.9 Comparison curves between theoretical values of Rankine and experimental values

由圖9可知:(1)重塑黃土主動(dòng)土壓力試驗(yàn)值沿著填土深度近似呈線性分布。根據(jù)朗肯理論,將小于0的理論計(jì)算值取為0,以試驗(yàn)值為基準(zhǔn),重塑黃土理論值與試驗(yàn)值的絕對(duì)誤差自墻頂至墻底依次為0、1.46、1.14、0.06、25.22 kPa,絕對(duì)誤差較小,整體處于0～1.46 kPa之間。(2)輕量土主動(dòng)土壓力試驗(yàn)值沿著填土深度近似呈線性分布。同樣將小于0的理論計(jì)算值取為0,以試驗(yàn)值為基準(zhǔn),輕量土理論值與試驗(yàn)值的絕對(duì)誤差自墻頂至墻底依次為0.19、2.91、2.67、0、6.32 kPa,整體處于0～6.32 kPa之間,可見其絕對(duì)誤差較小。(3)通過對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn),無論是重塑黃土還是輕量土,朗肯主動(dòng)土壓力均小于試驗(yàn)值?？紤]到模型試驗(yàn)所確定的主動(dòng)土壓力僅為估測(cè)值,與朗肯理論存在差異,因此朗肯理論公式在計(jì)算輕量土與重塑黃土主動(dòng)土壓力時(shí)仍較為準(zhǔn)確。(4)在h=150 cm處,重塑黃土理論值與試驗(yàn)值的偏差明顯過大,這可能與模型試驗(yàn)中墻底存在摩擦有關(guān)。重塑黃土僅在h=30 cm處的主動(dòng)土壓力試驗(yàn)值等于0,輕量土僅在h=120 cm處的主動(dòng)土壓力試驗(yàn)值等于0,可能是由模型試驗(yàn)中填土的不均勻性以及輕量土具有自立性所致。

理論值與試驗(yàn)值之間存在差異,推測(cè)其原因主要包括如下幾個(gè)方面:(1)模型試驗(yàn)中墻背和墻底均存在一定的摩擦,且輕量土是由EPS顆粒、土顆粒、水泥和水按比例混合而成的一種新型土工材料,具備不同于普通填土的物理力學(xué)性質(zhì),這些與朗肯理論假設(shè)條件不符,使得朗肯理論值與模型試驗(yàn)值出現(xiàn)偏差。(2)輕量土中水泥經(jīng)過水解水化反應(yīng)后具有較強(qiáng)的膠結(jié)作用,而EPS顆粒具有一定的孔隙性與緩沖性,使得輕量土主動(dòng)土壓力試驗(yàn)值整體在0 kPa附近波動(dòng),也表明輕量土在作為墻后填土?xí)r具有良好的減壓作用。

5 結(jié)論

(1) 重塑黃土和輕量土的側(cè)向土壓力隨著擋墻位移量的增加先降低后趨于穩(wěn)定狀態(tài),其中重塑黃土在S=4 mm時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),輕量土在S=3 mm時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。重塑黃土和輕量土的主動(dòng)土壓力隨著填土深度的增加近似呈線性分布,但都存在不同程度的“土拱效應(yīng)”,對(duì)比發(fā)現(xiàn)重塑黃土的主動(dòng)土壓力大于輕量土,表明輕量土具有減壓特性。

(2) 重塑黃土和輕量土的側(cè)向土壓力系數(shù)隨著擋墻位移量的增加先降低后逐漸趨于穩(wěn)定,且與側(cè)向土壓力具有一定的關(guān)聯(lián)性。重塑黃土和輕量土的主動(dòng)土壓力系數(shù)沿著擋墻分布都較為穩(wěn)定,其中輕量土的主動(dòng)土壓力系數(shù)處于0～0.16之間,重塑黃土的主動(dòng)土壓力系數(shù)處于0～0.57之間,明顯發(fā)現(xiàn)輕量土的主動(dòng)土壓力系數(shù)較小,表明輕量土相對(duì)于重塑黃土可以降低約50%的側(cè)向土壓力。

(3) 重塑黃土和輕量土的朗肯理論值都小于模型試驗(yàn)值,但朗肯理論值與試驗(yàn)值之間的絕對(duì)誤差為0～6.32 kPa,這種誤差在實(shí)際工程中是很小的,可以忽略不計(jì)?？紤]到模型試驗(yàn)中墻背和填土存在一定的摩擦,因此朗肯理論仍可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算重塑黃土和輕量土的主動(dòng)土壓力。