加筋土擋墻優(yōu)化設(shè)計(jì)砂箱模型試驗(yàn)研究

王澇謙

（山西路橋第一工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030006）

0 引言

現(xiàn)代加筋土技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，法國(guó)工程師Henri Vidal根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果提出了現(xiàn)代加筋土概念和設(shè)計(jì)理論，應(yīng)用此理論，1965年法國(guó)在比利牛斯山的普拉聶爾斯修建了世界上第一座加筋土擋墻。此后，加筋土技術(shù)在世界范圍傳播和發(fā)展，加筋土支擋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方式不斷變化，加筋土也被譽(yù)為“繼鋼筋混凝土之后又一造福人類(lèi)的復(fù)合材料”[1]。

加筋土擋墻的拉筋布置方式對(duì)加筋土擋墻的穩(wěn)定性起主要影響作用，拉筋的布置方式包括拉筋水平間距、豎向間距、筋帶寬度、拉筋長(zhǎng)度及布筋方向等，過(guò)大的拉筋布置間距或拉筋過(guò)短均可導(dǎo)致加筋土擋墻結(jié)構(gòu)的過(guò)大變形或整體失穩(wěn)，反之則浪費(fèi)材料，且影響施工進(jìn)度。因此，合理的布筋方式是優(yōu)化加筋土擋墻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。在加筋土擋墻合理布筋方式的試驗(yàn)研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作。

張孟喜[2]根據(jù)有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，研究了加筋土擋墻的合理布筋方向，指出對(duì)以自重為主的加筋土擋墻，其最佳布筋方向?yàn)橄聝A角10°左右，當(dāng)超載比例較大時(shí)，水平方向布筋效果較好。楊錫武[3]基于離心模型試驗(yàn)研究了加筋邊坡的合理布筋方式，指出在邊坡中下部H/3～H/2高度范圍內(nèi)加密布筋較為合理。孫麗梅[4]等采用三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，研究了加筋土不同布筋方式下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，結(jié)果表明：在三軸固結(jié)排水條件下，加筋土強(qiáng)度隨加筋層數(shù)增加而增加，但并非呈線(xiàn)性關(guān)系，且雙向加筋的強(qiáng)度增加更為顯著；加筋材料適合布置在大應(yīng)變區(qū)域；在較低圍壓下加筋效果系數(shù)較大，加筋效果顯著。張玉廣[5]基于砂箱模型試驗(yàn)的研究指出，在維持自穩(wěn)情況下采用“上疏下密”、“上長(zhǎng)下短”和“窄筋長(zhǎng)布”的布筋方式較為合理。Fuente[6]介紹了加筋土擋墻的預(yù)制混凝土面板的3項(xiàng)創(chuàng)新，這些創(chuàng)新包括面板的錨固系統(tǒng)，拉拔試驗(yàn)的裝配和使用纖維作為加筋材料，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)性研究證明它們的可行性和優(yōu)勢(shì)。M.El-Emam[7]使用縮尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究加筋剛度、長(zhǎng)度和豎直間距對(duì)模擬加筋土擋墻的地震響應(yīng)的影響，并總結(jié)了研究結(jié)果。

本文開(kāi)展一系列砂箱模型試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括試驗(yàn)材料、試驗(yàn)步驟、比選標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)優(yōu)化。以較少的用筋量和較大的承載能力為條件，研究基于砂箱模型的加筋土擋墻在超載情形下的合理布筋方式，對(duì)比分析不同加載工況下的承載能力和變形特性。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

a）砂箱 尺寸 75 cm×50 cm×50 cm（長(zhǎng)×寬×高），由1個(gè)底板和3個(gè)固定立面板構(gòu)成，第四個(gè)立面板是可移動(dòng)板，用于擋墻構(gòu)筑時(shí)提供臨時(shí)的支撐力（見(jiàn)圖1）。砂箱材料為15 mm厚度膠合木質(zhì)板。砂箱內(nèi)部尺寸為模型箱尺寸減去膠合板厚度，誤差不得超過(guò)5 mm，內(nèi)表面須平整?？梢苿?dòng)板可以通過(guò)螺釘或螺絲與砂箱暫時(shí)固定。兩側(cè)平行直立面板由1根φ6光圓鋼筋連接，以在可移動(dòng)面板移走時(shí)固定兩側(cè)立面板。鋼筋軸心在箱頂之下1.5 cm處，距砂箱前表面2 cm。

圖1 加筋土擋墻砂箱模型示意圖

b）填料 干燥的潔凈中粗砂，使用時(shí)不得添加水和其他任何材料，填砂容重為γ=15.81 kN/m3，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為c=0 kPa，φ=34.8°。

c）擋墻面板 標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)紙板，厚度1.2 mm，尺寸為50 cm×50 cm。試驗(yàn)中須對(duì)擋墻面板進(jìn)行折疊，兩側(cè)向后折疊1.5 cm，底部向后折疊2.0 cm。折疊后的實(shí)際尺寸為寬47 cm、高48 cm。

d）筋材 無(wú)紋100 g信封用牛皮紙。

e）面板與加筋材料的連接材料 包裝用透明膠帶，標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，寬48 mm。膠帶僅作為連接面板用，不可用作加筋材料，且不得與模型箱側(cè)壁接觸。

f）建造擋墻用的鏟子、裝砂桶、矩形加載箱40 cm×20 cm×30 cm。

g）雙向塑料土工格柵 尺寸45 cm×45 cm，置于擋墻頂面與加載箱之間，用于施加水平荷載。

h）輔助工具 鉛筆、測(cè)量與畫(huà)線(xiàn)用的尺子、剪裁工具與裁紙墊板等。

1.2 試驗(yàn)步驟

1.2.1 裝配階段

a）裁剪拉筋和擋墻面板，根據(jù)試驗(yàn)方案，用膠帶將拉筋和擋墻面板連接起來(lái)。

b）將可拆卸擋板固定在模型箱側(cè)面，并將擋墻紙板放置在可拆卸板的內(nèi)側(cè)。

c）填砂時(shí)分層進(jìn)行填筑，保證每層填筑之前對(duì)砂土進(jìn)行手動(dòng)壓實(shí)，同時(shí)整平，將拉筋拉直，鋪上填砂，重復(fù)此過(guò)程，直至砂土離箱頂不大于1 cm，填筑工作完成。

d）撤去可移動(dòng)擋板，擋墻紙板和筋條承受土壓力，裝配工作完成。

1.2.2 加載階段

待自重情形下的加筋土擋墻穩(wěn)定1 min后，在墻頂放置一塊雙向塑料土工格柵，格柵伸出墻面10 cm，用砂土填滿(mǎn)格柵網(wǎng)孔，再在其上放置矩形加載箱，箱底邊緣距離墻面7 cm。向加載箱中倒入砂土作為附加豎向荷載。最大附加豎向荷載為50 kg。

若施加附加豎向荷載1 min后擋墻保持穩(wěn)定，則用數(shù)顯測(cè)力計(jì)水平拉墻面一側(cè)土工格柵，以施加水平荷載。

擋墻破壞或失效的判定：擋墻發(fā)生明顯的整體或局部垮塌，則視為擋墻破壞；擋墻在沒(méi)有發(fā)生明顯破壞情況下，面板上任何一點(diǎn)碰到試驗(yàn)箱的前表面，即視為變形失效；擋墻在施加附加荷載過(guò)程中，如果加載箱因擋墻變形而傾斜，且與模型箱連桿接觸，也被判為變形失效。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 筋條寬度試驗(yàn)

采用如圖2所示的布筋間距和筋條長(zhǎng)度，取寬度為0.5 cm、0.4 cm和0.3 cm的筋條進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算M值，通過(guò)M值來(lái)判斷方案的優(yōu)劣。M=50-0.1x+y+2z，其中x是所需牛皮紙的面積，cm2；y是墻頂附加豎向荷載，kg；z是墻頂附加水平荷載，kg。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖2 筋條寬度試驗(yàn)布筋方式（單位：cm）

表1 筋條寬度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中豎向荷載最大限制為50 kg，表中的豎向承載能力和水平承載能力是砂箱模型接近破壞時(shí)的承載能力。

以上結(jié)果表明，在相同布置間距和同等筋條長(zhǎng)度下，自重情形下均能保持穩(wěn)定，0.3 cm方案所用筋材面積最小，較0.4 cm方案節(jié)省25%，較0.5 cm方案節(jié)省40%。在超載情形下，綜合考慮筋條使用面積、豎向承載能力和水平承載能力計(jì)算出的M值表明，盡管0.5 cm方案用筋量最多，但是相比0.3 cm方案，其豎向承載能力和水平承載能力明顯提高；相比0.4 cm方案，筋材用量增加25%，而水平承載能力增加133%，M值增加19.9%。

2.2 筋條“上長(zhǎng)中短”與“上短中長(zhǎng)”對(duì)比試驗(yàn)

“鼓肚”現(xiàn)象是柔性加筋土擋墻容易發(fā)生的問(wèn)題，一般是由于靠近墻面處碾壓、自重壓實(shí)或者筋土蠕變等因素造成的。陳建峰[8]提到鼓肚現(xiàn)象，其研究的擋墻高7.6 m，在墻高3.7 m處測(cè)點(diǎn)水平位移較大，這表明鼓肚現(xiàn)象一般出現(xiàn)在加筋土擋墻中部。

本試驗(yàn)為砂箱模型試驗(yàn)，由于擋墻面板和筋條均為柔性材料，故極易發(fā)生“鼓肚”現(xiàn)象。“鼓肚”現(xiàn)象造成加筋土擋墻中部位移過(guò)大，繼而使筋條產(chǎn)生過(guò)大的水平位移，筋條容易拔出或斷裂，導(dǎo)致加筋土擋墻承載力下降。故設(shè)計(jì)2組對(duì)比試驗(yàn)：筋條“上長(zhǎng)中短”與“上短中長(zhǎng)”對(duì)比試驗(yàn)，2組試驗(yàn)在相同的其他條件下（布筋間距為“7層 6根”，筋條寬度為0.4 cm，底部3層筋條長(zhǎng)度為20 cm），“上長(zhǎng)中短”方案采用上面2層筋條長(zhǎng)度為40 cm，中部2層筋條長(zhǎng)度為30 cm；“上短中長(zhǎng)”方案采用上面2層筋條長(zhǎng)度為30 cm，中部2層筋條長(zhǎng)度為40 cm，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 “上長(zhǎng)中短”與“上短中長(zhǎng)”對(duì)比試驗(yàn)

其他條件不變及使用相同的用筋量的情況下，相比“上長(zhǎng)中短”方案，采用“上短中長(zhǎng)”的布置方案使得加筋土擋墻的水平承載能力提高了55.6%，相應(yīng)的M值也明顯提高。

這一組對(duì)比試驗(yàn)說(shuō)明了采用“上短中長(zhǎng)”方案減少了柔性加筋土擋墻墻面中部的水平位移，減少了“鼓肚”現(xiàn)象對(duì)加筋土擋墻的影響，大大提高了加筋土擋墻的承載能力，可見(jiàn)同等筋條面積、筋條寬度及筋條布置間距情況下，“上短中長(zhǎng)”布置方式的加筋土擋墻穩(wěn)定性高于“上長(zhǎng)中短“布置方式的穩(wěn)定性。

2.3 水平U形布筋試驗(yàn)

基于以上試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)加筋土擋墻破壞時(shí)筋條的破壞形式幾乎均為拔出破壞而非拉斷破壞，這說(shuō)明筋條的抗拉強(qiáng)度并未被充分利用。

從充分利用筋條抗拉強(qiáng)度的角度出發(fā)，想到將相鄰2根筋條連接起來(lái)，形成U形回環(huán)式的布筋形式，這樣筋條與砂土能夠形成一個(gè)包裹區(qū)域，充分發(fā)揮筋條的抗拉強(qiáng)度，從而提高加筋土擋墻的承載能力。

為探討水平U形布筋方式的可行性，設(shè)計(jì)了如圖3所示的水平U形布筋試驗(yàn)，同時(shí)與相同布筋間距、相同布筋面積和相同布筋寬度（這里選取0.4 cm寬的筋條）的條帶式布筋試驗(yàn)作對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 水平U形布筋試驗(yàn)布置方式（單位：cm）

水平U形布筋試驗(yàn)與條帶式布筋試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，水平U形布筋方案的承載能力低于條帶式布筋方案，水平承載能力相比條帶式降低了39.3%，相應(yīng)地，M值也明顯減少。

表3 水平U形布筋試驗(yàn)與條帶式布筋對(duì)比試驗(yàn)

造成U形布筋方案承載能力降低的原因是多方面的。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，筋條平面是豎向布置的，這導(dǎo)致筋條表面所受的力為側(cè)向土壓力，筋條與砂土之間的摩擦力較??；面板產(chǎn)生的位移在上部和下部是不均勻的，這就導(dǎo)致筋條端部上下受力不均衡，當(dāng)筋條受力稍大時(shí)，筋條極易撕裂，使得其承受的拉力遠(yuǎn)小于其容許拉力。試驗(yàn)中在加載過(guò)程中可以清晰地聽(tīng)到筋帶一根根斷裂的聲音，這說(shuō)明U形布筋方式確實(shí)可以達(dá)到筋條發(fā)生拉斷破壞而非拔出破壞。

2.4 豎向U形布筋試驗(yàn)

為了改進(jìn)水平U形布筋方式，很容易想到進(jìn)行豎向U形布筋方式。豎向布筋方式有效地避免了水平U形布筋方式的缺點(diǎn)，與條帶式布筋方式及水平U形布筋方式對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 豎向U形、條帶式及水平U形布筋方式對(duì)比試驗(yàn)

由表4可知，豎向U形布筋方式的水平承載能力，相比水平U形布筋方式水平承載能力提高了11.8%，相比條帶式布筋方式降低了32.1%。這說(shuō)明基于本砂箱模型的加筋土擋墻條帶式布筋方式優(yōu)于水平U形及豎向U形布筋方式。

試驗(yàn)中，水平U形布筋和豎向U形布筋方式在加載過(guò)程中都發(fā)生了相同的現(xiàn)象：隨著加載量的增加，加筋土擋墻內(nèi)部出現(xiàn)筋條斷裂的聲音，即一部分筋條提前斷裂，這正是U形布筋方式承載能力下降的原因。盡管U形的布筋方式改變了筋條的破壞形式，筋條由拔出破壞（黏結(jié)破壞）變?yōu)槔瓟嗥茐?，筋條充分發(fā)揮了其抗拉能力，但是U形布筋方式使得筋條與筋條內(nèi)的填砂形成一個(gè)抗滑區(qū)域，限制了筋條的位移，使得在面板產(chǎn)生不均勻位移時(shí)，一些筋條提前被拉壞，所有筋條無(wú)法形成一個(gè)整體，協(xié)同工作。而條帶式布筋則不同，在擋墻面板產(chǎn)生不均勻位移時(shí)，允許筋條產(chǎn)生較小的位移，使得筋條能夠共同承擔(dān)砂土和附加荷載產(chǎn)生的側(cè)向壓力。

3 結(jié)論

本文主要介紹了加筋土擋墻砂箱模型試驗(yàn)的開(kāi)展過(guò)程，并從承載能力和材料用量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)比分析了不同布筋方案的效果和破壞模式，主要得到以下結(jié)論：

a）砂箱模型試驗(yàn)的筋條寬度試驗(yàn)結(jié)果表明，在其他條件不變的情形下，筋條寬度采用0.5 cm時(shí)的效果更好。

b）砂箱模型試驗(yàn)的筋條長(zhǎng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，在其他條件不變的情形下，“上短中長(zhǎng)”布筋方式優(yōu)于“上長(zhǎng)下短”布筋方式。

c）砂箱模型試驗(yàn)的U形布筋試驗(yàn)結(jié)果表明，水平U形和豎向U形布筋方式雖然充分發(fā)揮了筋條的抗拉強(qiáng)度（筋條破壞模式由拔出破壞變?yōu)閿嗔哑茐模?，但是由于擋墻紙板發(fā)生不均勻位移，筋條之間失去了整體協(xié)調(diào)工作的能力，使得最終承載能力低于條帶式布筋。