对拉式挡土墙受力特性试验研究

2014-11-27宋修广吴建清张宏博张思峰于一凡

铁道建筑 2014年9期

宋修广，吴建清，张宏博，张思峰，于一凡

(1.山东大学土建与水利学院，山东济南 250061;2.山东省路基安全工程技术研究中心，山东济南 250061;3.山东建筑大学交通工程学院，山东济南 250101)

随着交通设施建设向山区扩展，以及交通网密度增大引起跨线、跨河路段增多，高填方路堤越来越多。为了少占耕地，最有效的办法就是设置挡墙，从而减少占地面积、节约取土方量［1］。由于传统的重力式、半重力式、悬臂式、扶壁式挡土墙在使用时常受到客观条件的限制，从而促进锚杆式、加筋土、柱板式轻型支挡结构的发展［2］。

对于路基两侧均需设置挡土墙的地段，若采用常规方法设计加筋土挡土墙，则会出现以下问题:每侧面板的拉筋均有一定长度的无效段;左右两侧拉筋因分别设置而相互重叠造成浪费。通过分析大量挡土墙结构形式，提出了对拉式挡土墙结构［3］。对拉式挡土墙由对称设置在路基两侧的悬臂式钢筋混凝土挡土墙体与贯通路基宽度的对拉锚杆连接而成。该类型挡土墙可以分级建设，极限高度大于传统挡土墙。由于对拉式挡土墙构造特殊，土压力的影响因素更为复杂，从而使得这种结构的土压力分布有很大的不确定性。关于对拉式挡土墙的模型试验较为少见，其原因是保证两面对拉挡土墙相对平行较为困难，仅江屹东［4］对置筋式挡土墙进行了理论设计并对不同的预应力张拉工况进行了研究，提出了预紧力与顶部荷载的函数关系式。鉴于此，本文设计制作了对拉式挡土墙模型试验装置并进行了试验分析，系统地研究对拉式挡土墙支护高填土路基的受力特征，其结果可为该类型挡土墙的设计和施工提供参考。

1 对拉式挡土墙模型试验设计

1.1 试验目的及模型构造

通过室内模型试验研究对拉式挡土墙的变形规律、土压力分布规律以及锚杆受力分布规律。按照几何相似原则［5］，将挡土墙按3∶1比例相似缩小为模型。对拉式挡土墙模型长2.4 m，宽1.8 m，高2.0 m。锚杆分两层布设，上层锚杆直径为25 mm，位于挡土墙高度1.4 m处，下层锚杆直径为32 mm，位于挡土墙高度1.0 m处，模型如图1所示。

图1 几何模型(单位:mm)

试验装置能够随时调整模型尺寸、锚杆支护形式、加固时机等参数，适用于不同工况条件下锚拉式挡墙应力及位移测试，易于加工，安装、拆卸方便，能够重复利用，降低成本，提高工作效率。对拉式挡土墙模型主要由锚杆、悬臂挡墙和加载设备组成。其中，将填土荷载换算为均布荷载，通过反力架使用千斤顶加载，并通过千斤顶下的钢板转化为均布荷载来模拟填土过程。

1.2 模型安装

模型安装步骤如下:

1)地基处理和钢板挡土墙及反力架的安装

地基采用碎石铺垫，摊铺厚度为40 cm，分两层摊铺，摊铺过程中用TRD-80电动冲击夯进行夯实，每层夯实次数为5～7遍，直至摊铺层没有竖向的沉降变形，这样可以保证两面对拉挡土墙的相对平行。地基处理如图2(a)所示。

在处理过的碎石地基上安装钢板挡土墙和反力架，采用大型的吊车和铲车安装，反力架安装完成后如图2(b)所示。与反力架跨向平行的为施加预应力的两块钢板挡土墙，另外两墙为刚性挡土板，挡土板之间用4条钢筋对拉，以保证模型断面处于平面应变状态。

图2 地基处理及挡墙反力架安装

2)填土压实

为了保证压实度，填土每层厚度控制在30 cm左右。采用电动冲击夯和人工夯实相结合的方法，因为砂土黏聚力几乎为0，所以电动冲击夯对每层填土表层夯实效果不佳。层间填土先用电动冲击夯夯实，再用人工夯实，为了避免电动冲击对埋设仪器的扰动。在距仪器埋设处50 cm内只用人工夯实，如图3(a)所示。

通过最大干密度试验测得墙间填土的最大干密度为1.716 g/cm3，墙间填土每层压实度按最大干密度的85%以上控制。为了保证挡墙之间在填土过程中不产生位移，在挡土墙端部之间用螺栓固定，待填土结束后卸下螺栓，如图3(b)所示。

图3 墙间土夯实及挡土墙的固定

3)监测仪器的埋设

为了分析新型挡土墙力学机理，在不同高度处开挖埋设土压力盒，用于监测土压力的变化规律。同时安装了锚索测力计用于监测锚杆的拉力变化。锚杆测力计与精轧螺纹钢之间采用焊接连接，锚杆之间采用配套的锚杆连接器连接。为了监测挡土墙的侧向位移，在挡土墙一侧的竖直方向安装百分表进行监测。土压力盒设备编号及仪器埋设位置如图4(a)所示。

采用振弦式土压力盒监测土压力。待墙间填土至土压力盒埋设处时开挖20 cm将压力盒埋入。土压力盒的埋设如图4(b)、图4(c)所示。

采用锚杆测力计监测锚杆受力。待墙间填土填至高过锚杆测力计埋设位置30 cm，开挖埋入锚杆测力计，锚杆测力计与精轧螺纹钢之间采用焊接连接，锚杆之间采用配套的锚杆连接器连接，如图4(d)所示。锚杆穿过挡土墙上预留的锚孔，用螺栓锚定。

为了监测挡土墙的侧向位移，在挡墙一侧的竖直方向固定一根钢筋，并在测位移的位置套入固定铁环作为与百分表接触的固定端。在所测位移处，借助于强性磁铁和铁环作为固定端，将百分表固定于挡墙一侧，并使百分表的末端接触点与固定铁环的接触面相垂直，以确保水平位移的监测，如图4(e)所示。

为了使填土表面均匀受力，待墙间填土填筑完成之后，在顶部放置一块厚 30 mm，长2 400 mm，宽1 700 mm的承压板，承压板上面固定两层工字钢，下层工字钢间隔分布，上层工字钢相邻布置。最后将加载所用到的LYD型立式千斤顶置于工字钢上面，如图4(f)所示。

图4 测试仪器安装

1.3 试验方案

模型加载采用分级加载的方式进行。顶部荷载通过千斤顶分别施加 20，40，60，80，100 及 120 kPa 的压力。为了减少试验过程中分级加载塑性变形的影响，在分级加载前对土体进行了加载预压，预压时所加荷载大约为分级加载最大值120 kPa的10%。加载流程如图5所示。

图5 模型试验流程

2 对拉式挡土墙变形规律

为了研究不同填土高度处挡土墙的变形规律，对百分表测得的挡墙变形数据进行分析，如图6所示。由图6可知:挡土墙变形随着顶部荷载的增加而呈外倾增大趋势，卸载后有塑性变形。挡土墙位移沿高度方向形成位移土拱效应，随高度呈类抛物线型分布，在上下两排锚杆中间区域，由于对拉锚杆对挡土墙的约束作用，挡土墙变形最小。对拉式挡土墙位移量整体较小，墙体稳定性好。

图6 挡土墙位移与高度的关系

3 对拉式挡土墙土压力分布规律

3.1 基底土压力增量变化规律

挡土墙基底内外侧的土压力增量分布如图7所示。

图7 基底土压力增量分布

由图7可知:基底内外侧土压力均随着顶部荷载的增加而增大;随着顶部荷载的增加，基底外侧压力明显增大;而基底内侧压力虽然也随荷载增大，但变化不明显，趋于稳定。说明挡墙有外倾倾向，使得基底外侧压力增大。

3.2 L/2处竖向压力的变化规律

为了监测中心位置竖向土压力的变化，在两面对拉挡土墙水平中心不同填土高度(0，0.4，0.8，1.2，1.4和1.6 m)埋设土压力盒(即图 4(a)中的 6，9，13，18，26，29)，得到的竖向土压力沿深度变化曲线如图8所示。

图8 不同荷载条件下竖向土压力沿深度变化曲线

由图8可知，路基内部1.2 m高度位置处的竖向土压力明显偏大，底部位置处的竖向土压力明显偏小。这是由于锚杆的存在，相当于在路基内部施加了一根横系梁，而该横系梁的刚度明显大于周围土体，且由于直径较大，则在竖向土压力作用下，该梁具有较强的承载作用及空间遮蔽效应，从而引起横系梁上部应力集中，下部应力明显偏低。因此，在进行锚杆设计特别是注浆防腐设计时，必须要充分考虑其抗剪性能，防止注浆体的开裂失效。

3.3 挡土墙侧向土压力增量变化规律

侧向土压力分布是挡土墙设计施工时的重要理论依据［6］。侧向土压力增量沿挡土墙高度的变化曲线如图9所示。

图9 侧向土压力增量沿挡墙高度变化曲线

由图9可知，侧向土压力增量随着顶部荷载的增加而增大，随挡土墙高度呈类抛物线型分布，在上层锚杆以上的位置随着深度的增加而增大，最大位置出现在上下两层锚杆之间，即挡土墙高度1 m附近，土压力增量最高达115 kPa。这说明设置对拉锚杆后挡土墙的承载能力增加，锚杆起到了有效的支护作用。由于上下锚杆约束了挡墙的侧向变形，使上下两锚杆之间土压力较其他位置大。锚杆下方的侧向土压力增量随着深度的增加而减少。这可由挡土墙侧向位移发展规律予以解释，研究表明，如果挡土墙的上端和下端都向外移动，当位移的大小未达到足以使填土发生主动破坏时，压力是曲线分布的，总土压力作用点位于墙高1/2附近;当位移超过某一值后，填土中将发生主动破坏，压力呈直线分布，总压力作用点降至墙高的1/3处。

4 对拉式挡土墙锚杆受力分布规律

锚杆受力变化如图10所示。由图可知:填土完成后，上层锚杆所受拉力高于下层，这符合锚杆横系梁的空间遮蔽效应。随着顶部荷载的增加，荷载继续向下传递，上下两层锚杆受力重新分布，下部锚杆对挡墙的约束作用也逐渐体现，下层锚杆受力逐渐超过上层锚杆，上下层锚杆均处于受拉状态，符合挡土墙外倾规律。当顶部荷载较高时，需要采取增大下层锚杆直径、加密下层锚杆等措施提高下层锚杆的承载力。

图10 锚杆受力变化

5 预应力的影响分析

5.1 不同预应力

为了研究在高填土条件下锚杆预应力对对拉式挡土墙受力特性的影响，采用千斤顶对锚杆进行预应力张拉试验。在顶部施加指定大小荷载并维持5 min恒压后对锚杆的一侧进行张拉。由前文可知，顶部荷载较大时，下层锚杆所受拉力较大，因此，在维持顶部荷载100 kPa时，对下层锚杆分别施加100，150 kN预应力，并与无预应力工况进行对比。上下两层锚杆受力如表1所示。可知，与锚杆无预应力相比，下层锚杆施加预应力后，上下两层锚杆所受拉力均有所增加，下层锚杆承担荷载的比例有所增加。

表1 不同预应力下锚杆受力分布 kN

顶部荷载为100 kPa时，对下层锚杆分别施加100，150 kN预应力，并与无预应力工况对比，挡土墙的侧向土压力分布及墙体的位移如图11所示。由图11(a)可知，锚杆施加预应力后，锚杆附近的侧向土压力显著增加，且随着预应力的增加而逐渐增大。锚杆施加预应力后，锚杆拉紧，对挡土墙的约束作用也有明显提高，约束墙体外倾(如图11(b)所示)，锚杆以下位置墙体由外倾向内倾发展，锚杆以上位置墙体外倾趋势也减少。由于在施加预应力的过程中会不可避免地对墙体产生扰动，造成150 kN预应力时1.5 m高度处百分表数据异常。锚杆周围挡土墙由于承担的侧向土压力较大，设计施工时需进行加固处理，防止其产生裂缝。

5.2 锚杆失效

锚杆在长期的使用过程中，可能会发生防腐体破裂，引起锚杆的腐蚀破坏，对挡墙及邻近锚杆的受力不利，因此，有必要研究锚杆失效效应。锚杆预应力损失即为锚索体失效的一个重要表现。采用对锚杆预应力分级卸载的方式模拟锚杆的失效。顶部荷载维持120 kPa，对下层锚杆施加110 kN预应力，预应力卸载时，第1级卸载至100 kN，第2级卸载至80 kN，第3级卸载至60 kN，最后卸载至0。侧向土压力分布如图12所示。