基于砂箱模型试验的加筋土挡墙最优布筋方式探究

徐良付

为了最大程度的发挥加筋土挡墙抵抗土压力的能力，我们需要研究出最优的布筋方式，为此，我们开展了以信封纸作为加筋材料的砂箱模型试验，测定了加筋材料以及填料的物理力学性能后，分析了布筋密度，筋带宽度及长度等因素对加筋土挡墙稳定性的影响规律，在此基础上，我们通过有限元分析结合试验探讨了加筋方向对加筋土挡墙稳定性的影响。探究表明，在一定的用筋量条件下，采用“窄筋密布”、“窄筋长布”、“错位布筋”、“上长下短”的布筋方式，能显著提高加筋土挡墙的稳定性，对于以自重为主的加筋土挡墙，设置10°左右的下倾角筋条，也能提高挡土墙的稳定性。

加筋土是在土中加入拉筋，利用拉筋与土之间的摩擦作用，改善土体的力学性能和提高土体的整体结构性，从而达到稳定土体的作用。加筋土挡墙由填料和在填料中布置的拉筋，以及挡土面板三部分组成。现有的设计理论和规范，主要解决加筋土挡墙的稳定问题。由于加筋土结构的复杂性，加筋土理论还大大落后于工程实践，加筋土挡墙在工程应用中仍存在许多问题，为此，我们专门开展了加筋土挡墙最优布筋方式以及布筋方向的探究。

模型试验材料及参数

填料：干燥清洁粗砂，容重，抗剪强度指标，，颗粒级配良好；

加筋材料：信封用牛皮纸，试验测得其宽度为0.5cm的抗拉强度。

试验设计思路

1. 基本假定

墙墙后填土为砂土（黏聚力c≈0）；

挡墙墙后土体达到主动极限状态时，土体形成滑动楔体[2]；

模型墙体承受的土压力符合线性分布；

筋土之间的摩擦系数随填土密实度变化。

根据朗肯土压力理论，计算得砂箱模型挡土墙的主动土压力分布及填砂破裂面形状位置，如图2所示，

2.设计思路

基于加筋用量最小的加筋土挡墙最优布筋方式，主要受筋带长度、筋带宽度和布筋密度三个变量的共同影响，其中，筋带长度、筋带宽度、布筋密度为独立变量，而筋带总面积为非独立变量，因此，我们运用控制变量的方法，来确定最小布筋面积。

而对于布筋方向，同样可以采用控制变量的方法，通过计算机编程对土体的稳定性进行有限元分析，从而得出不同情况下最优倾斜角度。

模型试验探究加筋土挡墙最优布筋方式以及布筋方向

1.最佳长度试验探究

筋带长度的选择主要考虑不同的层与层之间筋带的长度，为此我们首先确定了四种方案，a，上下等长，b，上短下长，c，上长下短，d，上下等长，适当加大中间层长度。通过图2的填土破裂面，我们知道挡墙破坏时的理论破裂面是从挡墙底端起，沿抛物线形式向上和向里扩展的，因此，a和b方案就显得很不经济了，在考虑c，d方案的时候，我们在导师的帮组下用相应的软件进行了模拟，发现，虽然d方案能使墙后更多的土体受到扰动，产生应变，也就是说可以提供更大的对挡墙的拉力，防止挡墙破快，但前提是，需要更多的筋带，综合考虑起来也是不经济的，因此，我们最后确定了c方案为比较合理的布筋方式。

2. 最佳宽度试验探究

为了确定最合理的筋带宽度，我们想到了一个很好的办法，我们用弹簧拉力计测试相同埋置深度，相同长度，不同宽度的筋带从沙土中匀速拔出来时的力，并用这个力除以筋带的面积，我们定义为“比强度”，这样，只要找到比强度较大时所对应的宽度，即为合理并且经济的宽度，通过一番试验之后，我们最终确定了宽度在0.3cm到0.5cm的宽度是比较合理的。即选用“窄筋“布置时，比强度相对较大，宽度比较合理。

3.最优布筋密度的试验探究

在最初做实验的时候，为了最大程度简化试验影响因素，我们都才用了“宽筋疏布”的方式来布置筋带，这样显然也是不合理的，因为挡墙的刚度并不是很大，他需要一个比较均匀的力，即在挡墙的每一点都能提供有效拉力，从而防止发生过大变形而破坏，所以，选择“疏布”筋带就显得很不合理了。

为了解决这个问题，我们确定了两种试验思路，一方面，选择“密布”的同时，缩小筋带的宽度，从而有效的控制筋带的用量；另一方面，我们选择“错位布筋”的方式，即最大限度的减小挡墙的受力空白区。从而时期能够有效的抵抗墙后土压力的同时，不产生过大的绕度或者变形。

在确定了实验思路后，我们进行了大量的试验，并将观察结果记录于表1。最后我们确定了“窄筋密布”“错位布筋”为最优布筋方法。

4. 布筋方向的试验探究

在实际工程中，常因种种需要而采用倾斜布筋的方式，就粘着破坏条件而言，设置一定角度的向下倾斜的角度的筋条，可使作用在筋条表面的摩擦力对应的法向力作用位置降低，从而可以提高加筋土的强度，为此，我们通过等梯度连续设置不同的倾斜角度，使用计算机编程进行有限元计算，绘出图3所示的挡土墙稳定性安全系数曲线，从曲线走势可以看出，当荷载中超载所占的比例大时， 筋条水平布置， 其效果更好； 而当其自重占的比例大时，设置10°左右的下倾角，其稳定性更好。

结论

应用控制变量的方法，通过对影响加筋土挡墙稳定性的布筋密度，筋带宽度及长度等因素的试验探究，我们得出了基于最小布筋面积的最优布筋方式，总结来说，即“窄筋密布”、“窄筋长布”、“错位布筋”、“上长下短”的布筋方法，能显著提高加筋土挡墙的稳定性。在此基础上，我们通过等梯度连续设置不同的倾斜角度，使用计算机编程进行有限元计算，绘出土挡墙稳定性的安全系数曲线，从曲线走势可以看出，当荷载中超载所占的比例大时， 筋条水平布置， 其效果更好； 而当其自重占的比例大时，设置10°左右的下倾角，则能提高挡土墙的稳定性。

（作者单位：中南大学土木工程学院）