基于砂箱模型试验的肋板式挡墙稳定性及合理布置方式分析

姚阳，罗强，谢涛，张玉广,张良，蒋良潍

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)



基于砂箱模型试验的肋板式挡墙稳定性及合理布置方式分析

姚阳1,2，罗强1,2，谢涛1,2，张玉广1,2,张良1,2，蒋良潍1,2

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

肋板式挡墙是由墙面挡土板、摩擦锚固肋板和肋间土体组成的一种新型支挡结构，其稳定性主要受肋板长度及布置间距的影响，为此开展了采用纸质作为挡墙面板和肋板的小型砂箱模型试验。研究结果表明：肋板式挡墙承受的土压力主要通过肋板与肋间土体的摩阻力平衡，稳定需满足肋板最小长度，且肋板长度≥布置间距的基本布置要求；根据不同的肋板布置方式，肋板式挡墙存在长肋疏布的摩擦锚固型和短肋密布的整体土墙型2种典型作用模式；极限稳定状态下，肋板长度≈布置间距的过渡型布置方式最合理，所需肋板面积最小。

肋板式挡墙；砂箱模型；墙体稳定性；作用模式；布置方式

肋板式挡土墙是一种新型的轻型支挡结构，由挡墙面板与垂直分布在面板上的肋板组成，如图1所示。肋板式挡墙是利用钢筋混凝土肋板竖直植入陡坡地基稳定土层中获得的抗拔抗倾抗剪力，来平衡土体对挡墙面板的侧向土压力，实现陡坡地基挡土结构的平衡稳定，从而防止陡坡路基土体变形失稳。肋板式挡墙的肋板具有较大的刚度，可以约束土体的侧向变形，其施工时对土体的扰动较小。由于肋板与面板可以预制，施工装配较为简单快捷。墙面板可以垂直砌筑，可大量减少占地，且挡墙结构造型美观。现在普遍应用的支挡结构有重力式挡墙，悬臂式挡墙，卸荷板式挡墙，加筋土挡墙等[1-8]。其中，重力式挡墙是依靠墙身自重抵抗土体侧压力；悬臂式挡墙由底板和固定在底板上的直墙构成，主要靠底板上的填土重量来维持稳定；卸荷板式挡墙是一种墙背带有卸荷板的轻型挡墙，由于卸荷板的存在，使卸荷板上的填料作为墙体重量，而卸荷板又减少了下墙的土压力，增加全墙的抗倾覆稳定性；加筋土挡墙是在土中加入拉筋，利用拉筋土之间的摩擦作用来维持墙体的稳定。一些学者[9]设计出新型结构的挡土墙，也在工程中取得了良好的效果。而肋板式挡墙不同于以上各类挡墙的受力模式，它是通过肋板与土体间的摩擦力来平衡土体水平土压力来保证土体稳定。受试验规模、场所条件的限制，根据Roscoe[10]的定性小模型试验理论，不严格考虑材料相似性，以纸板模拟挡墙模型，砂箱模拟墙后土体制定砂箱模型试验[11-13]。通过砂箱模型试验开展肋板式挡墙稳定特性研究，重点分析不同肋板长度及间距下，肋板式挡土墙的稳定情况，从而得出肋板式挡墙的合理布置方案。使肋板式挡墙中的肋板得到充分的利用，探讨作用机理，建立结构设计方法。

图1　肋板式挡墙构造Fig.1 Ribbed plate type retaining wall structure

1　模型试验设计及参数

模型砂箱：几何尺寸为长75 cm，宽50 cm，高50 cm，面板可拆卸，箱体材料侧板为1.5 cm厚胶合板，底板厚度为2 cm厚胶合板，砂箱开口处有一块可拆卸面板，距砂箱顶端2 cm处有一连杆，如图2(a)所示。

单位：cm(a)砂箱构造；(b)移动面板图2　试验用砂箱及可移动面板尺寸Fig.2 Test sand box and movable panel size

挡墙面板采用250 g白卡纸，平面尺寸为50 cm×46 cm，如图2(b)所示。试验中需根据砂箱净尺寸对墙面纸板进行折叠，两侧向后折叠1.5 cm。折叠后实际尺寸47 cm×46 cm。挡墙面板安放在距离砂箱外表面2 cm处。紧靠着可移动模型面板。

挡墙肋板：采用2 mm全灰纸板，预制所需尺寸。

表1　砂土颗粒级配

图3　粒径级配曲线Fig.3 Grain size distribution curve

2　模型试验基本原理

对于多变量影响的问题，往往采用控制变量的方法来研究问题，即控制某一个变量改变而其他的几个变量保持不变来做试验，得到此改变的变量对试验结果的影响。然后用同样的方法控制另一个变量变化而其他变量不变重复试验，这样就可以分析得到所有单一变量对试验结果的影响，对问题的研究更加科学精确。

肋板式挡墙的稳定性主要受到肋板长度、肋板间距、肋板高度3个因素影响。肋板用料总面积=肋板长度×肋板高度×肋板数量，其中，肋板高度与面板高度等高，在本试验中为定值。肋板数量与肋板间距有关。因此，只有肋板长度和肋板间距2个独立变量对肋板式挡墙的稳定性产生影响。以极限稳定状态为条件，探讨肋板间距与肋板长度对挡墙稳定性影响关系，得到在肋板用料面积最小时的合理布置方式及相应破坏模式。

基于砂箱模型的肋板式挡墙试验基本假定：1)挡土墙墙后填土为砂土(黏聚力c≈0)；2)挡土墙墙后土体达到主动极限状态时，土体形成滑动楔体；3)砂箱模型墙体承受的土压力符合线性分布。

采用朗肯土压力[16]理论，土压力呈上小下大的三角形分布，如图4所示。

单位：cm图4　填土破裂面及土压力Fig.4 Earth filled fracture surface and earth pressure

3　肋板式挡墙极限稳定状态的模型试验

3.1模型试验方案

将模型面板与肋板按照设计尺寸制作裁剪，并通过木胶黏接，放置24 h令其充分固化后形成挡墙模型。试验时先将挡墙模型紧贴放置于模型砂箱活动面板内侧，然后分层填筑墙后土体，并铺平夯实，每层填筑10 cm，共5层。模型填筑完成后，缓慢撤去活动面板，观察记录挡墙模型是否稳定，如图5～6所示。

模型试验通过改变肋板长度与肋板间距来探究其对稳定性的影响，布置方案如表2所示。

表2　模型试验方案

图5　模型挡墙稳定Fig.5 Model retaining wall stability

图6　模型挡墙失稳Fig.6 Model retaining wall instability

3.2墙体肋板等间距布置条件下的模型试验

共进行了16个模型试验，其中肋板数量分别为2，3，4和5块，肋板长度分为10，15，20和25 cm。肋板采用等间距布置，墙体稳定条件为墙面无明显变形或漏砂。墙体肋板布置及稳定状态如表3所示。

表3　墙体肋板布置及稳定状态

试验表明：1)肋板布置的疏密程度对肋板式挡墙面板变形有影响，肋板布置越疏，墙面板局部变形越大；肋板布置越密，墙面板平整度越好，如图7～8所示。 2)在极限稳定状态下，长度为10 cm的4块肋板布置方式所用肋板面积最小，如图9所示。

图7　2块肋板下墙面板变形(局部变形大)Fig.7 Two floors under the deformation of wall panels (local deformation)

图8　3块肋板下墙面板变形(平整度好)Fig.8 Three ribs under the deformation of wall panel (good flatness)

图9　4块肋板布置方式Fig.9 Four ribs layout

3.3肋板合理布置方式试验

表2试验结果显示，当肋板数目在2～3块板时墙体稳定性较差，在4～5块时，墙面比较平整，因此在4块以上肋板布置下继续探究当肋板长度在10 cm及以下时肋板合理布置方式，如表4～7所示，肋板分布尺寸示意图如图10所示。

试验表明：1)18号，1号与2号模型，在达到稳定时肋板的总面积最小，属于肋板较优布置方式；2)肋板长度在8 cm以下时就很难保证试验模型达到稳定状态。

图10　肋板分布尺寸示意图Fig.10 Rib size distribution diagram

模型编号a/cmb/cmc/cmd/cme/cm肋板长度/cm肋板面积/cm2现象19.09.59.09.59.010.028.010.010.010.08.010.037.010.511.010.57.010.046.011.012.011.06.010.055.011.513.011.55.010.01840稳定稳定失稳失稳失稳69.09.59.09.59.09.078.010.010.010.08.09.087.010.511.010.57.09.096.011.012.011.06.09.0105.011.513.011.55.09.01656失稳失稳失稳失稳失稳119.09.59.09.59.08.0128.010.010.010.08.08.0137.010.511.010.57.08.0146.011.012.011.06.08.01354失稳失稳失稳失稳

表5　5块肋板试验结果

表6　6块肋板试验结果

表7　7块肋板试验结果

4　肋板式挡墙破坏模式与布置方式探讨

4.1肋板式挡墙破坏模式

4.1.1长肋疏布下的锚固型破坏模式

当肋板长度较长且肋板间距较大时，在极限稳定条件下，肋板与肋板间土体的摩擦力无法约束肋板间土体的滑动，使肋板间部分土体成为滑动体，破裂面位于肋板间土体内部，如图11所示。

4.1.2短肋密布下的整体土墙型破坏模式

当肋板长度较短且肋板间距较小时，在极限稳定条件下，肋板与肋板间土体的摩擦力足够约束肋板间土体的滑动而使肋板与肋板间土体形成整体式土墙，破裂面只能出现在假想墙背后，如图12所示。

4.2破坏模式与肋板布置方式关系分析

为了更加明确地得到2种破坏模式与肋板布置方式的关系，引入3个肋板布置系数进行辅助分析：间距系数α；长度系数β；结构系数δ。各组试验达到极限稳定状态时3个系数如表8所列。

基于本试验条件下得到的试验结果，分析总结了极限稳定状态下各组试验所需肋板最小面积与相对应肋板数量的相互关系。当肋板数量为5块，肋板长度为8 cm时挡墙可以保持稳定，而当肋板长度减小为7 cm，肋板数量为6块、7块时挡墙无法保持稳定，可认为本试验条件下保证肋板总面积最小时能够稳定的肋板的最小长度为8 cm。因此，当肋板由长度为8 cm时的5块增加到相同肋板长度的6块、7块时达到极限稳定状态下的肋板最小面积将呈增加的变化趋势，对应于图13中直线cde。可见，长度为10 cm的4块肋板布置方式和长度为8 cm的5块肋板布置方式在极限稳定状态下所需肋板面积较小，对应于曲线的最低点b和c，属于短肋密布破坏模式，此时的肋板长度系数与间距系数均约为0.17～0.18；长度为25 cm的3块肋板布置方式所需肋板面积较大，对应于曲线a点，属于长肋疏布方式，长度系数为0.272，间距系数为0.544。可见，满足短肋密布破坏模式的肋板式挡墙肋板布置方法可以使挡墙在极限稳定状态下肋板面积最小。

(a)I-I截面；(b)俯视图图11　长肋疏布方式Fig.11 Long ribs sparse distribution method

(a)II-II截面；(b)俯视图图12　短肋密布方式Fig.12 Short ribs dense pattern

间距系数α(间距/高度)长度系数β(长度/高度)结构系数δ(长度×间距/高2)0.2720.5440.1480.2170.5430.1180.4340.0940.3260.0710.2170.0470.1800.5420.0980.4320.0780.3240.0580.2180.0390.1740.1740.0300.1960.0340.1960.3260.0640.1520.1960.030

图13　极限稳定状态下肋板数量与肋板面积Fig.13 Rib area and number of rib under the limit equilibrium state

图13中a，b，c，d，e 5个点的肋板布置方式对应的肋板布置系数与肋板数量关系如表9所示。进而得到满足肋板布置最小面积条件下，肋板面积、肋板布置系数分别与肋板数量的关系如图14所示。根据曲线的变化规律可将图14分为3个区域，区域Ⅰ为长肋疏布区，对应的破坏模式为摩擦锚固型；区域Ⅲ为短肋密布区，为整体土墙型破坏模式；区域Ⅱ为2种破坏模式的过渡区。在极限稳定状态下，随肋板数量增加(间距系数变小)，肋板长度系数呈下降趋势并最后趋于稳定，最小长度系数βmin≈0.174；同时，结构系数也呈下降趋势。其中，长度系数>间距系数(肋板长度>肋板间距)，且结构系数δ>0.047时为长肋疏布方式，而结构系数δ<0.030时则为短肋密布方式；长度系数≈间距系数(肋板长度≈肋板间距)，且结构系数0.030≤δ≤0.047为2种布置形式的过渡区，所需肋板面积最小，为合理布置方式。由此可见，肋板式挡墙达到稳定状态需满足：1)长度系数β≥βmin；2)肋板长度≥肋板间距。

表9肋板面积最小的肋板布置系数

Table 9 Rib arrangement coefficient when the area of ribs is minimum

肋板数量/块间距系数α长度系数β结构系数δ30.2720.5440.14840.2170.2170.04750.1740.1740.03060.1430.1740.02570.1250.1740.022

图14　肋板数量与肋板布置系数及肋板面积关系Fig.14 Number of ribs and rib plate arrangement coefficient and rib area

5　结论

1)肋板式挡墙是由墙面板、肋板和肋间土体组成，依靠肋板与土体摩擦平衡土压力作用的轻型支挡结构，其稳定性主要受肋板长度和布置间距的影响。试验表明，肋板式挡墙的稳定条件为长度系数β≥βmin≈0.174，肋板长度≥肋板间距。

2)肋板式挡墙的肋板由疏至密变化将依次呈现出摩擦锚固型和整体土墙型两种作用模式。试验表明，肋板长度>肋板间距，结构系数δ>0.047为摩擦锚固型的长肋疏布区Ⅰ，δ<0.030为整体土墙型的短肋密布区Ⅲ。肋板长度≈肋板间距，0.030≤δ≤0.047为两种模式的过渡区Ⅱ。

3)极限稳定状态下，过渡区肋板布置方式最合理，所需肋板面积最小。试验表明，长肋疏布所需肋板面积随肋板间距增加而提高；受肋板最小长度限制，短肋密布所需肋板面积则随肋板间距的减小而增加。

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The stability and arrangement of ribbed slab retaining wall based on sandbox model test

YAO Yang1,2, LUO Qiang1,2, XIE Tao1,2,ZHANG Yuguang1,2, ZHANG Liang1,2,JIANG Liangwei1,2

(1.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Chengdu 610031, China)

Ribbed slab retaining wall is a new kind of retaining structure constructed of retaining plate, its stability is mainly affected by rib length and spacing. The sandbox model test was conducted using paper face-plate and ribbed plate. It shows that the soil pressure under ribbed slab retaining wall was mainly balanced by the friction of rib and intercostal soil. The stability conditions need to meet the layout requirements that the minimum length of the ribs is reached, and rib length is larger than floors spacing layout requirements. According to different floor layout of the structure. ribbed slab retaining wall mechanics model for long rib sparsely distributed friction anchoring type and short ribs clouds the whole wall type. On the limit steady state, between the two typical mechanical functions model, the floor layout is the reasonable arrangement—Rib length = rib spacing, and the floor area is minimum.

ribbed slab retaining wall; sandbox model test; stability of wall; mechanical model; arrangement of ribbed slab

2015-11-05

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB036204)

罗强(1963-)，男，四川宜宾人，教授，博士，从事高速铁路路基工程研究；E-mail：LQROCK@swjtu.edu.cn>

TU476

A

1672-7029(2016)08-1499-08