车辆荷载作用下加筋土挡墙的静动响应现场试验

刘 泽,史克友,黄天琪,蒋梅东,黄凯峰

(1.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)



车辆荷载作用下加筋土挡墙的静动响应现场试验

刘 泽1,2,史克友1,2,黄天琪1,蒋梅东1,黄凯峰1

(1.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

为研究车辆荷载作用下加筋土挡墙的静动力响应规律，以330国道K139+100～K139+400路段的模块式加筋土挡墙为原型，通过埋设动静土压力盒、柔性位移计以及加速度计等元器件，测试了车辆荷载作用下加筋土挡墙的筋材拉应变、面墙后侧向土压力、加筋体后侧向土压力和挡墙的侧向变形等。结果表明：车辆荷载作用时，挡土墙面墙上部的响应加速度远大于下层；当车辆荷载作用在加筋体上时，车辆行车距离对加筋体内产生的动土压力影响不大，当车辆荷载作用在加筋体后时，车辆行车距离对加筋体内的动土压力大小及分布模式有很大影响。无论是在车辆静载作用下还是在车辆动载作用下，加筋体后侧向土压力远大于面墙后的侧向土压力。

加筋土挡墙；车辆荷载；现场试验；筋材拉应变；侧向土压力

在对加筋土挡墙进行设计时，一般是将车辆荷载等效成墙顶的均布荷载进行计算[1～2]，随着我国国民经济的快速发展，人们生活水平日益提高，频繁的经济往来使道路车流量急剧增加，车辆荷载对路基支挡结构的影响日益加重，为探讨车辆荷载的实际作用特点，众多专家学者对交通荷载作用下路基的响应规律进行了研究。

汤连生等[3～4]通过建立模型，利用实测数据并结合层状黏弹性理论分析了交通荷载作用下路基土的动力响应特征，指出路基中竖向动土压力沿路基深度方向非线性减小，车辆荷载对路基的影响主要集中在路基土上层，当撤离外部荷载时，路基中存有一定量的残余动应力。黄志军等[5]对冻土防冻胀路基的交通荷载响应进行了研究，研究表明相对于普通路基，冻土防冻胀路基对交通荷载具有更好的承受能力。陈剑等[6]利用有限元软件ABAQUS对公路路基的动力响应进行了模拟，结果表明车辆行驶速度对路基的塑性变形影响较小，动荷载的影响范围在道路平面方向及路基深度方向均逐渐衰减。刘飞禹等[7,10]、王贺等[8]、罗烈日等[11]研究了加筋土路堤的动力响应规律，指出移动荷载作用下，路面的竖向位移随着移动荷载移动速度的增大呈现先增后减得趋势，其间出现峰值，与非加筋路基相比，加筋路基的竖向位移峰值较小；在一定的范围内，增大筋材模量可以减小路面的竖向位移。对加筋路堤上的轨道系统而言，增大加筋层的厚度可以有效减小钢轨的竖向变形；动荷载作用时，各层土工格栅在水平方向上的应变分布规律大体一致，均有峰值出现，但各层应变的峰值位置沿筋材埋深方向逐渐接近墙角。刘少文等[12]考虑到山西省运煤车辆的荷载作用，以半正弦波循环荷载形式模拟了非对称加筋土路基的动力响应规律，指出行车时间间隔对路面的最大沉降量具有一定的影响，这相应体现在车辆荷载加载频率的影响，当对称荷载作用时，路面最大沉降发生在路面中心，当非对称荷载作用时，路面最大沉降发生在路面中心左侧。王仕传等[13]研究了交通荷载作用时加筋路堤的残余变形，研究表明，动偏应力是引起加筋路基塑性变形的主要因素，因此如何减小加筋路堤的残余变形关键在于如何减小交通荷载引起的动偏应力。

本文以330国道K139+100～K139+400路段的L型面板模块式加筋土挡墙为原型，通过埋设动静土压力盒、柔性位移计、加速度计等元器件，测试了车辆荷载作用下筋材拉应变、面墙后侧向土压力、加筋体后侧向土压力和加速度影响等，获得了一些有意义的结果，可以为类似工程提供一些参考。

1 工程背景与实验方案

1.1 工程背景

330国道莲都至缙云段是丽水市境内交通最繁忙的路段之一，但路窄、弯急、坡陡、视距不良等行车危险路段较多，而且现有交通量非常大，特别到夜间，超长超重车辆众多，拥堵现象时有发生，急需改造扩容，K139+100～K139+400路段以加筋土挡墙为支挡结构并兼作路基进行道路拓宽，挡墙设计见图1。挡墙采用L型断面的钢筋混凝土预制面板，以高密度聚乙烯单向拉伸土工格栅为加筋材料，并要求土工格栅的极限抗拉强度不小于120 kN/m，面板与筋材连接大样图见图2。为了探讨车辆荷载作用下加筋土挡墙的动静响应规律，施工时在墙内埋置了静(动)土压力盒、柔性位移计、加速度计(图1)。

图2 面板与筋材连接大样图Fig.2 Plate and reinforcement connection drawing

1.2 试验方案

表1为本次试验中元器件布置与数据采集仪器，元器件的埋设根据工程进度进行。试验采用停车静载、行车动载方式加载，试验车辆为工地使用30 T自卸式载重汽车，装载碴石后实测荷载为300 kN。试验前先在路面以挡墙背面为基准，沿监测断面按1 m的间距标出若干个停车位(图3)。静载试验时从最外侧点开始，依次让汽车左后轮停止在距墙背不同距离的停车点上，然后读取元器件数据，分析车辆荷载引起附加土压力的分布规律和车辆位置对附加土压力的影响。动载试验时首先打开动态信号采集仪，同样从最外侧侧开始，依次让汽车左后轮以相同速度驶过距墙背不同距离的停车点，然后保存试验数据，分析车辆行驶荷载引起动土压力的分布规律和车辆行驶位置对动土压力的影响以及挡墙加速度相应情况。

表1 元器件布置与数据采集仪器表

图3 试验方案Fig.3 Test scheme

2 试验结果与分析

2.1 静载下的测试结果

(1)附加侧向土压力

图4为不同停车位置时加筋体后实测附加侧向土压力沿墙高的分布曲线。分析可知，当车辆左轮停在距挡墙面板1 m处时，右轮在2.8 m处，车辆完全位于加筋体上，在车辆荷载作用下，加筋体会产生较大的变形，使加筋体与其后的老路基有脱离趋势，附加侧向土压力出现负值，随着停车距离增加，车辆右轮开始位于老路路基上(车辆横跨新老路基)，且左轮不断靠近新老路基交界面，使得加筋体后的竖向土压力开始增加，附加侧向土压力为正值。在墙身深度方向上，附加侧向土压力呈上部大、下部小的分布模式，与弹性力学Boussinesq理论解分布曲线(图5)基本相同。当停车距离为5 m时，大部分车辆荷载作用于老路路基上，附加土压力比较小。

图4 加筋体后实测附加土压力分布曲线Fig.4 Distribution of additional earth pressure measured after wall

图5 加筋体后附加土压力理论分布曲线Fig.5 Theoretical distribution curve of the additional earth pressure

根据弹性力学Boussinesq理论求得的加筋体后附加侧向土压力峰值为9.8 kPa(图5)，同理论解相比，加筋体后附加侧向土压力实测峰值稍小一些，约为8.5 kPa，但实测峰值发生的位置比理论值要深。在理论解中，当停车距离为1 m时，加筋体后侧向土压力达到峰值，而产生实测峰值时的停车距离为3 m。这主要是由于在理论解中，假设荷载作用在各向同性的半无限弹性体表面上，严格控制了边界条件并忽视了加筋体各向异性的结构特点。在现场试验中，由于筋材与土体的结构差异性及施工压实等因素的影响，加筋体只在水平方向近似为各向同性，并且当停车距离为1 m时，加筋体产生较大变形，当停车距离为5 m时，老路路基承担了大部分作用荷载，这些都造成了实测曲线和理论曲线的偏差。

图6为不同停车位置时面墙后实测附加侧向土压力沿墙高的分布曲线。与加筋体后的土压力分布曲线相比，面墙后附加土压力的分布曲线更为复杂，由于在附加车辆荷载作用下，面墙会有一定的位移，故面墙后的附加土压力比较小，最大增量仅2 kPa，但加筋土面墙沿墙高方向的位移不仅受车辆荷载作用位置的影响，还与不同深度填料的固结程度、沉降量大小及筋材的拉应力大小密切相关，造成附加土压力沿墙身深度方向的分布呈波动状。另外由于筋材与土体的耦合作用增强了加筋体结构的整体性，当车辆停靠在加筋体上方时的分布曲线和停靠在旧路基上方时有明显差别，具体表现为，当停车距离L=1 m，2 m，3 m时，面墙后附加侧向土压力沿墙高的分布曲线基本一致，并且3个停车距离下曲线峰值相差不大，当停车距离L=4 m，5 m时，面墙后附加侧向土压力曲线形状发生变化，同时曲线峰值出现大幅下降。

图6 面板后实测附加土压力分布曲线Fig.6 Distribution of the additional earth pressure measured after panel

(2)筋材附加拉应变

图7为不同车辆停车位置时第1，3，5，7层筋材的附加拉应变分布曲线。可以看到，车辆荷载作用时，各层筋材都产生有明显的附加拉应变值，但各层间的最大拉应变增量相差不大，均为0.3%左右。在沿筋材长度方向上，各层筋材拉应变增量的分布均呈非线性，不过层与层之间的分布规律却不尽相同，第1层筋材的附加拉应变沿筋材长度方向逐渐减小，第3层筋材的附加拉应变分布曲线呈先减后增再减的波浪形，由于加筋体上部受车辆停车位置的影响较大，第5，7层的曲线分布较为复杂。

图7 不同停车距离的筋材附加拉应变分布曲线Fig.7 Distribution of the additional tensile strain of reinforcement with different stopping distances

当改变车辆停车位置时，第1，3层筋材的附加拉应分布变化很小，其最大附加拉应变产生在面墙侧附近，第5，7层筋材的分布曲线却有较大波动，随着停车距离的增加，第5，7层筋材最大附加拉应变产生位置沿筋材分布方向逐渐向外移动，当停车位置为5 m时，车辆荷载主要作用在老路路基上，四层筋材的附加拉应变值均较小。这主要是由于加筋体下部施工结束时间相对较长，在上覆土体自重长期作用下具有较强的结构性，且当车辆荷载作用在加筋体顶部时，车辆荷载的影响范围沿填土深度方向向四周扩散，同下层筋材相比，上层筋材的受力范围受随停车位置影响较大，因此上层筋材的拉应变对车辆停车位置更为敏感。

2.2 动载下的测试结果

(1)面墙外侧加速度

行驶车辆荷载作用时，路基的振动形式比较复杂， 其不仅与路基结构的类型、填料性质、填料压实度、路面状况等有关，还与作用荷载的大小、加载速度及作用点位置有关。由于现场施工的情况及实验场地的限制，无法进行车辆速度方面的实验，故本次试验着重研究车辆行驶距离对路基振动的影响。

试验开始前，在挡土墙外侧沿竖向等间距依次安装5个加速度计，用强力AB胶将各加速度计紧紧贴合在加筋土面墙外侧，确保面墙和加速度计同步振动。各加速度计间间距为1 m，从上往下依次编号为J1，J2，J3，J4，J5(图1)。

图8为行车距离为1 m时加速度计J1的实测波形，由图8可知，当试验车辆经过测点时，加速度计有明显响应并达到振动幅值，随着试验车辆驶离测点，加速度响应迅速减小，整个响应时间约为2 s。图9为不同行车距离时挡土墙面墙加速度峰值分布曲线。图10为各加速度计加速度峰值随车距变化曲线。分析数据和相应曲线图可知，车辆荷载作用时，加筋土挡墙面墙伴随有振动响应，最大响应发生在挡土墙顶层，然后沿墙身深度方向快速衰减，在距墙顶2 m深度处的加速度峰值约为墙顶处的50%～60%，3 m墙身处的加速度峰值约为墙顶处的10%～20%，4 m墙身处挡土墙面墙的加速度峰值已经很小，并在5 m墙身处近乎为零。当改变车辆行驶距离时，各加速度计的加速度峰值也随之改变，车辆行驶距离距挡土墙面墙越远，各加速度计的加速度峰值越小，其中加速度计J1的变化最为明显，由此可知， 车辆行驶距离对上层路基振动的影响远大于下层路基。

图8 加速度计J1实测波形(L=1 m)Fig.8 The measured waveform with accelerometer J1 (L=1 m)

图9 不同行车距离时挡土墙面墙加速度峰值分布曲线Fig.9 Acceleration peak distribution of retaining wall with different driving distances

图10 各加速度计加速度峰值随车距变化曲线Fig.10 Variation of acceleration peak of each accelerometer with the driving distance

可见，振动波在土壤中的扩散速度是很快的，并在扩散过程中振动能被靠近振动源的土层迅速吸收，因此在上层土体中可能会产生超静孔压力，从而影响挡土墙的稳定性，所以类似挡墙在设计施工时尤其要注意挡墙振动所带来的负面影响，尤其对于经常通行大重型车辆路段的设计。

(2)动土压力

车辆交通荷载是路面上主要荷载类型，同静载作用不同，交通荷载作用时伴随有路基的振动，给路基支挡结构稳定性带来不利影响。同时，车辆交通荷载又不同于冲击荷载，后者的作用频率远大于前者。为了研究这种特殊的荷载类型，如图1所示，分别在加筋体后和面板后沿墙高方向布置了2列动土压力盒，量测车辆在加筋体上通过时加筋体内的动土压力情况，探讨加筋体内动土压力随行车距离的变化规律。

图11为不同行车距离时加筋体后动土压力峰值的分布曲线，分析可知，当L=1 m时，车辆荷载全部作用在加筋体上，加筋体末端和老路路基有脱离趋势，但由于车辆在行驶过程中产生振动，加筋体末端与老路路基随着振动频率间歇性挤压，从而缓和了二者之间的脱离趋势，因此同静载作用时相比，动土压力比静土压力稍大。当L=2 m，3 m时，两种情况下的动土压力大小及沿墙身的分布规律差别不大，均沿深度方向呈非线性减小，具体表现为，在深度1.25～3.25 m范围内动土压力衰减最快，衰减率约为70%，在深度3.25～4.25 m范围内，动土压力值变化比较平缓。当L=4 m，5 m时，车辆横跨在新老路基上，老路路基分担了大部分荷载，因而加筋体后产生的动土压力要比L=2 m、L=3 m时小的多。

图11 加筋体后实测动土压力分布曲线Fig.11 The measured earth pressure distribution after the wall

图12为不同行车距离时面墙动土压力峰值的分布曲线，同加筋体后的动土压力相比，相同行车距离下，面墙后的动土压力值要小得多。这主要是因为上覆荷载作用时，加筋土挡墙面墙会有轻微位移，从而极大地减小了面墙后的水平土压力，这也再次证明了加筋体结构具有良好的抗震性能。当L=1 m，2 m，3 m时，面墙后的动土压力并没有发生太大变化，在深度方向上最大动土压力发生在挡墙中上部，当L=4 m，5 m时，行驶车辆横跨在就老路基上，面墙后的动土压力值很小，同时，在深度方向上最大动土压力产生位置向下发生移动。可见，加筋体结构具有很强的整体性，当车辆荷载作用在加筋体上时，车辆行车距离对加筋体内产生的动土压力影响不大，当车辆荷载作用在加筋体后时，车辆行车距离对加筋体内的动土压力大小及分布模式有很大影响。

图12 面墙后实测动土压力分布曲线Fig.12 The measured earth pressure distribution after the panel

3 结论

(1)车辆静载作用时，在墙身深度方向上，附加侧向土压力呈上部大、下部小的分布模式，与弹性力学Boussinesq理论解分布曲线基本相同。

(2)根据弹性力学Boussinesq理论求得的加筋体后附加侧向土压力峰值为9.8 kPa，同理论解相比，车辆静载作用时，加筋体后附加侧向土压力实测峰值稍小一些，约为8.5 kPa，但实测峰值发生的位置比理论值要深。相比加筋体后的附加土压力，面墙后附加土压力的分布曲线更为复杂，其沿墙身深度方向上的分布呈波动状。

(3)车辆动载作用时，挡土墙面墙上部的响应加速度远大于下层，当改变车辆行驶距离时，面墙各处的加速度峰值也随之改变，车辆行驶距离距挡土墙面墙越远，面墙各处的加速度峰值越小。

(4)加筋体结构具有很强的整体性，当车辆荷载作用在加筋体上时，车辆行车距离对加筋体内产生的动土压力影响不大，当车辆荷载作用在加筋体后时，车辆行车距离对加筋体内的动土压力大小及分布模式有很大影响。

(5)无论是在车辆静载作用还是在车辆动载作用下，加筋体后侧向土压力远大于面墙后的侧向土压力。

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责任编辑：张明霞

Field test of static and dynamic response of reinforced earth retaining wall under vehicle load

LIU Ze1,2，SHI Keyou1,2，HUANG Tianqi1，JIANG Meidong1，HUANG Kaifeng1

(1.Schoolofcivilengineer,HunanUniversityofScienceandTechnology，Xiangtan，Hunan411201,China； 2.HunanProvinceKeyLaboratoryofGeotechnicalEngineeringStabilityControlandHealthMonitoring，HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan，Hunan411201,China)

In order to examine the static and dynamic response of reinforced earth retaining wall under vehicle load, this paper takes the modular reinforced earth retaining wall in the K139+100～K139+400 section of the 330 national highway as the prototype. By burying the soil pressure box, flexible displacement meter, accelerometer and other components, the reinforcement tensile strain, wall lateral earth pressure, stiffened body lateral earth pressure for retaining wall and lateral deformation are tested. The test results show that when the vehicle dynamic load is applied, the response acceleration on the upper part of the retaining wall is much larger than that of the lower layer; when the vehicle load is applied on the reinforced body, the vehicle driving distance has little effect on the earth pressure in the reinforced body; when the vehicle load is applied behind the reinforced body, the vehicle driving distance has great effect on the earth pressure in the reinforced body. Whether under the vehicle static load or under the vehicle dynamic load, the lateral earth pressure of the reinforced body is much larger than the lateral earth pressure behind the face wall.

reinforced soil retaining wall; vehicle load; field test; tensile strain; lateral earth pressure

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.14

2017- 01- 15;

2017- 02- 20

浙江省交通科技项目资助(2013H27-4；2016041)

刘泽(1975- )，博士，硕士生导师，讲师，主要从事支挡结构与地基处理的研究与教学工作。 E- mail：csuzeliu@163.com

TU413.6+2

A

1000- 3665(2017)04- 0091- 07