高填方重力式挡土墙的离心机试验研究

景兴杰， 闫世杰， 刘飞成， 何 梦

(1.西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610031； 2. 郑州中核岩土工程有限公司 河南郑州 450003)

挡土墙土压力的计算是一个经典而复杂的土力学问题，其涉及到墙后土体、墙身及地基三者的共同作用。土压力不仅与墙身几何尺寸、墙背粗糙程度及填土物理力学性质、填土面形状及超载有关，还与墙本身及地基土的刚度、填土施工方法等有关。故精确的土压力计算方法不仅应考虑三者的耦合作用，更应视其为一空间问题[1]。但通常情况下因挡土墙长度远大于其高度，故工程中一般将土压力计算按平面问题处理。经典的库仑和朗金土压力理论，因其计算简单和力学概念明确，一直为工程设计所采用。土压力理论研究中的另一重点是其沿挡墙墙背的分布问题[2]。近年来国内外挡土墙土压力实测结果均表明，墙背土压力的实际分布与墙体位移模式、墙后填土性质等密切相关，如挡墙绕墙顶与绕墙趾转动两种情况时的土压力分布就截然不同[3-4]，故其设计计算需引起重视，不能简单套用传统的分布模式。

重力式挡墙因其结构形式简单，材料获取方便的特点，成为了应用最为广泛的一种支挡结构。墙背土压力分布的影响因素较多，且目前研究主要集中在墙背填土不高的情况，而对于高填方路堤式挡墙，特别是墙顶以上填土高度较大的情况，利用莫尔应力圆计算得到的填方土体的黏聚力和内摩擦角值将偏高，导致填方产生的作用于支挡结构墙背的土压力计算值偏低。此外，由于上述原因导致在挡墙墙背后填土内部的破裂面形状可能与库仑理论采用的破裂面形状不同，墙背土压力分布与库仑土压力理论存在差异[5-6]，因此，这势必会给正确确定墙背土压力带来困难，也会引起挡墙安全设计、经济设计等诸多问题。基于此，本文针对高填方路堤式重力式挡土墙墙背土压力分布、位移模式等重要问题开展了离心模型试验，通过离心加速度来弥补模型缩尺带来的误差，从而更为准确地模拟挡土墙的墙背受力以及位移规律。

1 离心机模型试验设计

1.1 试验内容

根据是否加筋设置了两组重力式挡土墙离心机试验。

试验原型是根据目前TB 10025-2006《铁路路基支挡结构设计规范》中规定的最大高度12 m确定[7]，原型尺寸为墙高12 m，上顶面尺寸为2 m×20 m，下底面尺寸为4 m×20 m的重力式挡土墙，墙后填土高度为8 m，坡率为1∶1。模型尺寸为墙高240 mm，上顶面尺寸为40 mm×400 mm，下底面尺寸为80 mm×400 mm的重力式挡土墙，墙后填土高度为160 mm，坡率为1∶1。试验1中墙后填土不加筋；试验2中在墙后填土设置加筋带，根据等应变相似原理确定模型中加筋带(玻璃纤维)的布置间距为0.05 m。

1.2 试验设备、材料及模型

本次试验于西南交通大学土工离心机试验室完成。根据本试验实体尺寸数据和安放测试元件等方面的考虑，试验采用的模型箱自重218.7 kg，尺寸为600 mm×400 mm×400 mm。墙后填土采用粉细砂，挡土墙采用水泥砂浆浇筑，墙背竖直，经计算满足强度要求。模型填料通过使用粉细砂模拟原状土。原状土为土石比为2∶8(强风化下石灰岩碎屑的最大粒径不超过20 cm)的碎石土；模型填料考虑粒径效应的影响，使用级配为Cu>5,Cc>1，粒径为0.5～1 mm的粉细砂模拟。在进行离心机试验前使用三轴仪对模型填料进行三轴试验测定其粘聚力和内摩擦角，并使用直剪装置测定模型填料的剪切强度。加筋材料为高韧聚酯有纺土工布，两道有纺土工布之间设计厚度为500 mm。离心机试验中通过等应变法进行加筋模拟，模型中采用玻璃纤维，两层玻璃纤维间距为5 cm。

1.3 主要试验步骤

(1)浇筑模型挡墙并洒水养护28 d达到其设计强度；清理模型箱内部并涂抹凡士林；按5 cm分层填筑夯实填土，在预定位置埋入传感器，土压力盒埋设方式如图1所示。

(2)安置模型箱，连接数据采集系统，按表1进行加载并记录试验数据。

(3)观察模型变形并拆除模型，清理试验场地。

图1 土压力盒布置

表1 离心模型试验加载过程

2 试验结果及分析

2.1 土压力分布分析

2.1.1 无加筋情况下土压力分布

第一组试验进行填土内无加筋情况下的模拟。图2是挡土墙模型在分级加载的情况下，墙后土压力沿深度分布情况。

图2 试验1墙背土压力分布

试验时，作用在挡土墙上的荷载是分级加载的，通过控制离心机的加速度来控制每一级荷载。由图2可以看出土压力随深度的变化并不是线性的。水平土压力分布大体上表现出自墙顶向下表现出减小然后增大再减小的分布模式。土压力的分布沿墙背大致可以分为两个部分：

(1)在挡土墙的上部(0.6倍墙高以上)土压力随加速度增加变化较小，并呈现处沿高度向下减小的分布形式。

(2)在挡土墙的下部(0.6倍墙高以下)，在10g的加载工况下挡土墙墙背土压力在0.61倍墙高到达最小值，然后沿墙背向下开始增大，最大值出现在挡土墙的底部；在50g、70g和90g的加载工况下墙背土压力自0.6倍墙高处开始迅速增加，最大值出现在0.37倍墙高处，峰值点以下土压力开始快速下降直至墙底。

在10g、50g、70g、90g情况下的墙后土压力和库仑土压力分布图如图3～图6所示。

图3 10g情况下墙后土压力和库仑土压力分布

图4 50g情况下墙后土压力和库仑土压力分布

图5 70g情况下墙后土压力和库仑土压力分布

由于模型填土面大于普通库仑公式的计算范围，所以将填土面考虑成水平，墙顶上的填土考虑成均布荷载，在不同加速度下，库仑土压力自挡土墙顶部向下均为直线分布，最大值位于挡土墙的底部。

在10g加速度情况下，实测土压力总体上呈“R”型分布，实测土压力最小值在0.61倍墙高处，最大值出现在挡土墙的底部。在50g、70g、90g加速度情况下，实测土压力总体上呈“b”型分布，挡土墙上部土压力较小，变化幅度也较小；挡土墙中下部土压力较大，变化幅度也较大。挡土墙上部实测土压力普遍小于库仑土压力的值，实测土压力在0.61倍墙高到达最小值，然后沿墙背向下开始增大增长速度大于Coulomb土压力的增大速率，最大值出现在0.37倍墙高处。

计算得到实测土压力合力、合力矩以及按库仑土压力计算得到的土压力合力、合力矩，对比如表2所示。

表2 实测土压力与库仑土压力计算值比较

随着加速度的增大，实测土压力合力由与库仑土压力计算值的比值逐渐减小，在50g条件下比值约为1。所以，在实际应用中采用库仑土压力计算值是较为保守的。

从图7可以看出，土压力合力作用点随加速度的增加呈增加的趋势，在50g后合力作用点的位置基本稳定在0.31倍墙高处，之后合力作用点微小增长。产生这种变化的原因可能是由于：

(1)在50g后挡土墙的水平位移增量减小；

(2)挡土墙水平位移分量和转动位移分量的占比趋于稳定，使得挡土墙合力作用点的位置趋于稳定。

图7 实测土压力合力作用点

2.1.2 加筋情况下土压力分布

第二组试验进行填土内加筋情况下的模拟。图8是挡土墙模型在分级加载的情况下，墙后土压力沿深度分布图。可以看出，加筋和不加筋情况下的土压力分布规律大致是一致的，均呈现先减小再增大再减小的趋势，但加筋的情况下，土压力的最大值仅约为不加筋时最大值的1/3。

图8 试验2墙背土压力分布

由图9～图12中试验1与试验2各加速度情况下的土压力对比可以看出，试验测得的墙背水平土压力大小在加筋和不加筋情况下有较大不同。两组试验墙背上部土压力较为接近，变化量较小；在挡土墙中下部土压力分布产生较大差异，加筋情况下土压力远远小于不加筋情况下，见表3。

图9 10g工况下试验1与试验2墙背土压力对比

图10 50g工况下试验1与试验2墙背土压力对比

图11 70g工况下试验1与试验2墙背土压力对比

图12 90g工况下试验1与试验2墙背土压力对比

通过两组对比试验发现，墙后填土内部加筋对土压力分布规律影响不明显，但可以大大减小挡土墙墙背的水平土压力。在挡土墙的上部水平土压力的值较小，变化也较小；在挡土墙的中下部，墙背土压力沿墙身向下，土压力呈先减小再增大的趋势，不加筋时的水平土压力远大于加筋时的水平土压力。

2.2 挡土墙位移分析

为研究挡土墙的位移模式，在挡土墙上部布置了两个差动式位移计测定挡土墙的水平和竖向位移。d1位移计测定重力式挡土墙顶部的竖向位移，布置在重力式挡土墙顶面的中心；d2位移计测定重力式挡土墙顶部的水平位移，布置在重力式挡土墙顶面的中心，位移计使用角钢钢架进行固定。

表 3 试验1和试验2合力对比

挡土墙的墙顶横向位移如图13所示，离心加速度增大，挡土墙墙顶位移也随之增加。在不加筋的情况下，挡土墙顶部在10g工况下就已经有0.5 mm的横向位移，相比之下，加筋情况下挡土墙的顶端位移仅有0.05 mm；在50g工况下，不加筋情况挡土墙位移已经达到1.2 mm(挡土墙墙高的5 ‰)，即认定其墙后土体达到主动状态，墙后土体加筋的情况下，其墙顶的水平位移仅有0.54 mm；在70g工况下，填土不加筋的挡土墙墙顶的水平位移为1.36 mm，而填土加筋的挡土墙墙顶横向位移为0.94 mm；在90g工况下，填土不加筋的挡土墙墙顶的水平位移为1.52 mm，而填土加筋的挡土墙墙顶横向位移为1.14 mm。由图13可见，在挡土墙墙后土体内加筋可有效减小挡土墙墙顶的水平位移，在达到主动状态前，挡土墙位移增大值较大，主动状态后挡土墙墙顶水平位移变化量减小。

图13 挡土墙墙顶横向位移变化

在墙后填土内加筋，依靠加筋材料与填土间的摩擦力，使土的水平层间力由加筋材料承担，从而减小了作用在挡土墙上的土压力。挡土墙上的土压力减小使得试验2挡土墙墙顶的位移小于试验1挡土墙墙顶的位移。当墙后土体达到主动状态后，挡土墙墙顶的位移量显著减小，是由于挡土墙墙后土体达到主动状态，其位移量已经很大，其墙后土压力难以增大，所以再增加加速度，其位移增速放缓，小于主动态前的位移增速。

3 结论

通过对高填方重力式挡土墙开展离心模型研究，得到如下结论：

(1)对墙后填土内部加筋可以明显减小墙背土压力。

(2)重力式挡土墙墙背土压力大体呈现“b”型分布，常规库仑土压力公式不适用于高填方重力式挡土墙的墙背土压力计算。

(3)通过将高填方墙背填土考虑为填土面水平情况下受到上覆填土均匀荷载条件得到：未加筋情况下，计算得到的墙背土压力更贴近于试验测得的土压力合力，但得到的合力作用点约为0.4倍墙高，而实测合力作用点约为0.3倍墙高；加筋情况下，计算得到的力作用点约为0.4倍墙高，实测合力作用点约为0.45倍墙高。

(4)加筋材料可以明显改善墙后填土的整体稳定性，具体表现为：①当填土高度较低时，墙后填土仅在边坡坡面出现表层土滑移现象，并未出现从墙趾延伸至填土表面的滑移面；②当填土高度较高时，墙后填土仅在边坡坡面出现浅层土滑移现象，出现从墙趾延伸至填土表面的潜在滑移面。