砂袋挡土墙土压力和变形特性的试验研究

肖玉强，李 伟，耿莹莹，李福栋

(1.中铁十九局集团矿业投资有限公司， 北京 100161；2.沈阳建筑大学 土木工程学院， 辽宁 沈阳 110168)

砂袋挡土墙施工简单，不用特殊设备，有时仅靠人力也可施工，施工时也不像打桩那样会有噪音，不会影响周围环境。文献[1]结合工程实例介绍了砂袋加固地基的原理、基本特性。文献[2]分析砂袋挡墙的地震动力响应特征。对于所用的砂袋也有了很多研究，文献[3-4]研究了砂袋的特性，具有很高的承载力，同时还有减振效果，砂袋内装的材料比较随意，可以是不同类别的土或者是各种建筑废弃渣料。文献[5]结合从砂袋叠放方式、砂袋大小、等不同角度，研究砂袋垫层之间的摩擦及承载力影响因素。杨春山等[6]开展了不同界面之间的摩擦特性直剪试验，例如袋与袋之间，土和袋之间，探讨了不同充填度对模袋砂间界面摩擦特性的影响。

袋装土最早应用于防洪堤坝的构筑中，近年来应用及其广泛，李伟等[7]利用袋装砂土对地下管道进行保护，进行了袋装砂土加固地基并维护地下管道的室内模型试验，取得了极好的效果。张力等[8]针对宁夏引黄灌区农业灌排工程中排水沟道局部滑移、坍塌问题，探索将砂袋装技术用于农田排水沟道稳固边坡治理工程。武萍等[9]从传统重力式挡土墙谈起，引入新型的生态式土工格栅挡土墙，结合实际工程，从技术特点、经济效益等方面对不同类型的挡土墙进行了对比分析，对加快生态式土工格栅挡土墙提出了合理的建议和意见，对实现城市建设的和谐发展具有积极意义。

土压力变形特性是影响挡土墙稳定性的重要因素，其与挡土墙高度、宽度、墙背坡比等有密切关系。文献[10]运用水平微分单元法推导了主动平衡状态下砂袋柔性挡土墙土压力的计算公式，并进行了模型试验用砂袋层间摩擦试验，分析了土压力沿砂袋墙体水平方向的传递规律。文献[11]采用FLAC3D软件对某三级加筋挡墙进行数值模拟分析，分析得出土体摩擦角与挡土墙位移与剪应力的关系，文献[12]也介绍了与砂袋挡土墙相似的加筋挡土墙，探讨挡土墙侧向土压力确定标准的统一性原则，以及对挡土墙结构设计和稳定性分析提供更具理论依据的计算方法。文献[13-14]研究砂袋柔性挡墙在顶部竖向荷载作用下的挡墙变位模式及土压力系数分布情况，进行了砂袋柔性挡墙二维模型试验，分析了不同竖向荷载作用下土压力系数沿墙高的分布规律。砂袋挡土墙与加筋挡土墙还有些相似，刘明志等[15]对土工格栅加筋土挡墙的变形行为进行了综合研究分析。但砂袋挡土墙依然属于重力式挡土墙。本文设置不同宽度和坡比作为对照组，主要研究：(1) 在均布荷载作用下墙内及墙背土压力分布规律；(2) 砂袋挡墙不同高度位置处墙中和墙边水平位移变化规律。

1 试验概况

1.1 试验材料特性及设备

1.1.1 砂土

本次试验选用的砂土粒径介于0.075 mm～0.6 mm，颗粒级配曲线如图1所示。

图1砂土颗粒级配曲线

1.1.2 砂袋模型

本试验所用砂袋是由剪裁塑料编织袋后缝纫而成，尺寸为200 mm×100 mm。将砂土装入袋中，填充度为80%。砂袋实物图见图2。

图2填砂封口后的模型砂袋

1.1.3 试验设备

本试验所用模型砂槽尺寸为3.0 m×1.5 m×1.4 m，如图3所示。试验采用有机玻璃柔性承载板，尺寸为680 mm×370 mm，采用微型应变式土压力计间接测定土压力，土压力计尺寸为28 mm×10 mm(直径×厚度)，灵敏度系数为2.0。试验用油压千斤顶对模型挡土墙后填土进行竖向加载，加载系统选用高精度伺服液压设备。传力架传达方式如图4所示，可以将集中荷载转化为八个距离相等的线荷载，以模拟均布荷载。数据则通过数据采集器进行监测。

图3 模型砂槽

图4传力架传达方式

1.2 试验方案及步骤

1.2.1 试验方案

在不考虑砂袋挡土墙墙背坡度的情况下，改变砂袋挡土墙宽度，进行墙身宽度分别为400 mm、600 mm、800 mm的室内模型试验，在不考虑墙顶宽度的情况下，改变砂袋挡土墙墙背坡度，进行墙背坡度分别为1∶0.25、1∶0.40、1∶0.55，墙顶宽度统一为300 mm的模型试验，墙高统一为1 000 mm。研究以下两点内容：(1) 在均布荷载作用下墙内及墙背土压力分布及传递规律；(2) 砂袋挡土墙在均布荷载作用下不同高度位置的墙中及墙边水平位移分布规律。模型摆放形式如图5所示，以宽度400 mm和墙背坡比1∶0.25为例。

图5模型摆放形式(单位：mm)

1.2.2 试验步骤

试验前对模型砂槽底部及两侧内壁进行清理。在砂槽底部铺一层薄砂。砂槽内的砂袋纵横交错排列，在铺下一层砂袋之前，要在砂袋表面撒一层砂土并压实，层与层之间的缝隙要用砂土填充。

墙高均设计为1 m，在挡土墙外侧堆积砂土高度为200 mm，用来模拟挡土墙的嵌固深度。把挡土墙墙后逐渐填砂土，当填的砂土与挡土墙高度一致时停止，即填充高度为1 000 mm。在填充墙后砂土时，为测定水平土压力的大小，需埋设土压力计，本试验将墙背土压力定义为F1列，砂袋之间的土压力依次计为F2列和F3列，土压力计竖直放置并固定，土压力计距离墙底高度分别为150 mm、300 mm、450 mm、600 mm、750 mm，土压力计之间的距离随宽度和坡比的变化而变化。在砂袋挡土墙后的填土表面放置有机玻璃承载板，承载板上放置自制传力架，在砂袋挡土墙墙面的中间及靠近边缘位置分别设置一列水平位移标记点A1列和A2列，两列标记点之间的距离为550 mm，标记点距离墙底高度分别为250 mm、400 mm、550 mm、700 mm、850 mm，每列5个点，共10个点。加载前和加载后分别量测标记点到砂槽的水平距离，差值即为标记点的水平位移。试验通过千斤顶进行分级加载，每级4.03 MPa。测试元件布置如图6所示，以墙宽800 mm为例。

2 试验结果及分析

2.1 墙背及墙内土压力结果分析

2.1.1 墙背土压力结果分析

以墙宽800 mm和墙背坡比1∶0.55为例，由图7可知， 其余几组与其分布规律一致。在相同的竖向均布荷载作用下，不同墙宽和坡比的墙背土压力的最大值和最小值的分布位置也都相同，最大值均在距墙底300 mm(即距墙底约1/3)处，土压力最小值在距离墙底约3/4处。在不同高度位置处，墙宽800 mm和墙背坡比1∶0.55的墙背土压力最大值在这三组试验中最大，墙宽800 mm的墙背土压力值为39.65 kPa，墙背坡比为1∶0.55时的墙背土压力值为为35.21 kPa。在相同的墙顶压力作用下，随着挡土墙宽度和墙背坡比的增加，不同高度位置处的墙背土压力也都逐渐增加。

图6测试元件的布置

图7墙顶压力与墙背土压力关系曲线

2.1.2 墙内土压力结果分析

本试验选取4.03 kPa、12.09 kPa、20.15 kPa三种荷载下挡土墙在不同高度处土压力值做分析对比。以荷载为12.09 kPa为例，在相同均布荷载作用下，随挡土墙宽度的增加，F2列呈现出鼓型分布，随着墙体高度的增加时，F2列先增大到最大值，之后由最大值逐渐减小，F2列的最大值在距离墙底约1/3处，最小值在距离墙底约3/4处，这些规律均与墙背土压力F1列相似。F3列增量不明显，呈现出近似直线的分布，也可看出F3列

图8 均布荷载为12.09 kPa时不同墙宽下墙内土压力及墙高度关系

图9均布荷载为12.09kPa时不同墙背坡比下墙内土压力及墙高度关系

2.2 挡土墙水平位移结果分析

本试验选取12.09 kPa、24.18 kPa、36.27 kPa、52.41 kPa四种荷载下挡土墙在不同高度处水平位移值做分析对比。以均布荷载12.09 kPa和52.41 kPa为例，由图10可知，挡土墙宽为400 mm时，墙中的最大水平位移为19.6 mm，墙顶压力为52.41 kPa，出现在距离墙底约2/5墙高位置处，此时最小位移为14.2 mm，距离墙底约9/10墙高处，接近挡土墙顶部，水平位移呈鼓型分布。挡土墙的墙边水平位移依然呈鼓型分布，位移值也随着墙体高度先增大后减小，当挡土墙宽度为600 mm和800 mm时，在墙顶压力的作用下，挡土墙的墙中和墙边位置的水平位移分布及位移值大小关系规律，与墙宽为400 mm时一致，最大位移和最小位移的分布位置也与墙宽为400 mm相同。

图10不同均布荷载下墙边水平位移墙中A1列和墙边A2列与墙高关系

当墙背坡比为1∶0.25，荷载为55.62 kPa时，墙中最大水平位移为20.5 mm，最大位移均是出现在距离墙底约2/5处，此时最小位移为16.7 mm，距离墙底约9/10墙高处。对于墙边最大位移分布位置与墙中相同。不同的墙背坡比呈现的规律与不同墙宽是一致的，墙中和墙边的水平位移也呈现的是鼓型分布的特点，水平位移值先增大后减小。在相同墙顶压力的作用下，无论是墙边还是墙中的水平位移都是随挡土墙墙背坡比越大，挡土墙的水平位移越小，可见增加挡墙墙背坡比，能够增加挡土墙的稳定性。

3 结 论

本文通过室内模型试验，对不同宽度和墙背坡比砂袋挡墙进行了对比研究，得出以下结论：

(1) 在相同竖向均布荷载作用下，随着砂袋挡土墙宽度和坡比的增大，则墙背和墙内土压力值均越大，随着墙体高度的增加时，F2列先增大到最大值，之后由最大值逐渐减小。

(2) 当墙背坡比为1∶0.25，荷载为55.62 kPa时，墙中最大水平位移为20.5 mm，最大位移均也是出现在距离墙底约2/5处，此时最小位移为16.7 mm，也是距离墙底约9/10墙高处，接近挡土墙顶部。挡土墙宽为400 mm时，墙中的最大水平位移为19.6 mm，墙顶压力为52.41 kPa，出现在距离墙底约2/5墙高位置处，此时最小位移为14.2 mm，距离墙底约9/10墙高处。

(3) 无论是不同墙宽还是不同墙背坡比，墙中和墙边水平位移均成鼓型分布，但墙中水平位移变化值要大于墙边，挡墙宽度和坡比越大水平位移值越小。总体来说，同一级荷载作用下，挡墙宽度和坡比越大，水平位移值也越小，所以增加挡土墙宽度和墙背坡比可以提高其整体稳定性。