反包式建渣土工袋挡土墙承载性状研究*

董知恩，赵国兴，文 华，张玉林，王梓龙，薛 伟

(1.西南科技大学城市学院，四川 绵阳 621000； 2.浙江土工岩土科技有限公司，浙江 杭州 310012；3.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

本文通过设置天然土坡、建渣土工袋挡土墙、反包式建渣土工袋挡土墙的模型对比试验，探究反包式建渣土工袋挡土墙的承载性状效果。

1 模型设计与制作

为真实反映原始边坡的实际受力和变形情况，模型试验应以相似原理和量纲分析为基础，确定缩尺试验模型与原模型的比例为 1∶4，并以缩尺后的模型作为试验模型。

1.1 试验材料

边坡土体采用粉质黏土，其物理力学指标按SL 237—1999《土木试验规程》进行土工试验测得，边坡土体物理力学指标分别为：密度为1.5g/cm3，含水率为15.3%，黏聚力为26.9kPa，内摩擦角为25.9°；模型试验建渣土工袋的填充物为50%的混凝土块和50%的砖块，填充度为80%；模型试验采用的土工格栅为高密度聚乙烯双向拉伸塑料；模型试验所用的土工袋尺寸为110mm×204mm，土工袋材料采用绿色环保的高聚物绿色编织袋，其极限抗拉强度≥30kN/m，断裂伸长率≤30%；建渣土工袋如图1所示。

图1 建渣土工袋

1.2 模型槽设计

根据挡土墙的结构原型与试验模型的相似比为4∶1，模型槽尺寸为2.43m×1.06m×1.60m(长×宽×高)，模型槽材料采用I12和I14焊接而成，模型槽框架的三面用相同角钢进行加固处理。模型槽挡板材料侧边两面使用木板，正面由2.43m×1.60m×15mm(长×宽×厚)的钢化玻璃代替，方便观察加载过程中挡土墙的破坏变化，如图2所示。

图3 3种不同工况挡土墙模型设计

图2 模型槽示意

1.3 模型设计

本试验挡土墙的坡比为1∶0.5，土坡高度为1.5m，挡土墙长度为1m，挡土墙支护宽度为0.37m条件下，统一在挡土墙模型的顶部紧挨着建渣土工袋处施加0.9m×0.5m均布荷载，研究反包式建渣土工袋挡土墙的承载性状效果(见图3)。

1.4 测试元件布设

在挡土墙坡顶加载区域的荷载板上布设百分表(50mm)用于测量坡顶的竖向沉降位移；为测得不同挡土墙边坡高度的墙面水平位移，在水平方向沿挡土墙向上高度布设5排百分表，在每排布设2个百分表，共需10个百分表，百分表量程为30mm和50mm；在挡土墙边坡土体的边缘10cm处布设12只100kPa微型应变式土压力盒，用于测量模型试验中建渣土工袋挡土墙及反包式建渣土工袋挡土墙的侧向土压力；测试元件布设如图4所示。

图4 测试元件布设

1.5 加载装置

试验采用较为方便实施的杠杆加载，杠杆比例为1∶7，挡土墙边坡顶面为加载区域，在加载过程中为防止受力分布不均匀，设置2块加载钢板，其尺寸为0.9m×0.5m×10mm，0.3m×0.3m×20mm(长×宽×厚)，加载装置如图5所示。

图5 模型加载装置

对挡土墙坡顶进行分级加载作用，每级施加3kPa均布荷载，直至挡土墙出现明显鼓出变形时停止加载；加载过程中，每10min测定1次数据，其中包括观测和记录坡顶的沉降位移及挡土墙坡面的水平位移，直至数据稳定再进行下一级加载。

试验过程中，均布荷载保持不变或有所减小时，坡顶沉降迅速增大或出现明显严重鼓出变形时，此时坡顶荷载称为坡顶破坏荷载，坡体发生破坏，停止加载，试验结束。

2 模型试验结果分析

2.1 坡顶沉降位移分析

3种不同工况下(工况1～3)挡土墙的坡顶均布荷载与坡顶沉降位移关系如图6所示。

表1 工况1～3坡顶均布荷载与坡顶沉降位移关系

图6 工况1～3的坡顶均布荷载与坡顶沉降关系

由图6可得出：在加载初始阶段，土体逐渐在荷载作用下被压实，3种不同工况下的坡顶沉降位移均变化较大；随着坡顶均布荷载的不断增大，土体已密实，挡土墙的坡顶沉降位移变化幅度减小。与天然土坡和建渣土工袋挡土墙相比，反包式建渣土工袋挡土墙结构坡顶承受的均布荷载增大；且在相同均布荷载作用下，坡顶沉降位移减小。

3种不同工况下(工况1～3)挡土墙的坡顶均布荷载与坡顶沉降位移关系如表1，2所示。

表2 工况2，3坡顶均布荷载与坡顶沉降位移关系

由表1，2可看出，天然土坡(工况1)在坡顶竖直向下的均布荷载作用下，当荷载加载到15kPa时，天然土坡坡面出现明显鼓出变形，坡顶最终沉降位移为28.51mm；建渣土工袋挡土墙(工况2)均布荷载加载到30kPa时，建渣土工袋挡土墙严重鼓出变形，建渣土工袋挡土墙坡顶的最终沉降位移为49.23mm；加筋长度0.9m的反包式建渣土工袋挡土墙(工况3)在加载过程中挡土墙的坡顶沉降位移与建渣土工袋挡土墙的加载结果相似，坡顶破坏荷载为45kPa时，加筋长度0.9m的反包式建渣土工袋挡土墙出现严重鼓出变形，挡土墙的坡顶沉降位移为52.59mm。

由表1，2还可看出，在相同坡顶荷载作用下，建渣土工袋挡土墙和加筋长度为0.9m的反包式建渣土工袋挡土墙的坡顶沉降位移相较于天然土坡挡土墙要小；在天然土坡坡顶破坏荷载15kPa时，相较于天然土坡挡土墙，建渣土工袋挡土墙的沉降位移降低31.4%，加筋长度0.9m的反包式建渣土工袋挡土墙的坡顶沉降位移降低44.0%。

2.2 墙面水平位移分析

天然土坡(工况1)的边坡墙面中间的水平位移沿挡土墙向上高度的变化规律如图7a所示。由图7a可知，在坡顶均布荷载作用下，由于天然土坡的边坡坡面无任何加固措施，随着坡顶均布荷载的不断增大，天然土坡坡面的水平位移随着挡土墙高度向上方向呈现先增大后减小的变化规律。

建渣土工袋挡土墙(工况2)的边坡墙面水平位移沿挡土墙向上墙高度的变化规律如图7b所示。由图7b可看出，建渣土工袋挡土墙的墙面水平位移在最开始加载阶段的墙面水平位移并不大，随着坡顶荷载不断增大，墙面水平位移也逐渐增大；在均布荷载为28.56kPa时最大，在沿挡土墙向上高度1/2～2/3处出现墙面最大水平位移，在高度越过1/2～2/3处时墙面水平位移逐渐减小，可知建渣土工袋挡土墙的墙面水平位移呈鼓形分布，墙面水平位移的变化规律为沿挡土墙向上高度先增大后减小。

加筋长度为0.9m的反包式建渣土工袋挡土墙(工况3)墙面水平位移沿挡土墙向上高度的变化规律如图7c所示。由图7c可知，在开始加载阶段，反包式建渣土工袋挡土墙在土工格栅建渣土工袋的加固作用下，土工袋对土体边坡的约束及土工格栅对土体有一定的嵌锁和咬合作用，从而使得反包式建渣土工袋挡土墙的墙面水平位移较小；随着坡顶均布荷载的增大，墙面水平位移逐渐增大。与工况2的变化规律相似，工况3的墙面水平位移变化规律也呈鼓形分布。

3种不同工况下(工况1～3)挡土墙的坡顶破坏荷载与边坡墙面水平位移关系如表3所示。

图7 工况1～3墙面水平位移

表3 工况1～3的坡顶破坏荷载与墙面水平位移关系

由表3可知，在坡顶破坏荷载情况下，3种工况的墙面水平位移均为先增大后减小趋势，工况1的最大水平位移在沿挡土墙向上高度105mm处最大，工况2，3的墙面水平位移在沿挡土墙向上高度75mm处最大，其中加筋长度为0.9m的反包式建渣土工袋挡土墙(工况3)的边坡墙面水平位移在3种不同工况中最大。若以天然土坡挡土墙(工况1)的边坡墙面水平位移为基准水平位移，建渣土工袋挡土墙(工况2)的墙面水平位移比占基准水平位移平均高129.6%左右，加筋长度为0.9m的反包式建渣土工袋挡土墙(工况3)的边坡墙面水平位移比占基准水平位移平均高177.4%左右，加筋长度为0.9m的反包式建渣土工袋挡土墙(工况3)的边坡墙面水平位移比建渣土工袋挡土墙(工况2)的墙面水平位移平均高47.8%左右。

2.3 侧向土压力分析

建渣土工袋挡土墙(工况2)和0.9m加筋长度的反包式建渣土工袋挡土墙(工况3)的墙后侧向土压力分布曲线如图8所示。

图8 工况2，3挡土墙的墙后侧向土压力分布

由图8可知，工况2与工况3挡土墙墙后侧向土压力呈三角形分布，且在1/3～2/3处时挡土墙侧向土压力最大。结合挡土墙的墙面水平位移分析，同一挡土墙高度处产生的最大侧向土压力处与墙面最大水平位移处均出现在沿挡土墙向上高度1/3～2/3处。

为建渣土工袋挡土墙(工况2)和0.9m加筋长度的反包式建渣土工袋挡土墙(工况3)的墙后侧向土压力如表4所示。

由表4可知，工况2，3的挡土墙墙后侧向土压力都是先增大后减小的规律，在沿挡土墙向上高度50mm处，工况2，3的墙后侧向土压力最大；同时可看出工况3占工况2的墙后侧向土压力百分比呈先减小后增大趋势，在沿挡土墙向上高度50mm处，即工况2，3墙后侧向土压力最大处工况3占工况2的墙后侧向土压力百分比最小；还可知，工况3的墙后侧向土压力比工况2的墙后侧向土压力平均增大165.3%左右。

表4 工况2，3的挡土墙墙后侧向土压力

为更好地分析工况1～3挡土墙边坡的加固效果，将3种不同工况下坡顶承受的均布荷载及同一均布荷载(12kPa)下挡土墙的坡顶沉降位移、墙面最大水平位移进行整理，如表5所示。

表5 工况1～3挡土墙边坡对比分析

由表5可知：

1)对比工况1～3，工况1的坡顶破坏荷载为15kPa，工况2的坡顶破坏荷载为30kPa，工况3的坡顶破坏荷载为45kPa；工况3的坡顶破坏荷载比工况1提高300%左右，比工况2提高150%左右。

2)在坡顶均布荷载为12kPa时，工况1的坡顶沉降位移为20.08mm，工况2的坡顶沉降位移为15.97mm，工况3的坡顶沉降位移为12.69mm；工况3的坡顶沉降位移比工况1减小36.80%，比工况2减小20.50%。

3)在坡顶均布荷载为12kPa时，工况1的墙面最大水平位移为9.36mm，工况2的墙面最大水平位移为3.56mm，工况3的墙面最大水平位移为2.36mm；工况3的墙面最大水平位移比工况1减小74.79%，比工况2减小33.71%。

3 结语

1)反包式建渣土工袋挡土墙结构能增强挡土墙后土体的承载力，有效抑制坡顶沉降变形。当均布荷载施加到15kPa时，天然土坡严重鼓出变形；当施加到30kPa时，建渣土工袋挡土墙严重鼓出变形；当施加到45kPa时，加筋长度0.9m的反包式建渣土工袋挡土墙出现严重鼓出变形。

2)反包式建渣土工袋挡土墙与天然土坡、建渣土工袋挡土墙相比，反包式建渣土工袋挡土墙的坡顶破坏荷载比天然土坡挡土墙提高300%左右，比建渣土工袋挡土墙提高150%左右。在相同均布荷载作用下坡顶沉降位移明显减小；在坡顶均布荷载为12kPa时，天然土坡挡土墙的坡顶沉降位移为20.08mm，建渣土工袋挡土墙的坡顶沉降位移为15.97mm，反包式建渣土工袋挡土墙的坡顶沉降位移为12.69mm；反包式建渣土工袋挡土墙的坡顶沉降位移比天然土坡挡土墙减小36.80%，比建渣土工袋挡土墙减小20.50%。

3)反包式建渣土工袋挡土墙结构的整体性能较好，能有效抑制挡土墙墙面的侧向变形。在坡顶破坏荷载情况下，建渣土工袋挡土墙(工况2)的墙面水平位移比天然土坡(工况1)墙面水平位移平均高129.6%左右，加筋长度为0.9m的反包式建渣土工袋挡土墙(工况3)的边坡墙面水平位移比天然土坡(工况1)墙面水平位移平均高177.4%左右，加筋长度为0.9m的反包式建渣土工袋挡土墙(工况3)的边坡墙面水平位移比建渣土工袋挡土墙(工况2)的墙面水平位移平均高47.8%左右。但在相同均布荷载作用下，反包式建渣土工袋挡土墙的墙面水平位移明显小于天然土坡、建渣土工袋挡土墙的墙面水平位移。

4)由上述分析可知，反包式建渣土工袋挡土墙的边坡支护效果比建渣土工袋挡土墙及天然土坡挡土墙的支护效果都要更好，为了更好地将反包式建渣土工袋挡土墙应用在实际工程中，后续可继续深入研究不同加筋长度、不同坡比、加筋层数及加筋间距对反包式建渣土工袋挡土墙的边坡加固效果的影响。