高速公路改扩建装配式悬臂式挡土墙现场力学性能试验研究

李晓华

摘 要：依托广东省某高速公路改扩建项目，开展装配式悬臂式挡土墙现场力学性能试验研究，探究悬臂式挡土墙在施工期土侧压力和施工车辆荷载作用下裂缝发展规律、破坏历程和破坏模式，为施工期悬臂式挡土墙施工荷载的控制提供标准。

关键词：悬臂式挡土墙;力学性能试验;裂缝发展;破坏模式

0 引言

预制化、装配化是现代工程建设的发展方向，是提高工程结构施工质量和效率、降低现场施工人员劳动强度的重要途径。对于挡土墙而言，许多工程技术人员与学者也尝试进行预制化、装配化[1]。挡土墙的预制装配化是指通过专用模具进行对挡墙构件工厂化预制生产、标准化养护，达到强度后运输到施工现场后进行装配成型，实现挡土墙构件设计标准化、生产工艺标准化、现场施工机械化。与现浇注结构相比，当需求量比较大时装配式挡土墙不仅具有质量保证，同时具有良好的经济和生态效益。在公路、铁路、市政、水利等行业，挡土墙往往都是线性工程，不仅需要量大，而且结构性单一，具备预制装配化基础[2]。

本文依托广东省某高速公路改扩建项目，开展悬臂式装配挡土墙的现场力学试验研究，探究装配式挡土墙在施工期荷载作用下的受力特点、破坏历程和破坏模式，为施工期挡土墙荷载控制提供标准。

1 現场试验

1.1 试件制作

面板高度3.0 m，厚度0.25 m，宽度3.0 m，底板长度2.1 m，

厚度0.3 m，宽度3.0 m，在底板与面板相交部位设0.3 m×0.3 m

的直倒角。面板内受拉主筋为Φ22@100 mm，受压主筋为Φ12@100 mm，水平分布钢筋为Φ12@150 mm，面板与底板相交倒角内布置Φ12@100 mm的斜钢筋，底板主筋为Φ16@100 mm。

1.2 施工工况分析

（1）土侧压力。采用朗金（Rankine）土压力理论[3]分析土体对挡土墙的作用。取墙后填土为碎石土等粗粒土，内摩擦角取ψ=35°，粘聚力取c=0，填土重度取γ=19 kN/m3。

主动土压力系数：

（1）

取挡土墙高度H=2.7 m，计算得到主动土压力值（每延米）为：

（2）

合力作用点距离墙底位置：

（3）

填土侧压力产生的墙底剪力（3 m节段宽，取b=3 m）：

（4）

填土侧压力产生的墙底弯矩：

（5）

（2）施工车辆荷载。取施工时车重为。

棱体破坏长度：

（6）

则换算均布土层厚度为：

（7）

车辆荷载引起土侧压力产生的墙底剪力为：

（8）

车辆荷载引起土侧压力产生的墙底弯矩为：

  （9）

1.3 试验流程

在试验过程中，首先布置安装数据采集设备并对仪器进行调零操作，之后进行预压以消除各部件之间的装配空隙，进行循环预加载以确保数据采集设备正常工作，之后进行先荷载控制后位移控制的加载方式进行逐级加载，每级荷载加载完成后持荷5分钟，进行数据采集。

依据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）计算确定挡土墙结构在施工过程中的受力状态[4]，并利用“弯剪比相等”原则通过合适的加载方式模拟结构实际工况受力状态。结合3.2中计算结果，加载合力点距试件底板顶面1.07 m，施工期工况加载合力设为110 kN。

2 试验结果与讨论

试验中对悬臂式挡土墙进行了18级加载，记录试件裂缝的开展以及最终破坏形态，悬臂式挡土墙力学试验试件裂缝分布见表1。

由此可知：

（1）弹性阶段：加载合力从0 kN加载至163.1 kN。挡土墙处于弹性变形阶段，挡土墙结构位移、钢筋应变和混凝土应变随荷载线性变化，未出现明显裂缝;

（2）带裂缝工作阶段：加载合力从163.1 kN至292.4 kN。当合力达到163.1 kN时面板倒角处出现第一道弯曲裂缝，结构带裂缝工作;

（3）裂缝发展阶段：加载合力从292.4 kN至538.4 kN。随着加载合力的进一步增加，至292.4 kN时在面板倒角裂缝之上出现第二道弯曲裂缝，至369.0 kN时在底板倒角处出现第三道弯曲裂缝，底板顶面出现多道细小的裂缝，至447.5 kN时在倒角内出现第四道裂缝。

（4）破坏阶段：加载合力从538.4 kN至818.8 kN。当荷载至538.4 kN时，裂缝发展完全，此后无新裂缝出现，原有裂缝随着荷载增加宽度逐渐发展。此后挡土墙墙身水平位移明显，加载至极限荷载时，挡土墙位移持续增加而千斤顶难以持荷，倒角内主要裂缝相互贯通，钢筋屈服，结构达到极限状态。

3 结论

本文得到如下结论：

（1）悬臂式挡土墙破坏过程分弹性阶段、带裂缝工作阶段、裂缝发展阶段与结构破坏阶段，对应的加载合力分别为0 kN～163.1 kN、163.1 kN～292.4 kN、292.4 kN～538.4 kN、538.4 kN～818.8 kN。施工期挡土墙承受荷载的控制标准应低于163.1 kN，使挡土墙受荷处于弹性阶段。

（2）首条裂缝出现在面板倒角处，宽度发展最快的裂缝是倒角内裂缝，底板裂缝细小且宽度发展缓慢。

参考文献：

[1]Ripon Hore，Sudipta Chakraborty，Ayaz Mah mud Shuvon，Md.Fayjul Bari，Mehedi A.Ansary.Dyna mic Response of Reinforced Soil Retaining Wall Resting on Soft Clay[J].Transportation Infrastructure Geotechnology，2021（prepublish）.

[2]周晓靖.装配式外阶梯型钢筋混凝土生态挡土墙研究[J].华东公路，2017（5）：101-102.

[3]Junhu Li，Wei Xue，Chao Zhang，Wenchao Zhang，Riqing Xu.Rankine earth pressure theory considering  microstructure of porous  materials[J].IOP Conference Series： Earth and Environ mental Science，

2017，94（1）.

[4]史艳，赵卫冬，吴梓敬.土坡稳定性计算[J].公路，2020，

65（9）：69-72.