平动模式下墙后有限无粘性填土破坏试验研究

陈豪彪，苏文辉，廖炜明，陈建辉

(1.福州大学土木工程学院，福建 福州 350108； 2.福建省禄盛市政园林有限公司，福建 厦门 361000； 3.福建领航园林工程有限公司，福建 龙岩 366200； 4.厦门高青园林绿化工程有限公司，福建 厦门 361000)

1 引言

随着城市建筑物的密集化，在建设过程中常常遇到挡土墙后为有限填土的情况，此时已不满足传统Rankine和Coulomb理论中半无限土体的假设。近年来，已有不少关于土压力理论研究成果，但大多采用假定的滑动面形式和角度进行分析。Fan和Fang针对刚性挡土墙后狭窄填土进行了数值模拟。应宏伟等运用ABAQUS研究邻近已有地下室外墙填土破坏问题，发现宽高比不同时，有限填土内将产生一道或多道滑动面。杨明辉等进行了平动模式下的有限填土模型试验，观察土体的破坏过程，但试验中没有观察到多道滑动面。针对上述情况，设计了可模拟不同复杂工况的模型箱，开展挡墙平动模式下的主动土压力模型试验。

2 模型试验模型与试验过程

模型箱采用不锈钢焊接而成，如图1所示,内侧尺寸为长1200×宽720×高×1200 mm。箱体主要包括移动挡墙、固定挡墙和填土区三部分，前者模拟挡土墙，固定挡墙模拟已建建筑物外墙。移动挡墙和固定挡墙均是不锈钢板。移动挡墙的运动由左侧移动杆控制，固定挡墙由四道相互平行的支撑杆支撑并用螺栓固定。固定挡墙与固定挡墙底板用轴承连接，通过调节转动轴承，可改变固定挡墙的倾角，底板与箱体底板用螺栓进行固定。挡墙变位模拟装置主要由电机、移动杆和电控箱三个主要构件组成。挡墙的运动由电机控制，电机运转带动移动杆运动的同时，挡墙也缓慢移动。

图1 模型箱示意图

数据采集主要包括土压力数据、挡土墙面板位移数据和试验图像。传感器的传输线与数据采集仪相连，通过数据线连接电脑，开启数据采集软件用以接收试验数据。试验图像通过高清数码相机采集。在移动挡墙和固定挡墙中线垂直布置十个土压力传感器。距离挡墙底部300 mm处水平对称布置四个土压力传感器，间距为100 mm。土压力传感器量程为0～10 kPa。在距离箱体底板450 mm、650 mm和1000 mm处各设置一个位移传感器。最终位移量取三个位移传感器测量的平均值。在模型箱有钢化玻璃前方搭建三脚架固定数码相机进行试验的间隔定时拍摄，观察并记录挡墙平动位移模式下的有限宽度填土变形破坏的全过程。LED光源在试验填土正前方对称布置，并呈45°角照射。通过高清数码相机拍摄一系列试验图像后，运用PIV分析软件对图像进行处理，捕捉图像中土颗粒的运动轨迹，获得土体颗粒的位移变化和剪切破坏过程。

试验填土选用福州砂。通过室内实验确定砂土的基本力学参数为：重度14.51 kN/m3、内摩擦角30.16°、相对密实度为40.5、不均匀系数为2.44、曲率系数为1.14以及颗粒比重为2.65。

采用控制变量法控制移动挡的位移。变量主要包括填土宽高比B/H、移动挡墙倾角β1和固定挡墙倾角β2。在平动位移模式下预计挡墙位移量为0.001H～0.002H时，填土达到主动极限破坏状态。试验时控制挡墙位移达到0.01H再停止运动，保证填土完全破坏。

3 试验结果分析

3.1 不同挡墙位移量下的变形分析。

以宽高比为0.1的试验分析结果为例，填土高度为1 m，两侧边界竖直（β2=β2=90°），在填土表面添加混凝土块作为均布超载，均布超载q 约为1.6 kPa。采用变形前网格进行绘图，不同Sx下填土剪应变变化如图2所示。挡墙平动模式下，随着挡墙位移量的增大，滑动面逐渐显现，剪切破坏程度逐渐加深，滑动面形态表示为一定宽度的剪切带。在宽高比为0.1的情况下（图2），共观察到四道“反射式”滑动面，第一道滑动面与第三道滑动面与水平面的夹角近似，约为69°。第二道滑动面与第四道滑动面与水平面的夹角近似，约为62°。当Sx=2 mm时，可以看出滑动面基本形成，此时位移量约为0.2%H。随着挡土墙继续平行移动，剪切变形程度加深，但对破坏形式不产生太大影响。

图2 不同Sx下填土剪应变变化 (B/H=0.1)

3.2 宽高比对破坏模式的影响

为观察填土破坏形态，将拍摄图像导入PIV软件中进行图像分析。选取挡土墙水平位移Sx=8 mm的填土破坏图像进行分析。图3为随不同宽高比变化的有限填土剪切变形，εs为剪应变。墙踵开始发展的滑动面称为第一道滑动面，滑动面与两侧边界（挡土墙和自然坡面）的交点称为“反射点”。填土高度不变时有限填土宽度的变化产生不同破坏形式。两侧边界的限制是挡墙平动模式下有限填土内部产生多道滑动面的主要原因，B/H=0.1时最多产生四条明显的剪切带。随着宽高比的增大，第一道滑动面与右侧自然坡面的“反射点”越靠近填土面，直至第一道滑动面贯通整个填土区域。B/H≥0.5时第一道滑动面延伸至填土面，因滑动面与自然坡面的间距很小，滑动面与自然坡面间的土体难以保持稳定状态，形成二次滑动并最终组合成一条剪切带。

图3 不同宽高比下的填土破坏模式 (Sx=8mm)

当有限填土宽度极其狭窄，两侧边界限制作用明显，第一道滑动面与水平方向的夹角较大，并产生多次“反射”现象。随着宽高比的不断增大，滑动面夹角基本稳定在60°。若有限填土宽度足够大，最终只产生一道滑动面，第一道滑动面以上为塑性区，第一道滑动面以下为稳定区。此时可近似为半无限填土状态，滑动面倾角约为64.74°，有限填土与半无限填土分界的临界宽度约为0.46H。

3.3 挡土墙倾角对破坏模式的影响

图4表示不同挡土墙倾角下的填土破坏模式。从图4中可以看出，β1从75°变化到90°的过程中，滑动面由两道逐渐增加为三道。当β1分别取75°、80°、85°和90°时，第一道滑动面与自然坡面的交点分别位于0.2H、0.4H、0.45H和0.5H高度处，交点位置随β1的增大而下移。第一道滑动面与自然坡面的交点位置随β1的增大而下移。随着β1的减小，填土区域扩展成梯形，填土与移动挡墙接触更为紧密，滑动面倾角逐渐增大。

图4 不同挡土墙倾角下的填土破坏模式 (Sx=8mm)

3.4 自然坡面倾角对破坏模式的影响

图5表示不同自然坡面倾角下的填土破坏模式。β2从90°减小到75°的过程中，滑动面由三道逐渐减小到一道，最终由第一道滑动面贯穿整个填土区域。随着β2的减小，填土区向右扩展，第一道滑动面与自然坡面交点的位置逐渐上移。当β2=75°时，第一道滑动面与自然坡面已不存在交点。由于滑动面与自然坡面的间距很小，介于两者中间的填土无法保持稳定，将产生二次滑动。

图5 不同自然坡面倾角下的填土破坏模式 (Sx=8mm)

β2的变化对滑动面倾角的影响较小。在β1<90°的情况下，滑动面倾角均在58～63°范围内，接近传统滑动面倾角的理论值45°+1/2φ。只有β2=90°时，出现第三道滑动面的反射现象。

4 结语

（1）在填土高度不变时，有限填土宽度的变化将产生不同破坏形式。随着宽高比的增大，滑动面数目逐渐减少。当宽高比为0.6时只有一道滑动面延伸至填土面，此时可作为半无限土体处理。

（2）挡土墙倾角β1从90°减小到75°的过程中，滑动面由三道逐渐减小到两道，第一道滑动面与自然坡面的交点位置随β1的增大而下移。随着β1的减小，填土区域扩展成梯形，作用在挡土墙上的竖向分力越大，挡土墙和自然坡面所受的土压力随之增大，土压力呈非线性分布。第二道滑动面并未反射到挡土墙产生二次“反射”，而是延伸至填土表面。

（3）自然坡面倾角β2从90°减小到75°的过程中，滑动面由三道逐渐减小到一道，最终由第一道滑动面贯穿整个填土区域。随着β2减小，填土区域向右扩展，第一道滑动面与自然坡面交点位置逐渐上移。