返包式加筋土挡墙静载作用下结构行为试验研究

孙巧茹

（河北锐驰交通工程咨询有限公司，河北石家庄 050000）

0 引言

对近年来国内已建加筋土结构运营效果分析可知，加筋土结构具有良好的抗震效果和长期稳定性，同时也具有完全适应地基变形等优点。国内外学者对加筋土结构进行了大量研究。杨广庆[1-4]等对不同面板形式的加筋土挡墙进行了大量的现场试验，得出不同条件下加筋土挡墙应力、应变的大小、分布形式和挡墙墙面变形情况；陈建峰[5]基于数值模拟方法探讨了土工格栅加筋土挡墙墙面斜率与挡墙底部最大沉降差之间的关系。徐超[6]分析了剪切速率和材料特性对筋-土界面抗剪强度的影响规律；杨和平[7]分析了上覆压力、填料含水率、拉拔速度、固结时间及加筋格栅类型等参数对拉拔试验筋土界面摩擦特性的影响。本文在此基础上，通过试验研究返包式加筋土挡墙静载作用下结构行为，为同类研究提供参考。

2 试验方案

2.1 模型箱及测量仪器

土工格栅加筋土挡墙模型箱尺寸为3.8m（长）×1.2m（宽）×2.0m（高），见图1。模型箱包含：3.8m（长）×2.0m（高）有机玻璃观测面1个，可清晰观测土工格栅加筋土挡墙变形情况；2个临空面，其中一个临空面为3.8m（长）×1.2m（宽）的顶面，另一个临空面为1.2m（宽）×2.0m（高）的前端面，与此临空面相对的一面用工字钢隔段焊接后，用模板进行密封处理，见图2。

图1 模型箱

图2 临空面处理

荷载通过重载液压MTS加载试验系统。试验所用测试器具包括：静止土压力盒，柔性位移计，百分表等。

2.2 挡墙填料

试验前对挡墙填料进行了一系列土工常规试验，填料主要物理力学指标见表1。

表1 填料主要物理性能指标

经计算，填料不均匀系数Cu=17.48，曲率系数Cc=0.54，确定填料为级配不良的砾石土。

2.3 土工格栅物理性能试验

加筋材料选用GE70R 单向土工格栅，其主要力学特性及尺寸见表2。

表2 土工格栅主要力学特性及尺寸

2.4 模型挡墙试验过程

2.4.1 试验加载前准备工作

为降低模型箱内壁侧摩阻力对试验结果的影响，可在模型箱内壁涂油。采用小型手扶式冲击夯夯实，墙体堆叠30cm 宽编织袋，袋内装填料，用格栅返包60cm 后再填筑下一层填料，共铺筑5 层。测试原件埋设见图3。

图3 测试原件布置图

2.4.2 试验加载

加压前先预压1kN，测试各仪器能否正常工作，正式加载前记录各测试通道的初始读数。

（1）静载采用分级加载，分6 级逐级施加均布静载， 即10MPa、 20MPa、 30MPa、 40MPa、 50MPa、60MPa，每隔30min 记录一次数据，待测量仪器差值为0时说明墙体变形已稳定，可施加下一级静载。

（2）各级静载加载完毕后记录各测试通道数据，清零并调平各测试通道。

3 试验结果分析

3.1 填筑过程基底垂直土压力测试数据分析

模型挡墙填筑期间基底垂直土压力随填土高度的变化规律见图4。

图4 不同填土高度时基底垂直应力沿筋长分布曲线

由试验数据可得：

（1）基底垂直土压力与填土高度成正比，应力增长速率基本相同。但测量值小于理论值σv=γh，竣工稳定后的基底垂直土压力也小于理论值。分析其原因可能是格栅的“网兜”效应改变垂直土应力分布，减少了填料自重在挡墙基底产生的垂直土压力。

（2）沿筋长方向，基底垂直土压力呈非线性分布，最大值位于格栅中间位置，向土工格栅末端逐渐减少。格栅受加筋土自重和非加筋区土体产生的侧向土压力作用，侧向土压力产生倾覆力矩，使垂直土压力呈非线性分布规律。因此，垂直土压力最大值应发生在面墙附近，而最小值则发生在拉筋末端，分布规律与偏心荷载作用下的悬臂梁挡墙刚性基底下的梯形土压力分布相近，但试验数据与该理论存在偏差，分析其原因为：①施工中挡墙下部墙面在受力作用下外移导致应力释放；②墙面处受填土包裹编织袋摩擦力影响产生土拱效应；③筋土间相互作用等。

3.2 加载过程测试数据分析

3.2.1 模型挡墙变形分析

（1）如图5所示，整个加载过程挡墙竖向变形很小，不超过5.5mm。通过模型挡墙的荷载－位移曲线可将土体压实状态分为两个阶段：一是初始压密状态，由于道砟为颗粒较大的碎石土初始状态填料压实度增加很快，墙体变形明显，模型挡墙竖向变形较大，整体变形近2.1mm；二是承载力发展状态，静载增加至60kPa即增加至高速铁路加筋土挡墙设施、铁轨等同等重量的荷载时，曲线斜率明显变小，挡墙承载力逐渐发挥作用，挡墙竖向变形量增量越来越小。整个阶段平均变形量约为4.3mm。

图5 墙顶竖向位移（沉降）与荷载关系曲线

（2）模型挡墙面墙侧竖向变形分析。分级均布静载作用下模型挡墙竖向变形规律见图6。分析试验数据：模型挡墙各层竖向变形（沉降）随施加的均布静载增加而增大，静载在0～30kPa前4层墙体变形微小，墙体变形大体呈线性增长，静载大于40kPa时，曲线斜率明显增大，竖向变形增长速率增大，变形曲线呈非线性。尤其是第五层与顶层变形量较其他层明显变大。但由于施加荷载较小，模型挡墙各层竖向变形量均较小，不大于0.8mm。

图6 模型挡墙竖向变形随荷载增加变化曲线

各层墙体水平变形随荷载增加变化规律曲线见图7。各层水平位移随荷载增大而增大，在0～60kPa 整个加载过程中，挡墙水平变形很小，均不大于0.35mm，各层变形规律相似，施加的静载小于10kPa 时，模型挡墙水平变形量很小。

图7 各层水平变形随荷载增加发展规律曲线

3.2.2 土压力分析

（1）墙后水平土压力分布。包裹体的存在使返包处墙体压实度偏小且不够均匀，是施工过程不可避免的问题，同时由于包裹体受力向外移动造成水平土压力随时释放，水平土压力变化很小，有些测点水平土压力为零，如挡墙中部，有些测点在均布静载作用下基本无变化。墙后土压力分布呈墙体下部大、上部小，近似“（”形，与以往多个加筋土挡墙实际工程实测值类似[8]。随静载增大，墙后土压力除个别测点小幅增大外，其余测点基本不变。综上，列车荷载对加筋土挡墙的墙后水平土压力影响较小，可能由于列车荷载与挡墙填料自重相比影响较小，列车荷载作用下，填料处于进一步调整中，因此各级均布静载作用下模型试验实测值基本无变化，如图8所示。

图8 各级均布荷载下墙后土压力

（2）加筋区水平土压力变化。模拟高速铁路静载作用下模型挡墙加筋区土压力分布规律为沿墙高基本呈线性分布，即墙体上部土压力小，下部土压力大，与一般支挡结构土压力分布规律相似。随着施加的静载逐级增大，土压力逐级增大，墙体下部土压力发展速率较快，大于墙体中上部，见图9。

图9 各级均布荷载下加筋区土压力

3.2.3 单向土工格栅变形特征

图10为土工格栅各层拉筋变形曲线。

由图10可知：不同层筋材沿筋材方向拉应变均成非线性分布。由于各层所处位置不同，垂直压力分布规律不同，表现在拉筋受力变形上各层拉筋变形规律不尽相同。如第1层先减后增再减的波浪形规律；距离面墙最远处即格栅端部应变值接近零，分析原因可能是存在马口钉，限制了顶端土工格栅位移，从而存在测量误差。第2层格栅沿筋长方向先减再增；3、5层格栅拉应变先增后减。从各层应变值可看出模型挡墙1.0～1.7m 范围内，土工格栅应变值均发生了不同程度的增长，除第2层距离面墙最远处发生了应力突然变大，最大拉力出现在距离模板较远处；从1、2、4 层可以看出，靠近面墙处格栅应变较大，可见施工原因对格栅应变影响很大。

图10 荷载作用下格栅沿筋长拉应变变化规律

4 结论

本文通过模型试验研究了返包式土工格栅加筋土挡墙静力特性，得出以下结论：

（1）模型挡墙施工过程中基底垂直应力的变化规律；

（2）模型挡墙在分级静载作用下面墙侧、加筋区水平土压力，返包侧竖向、水平变形以及格栅筋材拉应变分布规律。并对试验测量数据与其他实际工程测量数据明显存在差异的地方分析了原因。加筋土挡墙的水平变形、竖向沉降与有效静荷载的发展变化关系密切。加筋土挡墙墙顶承受的荷载较小，墙面竖向、水平变形均较小，基本呈线性关系。随承受荷载的不断加大，竖向、水平变形增幅变大，且沿墙高由线性分布变为非线性分布规律。模型试验各组实测数据差值均很小。由此从模型试验角度说明，高速铁路列车有效静荷载作用对加筋土挡墙的水平变形、竖向沉降及格栅应变等的影响相对较小。