加筋挡土墙力学特性的模型试验研究

赵晓玲

(中铁一院集团兰州铁道设计院有限公司,兰州 730000)

加筋挡土墙力学特性的模型试验研究

赵晓玲

(中铁一院集团兰州铁道设计院有限公司,兰州 730000)

由于加筋挡土墙填土与加筋带之间的摩擦特性和界面剪应力复杂,通过模型试验对其进行研究,可以为加筋挡土墙的稳定性计算分析提供试验依据和参考。在不同上覆压力和填土密度条件下,对不同长度加筋带进行了拉拔模型试验,分析得到了加筋带的受力和变形规律、加筋带与填土之间的摩擦特性。研究表明,随着上覆压力的增大,筋带破坏时的极限拉拔力增加,破坏形式由滑动破坏转变为断裂破坏,填土的固结作用使填土对加筋带的摩阻作用增强,并通过试验合理确定了考虑握裹力影响的综合似摩擦系数的表达形式。

加筋挡土墙；模型试验；复合加筋材料；综合似摩擦系数

1 概述

加筋挡土墙由填土和布置在填土中的筋带及墙面板三部分组成，加筋土是由一层或多层水平加筋材料与填土交替铺设而形成的一种复合体，最早采用的加筋体仅局限于天然材料，如竹片、麻杆等，后来金属构件和钢筋混凝土构件被广泛用于加筋材料。20世纪80年代中后期，土工网、土工布、土工格栅等人工合成材料的相继问世，使加筋土技术得到了飞速发展，进一步加快了加筋挡土墙技术的发展[1-6]。

国内外学者对加筋土力学机理和加筋挡土墙的计算理论作了大量的研究工作，但是由于加筋挡土墙填土与筋带之间的摩擦特性是非线性增长的，界面剪应力的发挥过程复杂，影响筋土界面摩阻特性的主要因素与材料的物理力学性质、上覆法向应力和剪切速度有关，确定加筋体的本构关系和相应的参数尚很复杂[7-8]。因此，通过模型试验对加筋材的性质、筋土界面的摩阻特性和复合材料的性质进行观测分析和试验研究，对完善加筋挡土墙的计算理论和设计方法有重要指导的作用。

2 模型试验

2.1 基本原理

加筋挡土墙加筋带的作用是约束墙体的滑动，楔形体滑动沿水平方向产生的力由筋带来承担，筋带与填土体之间的摩阻力大于楔形体沿水平方向的滑动力，即可保证挡土墙稳定。根据加筋挡土墙的受力机理，墙体分为活动区和稳定区，活动区的受力机理复杂，通过模型试验对稳定区筋带的受力特性进行模拟，分析研究加筋带与填土之间的摩擦特性，以及筋带自身的抗拉拔特性，为加筋挡土墙的稳定性计算分析提供试验依据和参考。

青藏铁路西格二线西宁车站局部地段位于黄土地区冲沟形成的坡地上，填方基底为第四系全新统冲积砂质黄土，层厚大于8 m，允许承载力150 kPa，具中等压缩性，地形起伏较大，地面横坡5°～10°，由于场地高差较大、地基承载力较低，同时为减少市区占地空间，设置了加筋挡土墙收坡。加筋挡土墙最大墙高11 m，采用直立墙面，墙面由50 cm×100 cm的混凝土面板构成，加筋带的一端与墙面板固定，另一端埋设在压实的砂质黄土填土里，如图1所示。本模型试验针对埋设在砂质黄土填料中的加筋带施以拉拔力，拉拔力取不同填土深度土压力的计算值，使加筋带从填料中拔出或滑动，用以测定筋、土之间的摩擦特性和筋带自身的抗拉拔特性，从而反映加筋带在砂质黄土填土中的实际受力状态。

通过模型试验可以对加筋挡土墙加筋带、填土之间的受力机理通过以下几个方面进行研究：不同筋带长度和筋带在不同上覆压力下和填土密度下的摩擦特性；沿筋带长度范围内的筋带变形特征；钢丝筋带的握裹力对挡墙稳定性的影响。

2.2 试验设备

模型试验填土为黄土，加筋带为钢塑复合加筋带，与施工现场一致。钢塑复合筋带主要受力材料是聚氯乙烯塑料包裹的钢丝，模型试验前对钢丝握裹力、极限抗拉强度、破断伸长率等基本性能指标进行了破坏试验。复合筋带的性能指标见表1，填土(黄土)的物理指标见表2。

为了模拟加筋带在填土中的受力状态，研制的模型试验装置由填土箱、上覆荷载模拟系统、锚固拉拔系统和筋带应变测量系统4部分构成。通过密封橡胶膜上施加气压来模拟加筋带实际的不同上覆压力，即不同的填土深度可以用不同的上覆压力来代替。用一个机箱模拟受力单元，把筋带埋设在机箱的填土中，通过对筋带施加拉力及其发生变形的过程即可模拟加筋挡土墙筋带拉拔破坏过程。

试验用的加载系统是由锚具、千斤顶、量力环、2个百分表(一个用来测量量力环的读数，一个大量程的百分表用来测量受拉过程中加筋带的位移变化)、滑杆(用来连接锚具和千斤顶)、滚轮(保证滑杆水平)和连接机箱的竖直钢板(由4根螺杆固定)组成。整个加载系统由液压千斤顶对筋带提供拉力。筋带应变测量系统由静态应变仪、应变片、导线组成。当筋带表面发生变形时，应变片上电阻发生变化。静态应变仪的电路采用惠特曼电桥原理连接，当应变片的电阻丝长度发生变化时，变化的电阻即显示出应变计的读数。模型试验仪见图2，加载系统见图3。

2.3 试验方案

加筋带是加筋挡土墙工程的关键受力材料，加筋土工程技术的发展与筋带的发展紧密联系在一起。钢塑复合筋带，它的主要受力材料是聚氯乙烯包裹的钢丝，因此其受力不仅与筋带的摩擦特性有关，还与筋带对钢丝的握裹力有关。

黏性填土的含水量、密度以及上覆压力对筋土界面的剪切特性有影响，因此分别进行不同上覆压力、不同密度和不同长度加筋带下的试验研究。

试验上覆压力分别根据计算土压力值取0.1、0.2、0.3、0.4 MPa；筋带长度分别取0.5、1.5、2 m；填土干密度为1.60、1.52 g/cm3。填土干密度γd=1.60 g/cm3，不同筋带长度时的拉拔力-位移曲线见图4～图6。

2.4 加筋带拉拔力(P)-位移(S)变化分析

(1)填土干密度γd=1.60 g/cm3

由图4可知，随着上覆压力的增大，筋带破坏时的极限拉拔力也增大。上覆压力400 kPa时筋带的破坏属于断裂破坏。

由图5可知，筋带破坏时的极限拉拔力均在4 000 N以上。随着上覆压力增大，筋带拉拔力增长，破坏时的变形均有显著增长。上覆压力100、200、300 kPa时筋带属于滑动破坏，400 kPa时属于断裂破坏。

由图6可知，随着上覆压力的增大，筋带破坏的极限力随着增加。随上覆压力的增大，在筋带拉拔力增长的过程中，筋带的破坏形式由滑动破坏转变为断裂破坏。

(2)P(拉拔力)-S(位移)试验数据表明：在相同的干密度下，相同长度的同一组加筋带，上覆压力越大，筋带破坏时所需的拉拔力越大，但是增长变化范围较小，同时筋带变形时间也越长。

在相同的填土干密度和相同的上覆压力下，筋带越长，筋带拔出破坏时需要的极限拉拔力越大，筋带变形发展过程也越长。

不受筋带长度和上覆压力影响，在初始加载的较大范围内，筋带的位移增长速度较慢；加载后期，在较小的荷载增量范围内位移增加较快。这表明初始变形是筋带与填土之间的相对摩擦移动，后期变形直至发生破坏变形，是筋带与填土之间的滑动或者筋带钢丝与聚氯乙烯包裹物之间的相对滑移变形。

(3)填土干密度γd=1.52 g/cm3时P-S曲线变化规律与填土干密度γd=1.60 g/cm3时相似，但筋带破坏时的极限拉拔力略有减小。

2.5 沿筋带长度范围内的应变分析

不同拉拔力条件下，应变量沿筋带分布的试验数据(图7～图9)表明：沿筋带长度范围内，应变(或变形)是非均匀变化的，应变随着筋带长度的增加逐渐减小，至筋带尾部均为负值，靠近锚具处的应变值增长最快；筋带的拉拔力接近破坏时的极限拉拔力时，筋带尾部的应变发展较快；随着上覆压力增大，靠近锚具处的极限应变值增加。

加载过程表明：初始加载时，靠近锚具处筋带受到的拉力较大，远离锚具处受到的应力分布比较均匀，并呈现均匀减小的趋势；随着荷载增大，靠近锚具处的应变计读数增长最快，接近破坏时，第一个应变计的读数溢出，锚具处筋带首先达到极限荷载，出现拉裂和滑动破坏；继续增加荷载，远离锚具处的应变计读数依次溢出，表明加筋带出现整体滑动破坏。

3 复合筋带的握裹力分析

通过以上对加筋带拉拔力(P)与位移(S)变化、沿筋带长度范围内应变变化规律的分析，可以看出，沿加筋带表面的受力是不均匀传递的；在理想状态下，钢丝与筋皮之间应该共同工作，但是筋带在实际一般受力过程中，筋皮与土之间的摩擦力大于筋皮与钢丝之间的握裹力，首先是靠锚具处的筋带受到的拉拔力最大，荷载继续增大时，靠近锚具处的聚氯乙烯包裹物被拉长，筋带中的钢丝随着锚具发生位移，这个阶段在筋带受力接近极限状态时出现。

试验发现，上覆压力对筋带的握裹力有明显的影响，筋带的握裹力失效出现在筋带受力接近极限状态时出现，随着上覆压力的增大，可以明显减缓或推迟握裹力失效。一般传统经验认为，随着筋带长度的增加，筋带能够提供的抗拔摩阻力越大，本文试验发现，填土与筋带之间的摩阻力不仅与筋带长度有关，而且与筋带对钢丝等包裹物的握裹力有关，筋带的握裹力是决定加筋挡土墙稳定性的关键因素。

4 填土与筋带的摩擦特性分析

试验表明，受力初期筋带应变发展较小，拉拔力增长较快，变形较大阶段，拉拔力的增长幅度较小，非线性变形过程说明筋带的钢丝与聚合物包裹层之间发生相对滑动。不同填土密度和不同筋带长度条件下，临近锚具处筋带的变形发展较大，筋带与填土的摩阻作用可以完全发挥，该段筋带内均出现了钢丝与聚合物包裹层之间相对滑动，包裹层的延伸率较大被拉断破坏。

填土后分别固结12 h和36 h，对1.5 m长筋带的测试结果比较表明，固结时间越长，拉拔初期筋带的应变发展较小，拉拔力增长较快，固结时间能明显提高极限拉拔力，促使填土对筋带的摩阻作用增强，约束限制筋带发生变形。

5 综合似摩擦系数的确定

在加筋挡土墙抗拔稳定计算中，f称作似摩擦系数(式(1))，是反映筋土间摩擦力的综合参数，与一般材料间的滑动摩擦系数有区别[12]。影响f值的因素较多，要取得符合实际的摩擦系数是比较困难的，一般情况下最好采用试验值。由本文模型试验可知，筋带提供的极限抗拔力不仅与筋带的长度有关，当筋带承受的拉拔力接近极限拉拔力时，筋带的摩阻特性不再与锚固长度有关，而是与筋带的握裹力密切相关，由此得到的f值称为综合似摩擦系数。

式中,f为似摩擦系数；Tf为试验测得的加筋带极限拉拔力，kN；b为加筋带宽度，m；L为加筋带在填土中的埋置长度，m；σV为加筋带上作用的法向应力，kPa。通过模型试验的加筋带拉拔试验可以确定综合似摩擦系数f。试验极限拉拔力可以写成Tf=Ti+kσV，Ti反映由稳定区锚固长度决定的拉拔力，kσV反映由握裹力决定的拉拔力。

本文模型试验数据表明，筋带承受的极限拉拔力在4 000～6 000 N，加筋带的上覆压力变化值在0～210 kPa变化。根据极限拉拔力和上覆压力变化的规律，通过试验数据来确定Ti和k值，比较符合实际。极限拉拔力与上覆压力的关系曲线如图10所示。

由Tf-σV曲线的趋势线可以看出，Ti的变化值在3.8～4.1 kN，取Ti=4 kN，k值在0.003 415～0.004 52变化，取k=0.004。Tf=4+0.004σV，由其可以确定试验综合似摩擦系数f值。

在加筋挡土墙抗拔稳定计算中，当加筋带上作用的法向应力、加筋带宽度和长度确定时，可以采用通过试验确定的符合实际的综合似摩擦系数来进行抗拔稳定计算，对完善加筋挡土墙的计算理论和设计方法具有重要作用。

6 结语

(1)通过模型试验对稳定区筋带的受力特性进行模拟，对加筋带与填土之间的摩擦特性、筋带的抗拉拔特性进行分析研究，可以为加筋挡土墙的稳定性计算分析提供试验依据和参考。

(2)黏性填土的含水量、密度以及上覆压力对筋土界面的剪切特性有影响。随着上覆压力增大，筋带的破坏形式发生改变，由滑动破坏转变为断裂破坏；沿筋带长度范围内，应变(或变形)呈非均匀变化的，上覆压力增大，靠近锚具处的极限应变值增加。填土固结作用能明显提高极限拉拔力，使填土对筋带的摩阻作用增强。

(3)筋带的握裹力是决定加筋挡土墙稳定性的关键因素。上覆压力对筋带的握裹力有明显的影响，上覆压力的增大，可以明显减缓或推迟握裹力失效。

(4)筋带提供的极限抗拔力不仅与筋带的长度有关，而且与筋带的握裹力密切相关，本文提出了通过模型试验确定综合似摩擦系数f值的方法，对合理确定符合实际的摩擦系数具有现实意义。

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ModelExperimentonMechanicalPropertyofReinforced-earthRetainingWall

ZHAO Xiao-ling

(Lanzhou Railway Design Institute Co., Ltd., China Railway First Survey and Design Institute Group, Lanzhou 73000, China)

In this research, the model experiment of reinforced-earth retaining wall was performed to research the complicated friction characteristics and interfacial shear stresses between filled soil and reinforced zone, providing experiment basis and reference for stability calculation and analysis of reinforced-earth retaining wall. Meanwhile, the pull-out model test of the reinforced zone of different lengths was carried out under different overburden pressures and different filled-soil densities. And then through research, the mechanical behavior and deformation pattern of reinforced zone, as well as the friction properties between reinforced zone and filled soil were ascertained. The research result shows that: with the increasing of the overburden pressure, the ultimate pull-out force corresponding to the failure of reinforced zone will increase; the failure mode will change from sliding failure to fracture failure; the friction effect of filled soil on reinforced zone will be enhanced because of consolidation of filled soil. In addition, the expression form of virtual comprehensive friction coefficient considering the effect of bond stress was reasonably determined through the model experiment.

reinforced-earth retaining wall; model experiment; composite reinforced material; virtual comprehensive friction coefficient

2013-11-25；

：2013-12-10

赵晓玲(1981—)，女，工程师，2007年毕业于西安理工大学岩土工程专业，工学硕士，E-mail：184053475@qq.com。

1004-2954(2014)05-0030-04

U213.1+52.3

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.05.008