顶部荷载作用下预应力加筋土挡墙性能的试验研究

周芬，丘友威，杜运兴

顶部荷载作用下预应力加筋土挡墙性能的试验研究

周芬，丘友威，杜运兴

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

无黏结预应力加筋土挡墙可以对填料施加主动约束。采用增大填料密度法建立该挡墙的缩尺模型试验，在非加筋区顶部施加荷载，分析在施工和加载阶段墙体的水平位移、墙顶沉降、预拉力损失、水平土压力和基底土压力的分布及其发展规律。试验结果表明：加载后，当荷载达到15%极限荷载时，各层墙面板位移开始增长，增幅从第1层到第4层依次增大；墙顶加筋区中部出现“隆起”，非加筋区在80%极限荷载下出现了不均匀沉降；伴随着预拉力损失，加筋区内各层水平土压力随之减小，但第1层～第3层最大减小幅度要远小于预拉力的损失幅度；由荷载引起的基底土压力增量的分布情况表明，加筋区能有效阻挡附加竖向土压力的扩散。

侧向土压力；预应力；加筋土挡墙；模型试验

加筋土是被广泛发展和应用的边坡填土支护技术，其工作机理是通过加筋材料对填料形成约束起到加固作用[1]。一项关于320个加筋土挡墙失效原因的调查表明[2]，73%破坏的样本与使用了非砂性土填料有关。而填料性质对筋材与填料界面特性有着显著影响[3]，土工格栅−填料界面结合力不足是造成加筋土破坏的主要原因。因此不同地区的复杂土质成为加筋土技术推广应用的限制因素。为增加加筋材料对填料的约束作用，无黏结预应力加筋土技术被提出，该技术是将加筋材料对填料的被动约束转变为填料两侧墙面板与侧压板对其施加的主动约束，墙面板与侧压板通过预应力筋连接，张拉预应力筋可以实现填料的侧向土压力增加。填料、墙面板、侧压板、预应力筋构成的加筋体仍然是一种柔性的复合支挡结构。由于该技术约束土体的机理有别于传统的加筋土工作机理，该技术可以适用范围更广的填料。深入研究该技术对于该技术的推广具有重要的意义。原位试验与缩尺模型试验都是研究加筋土技术的重要手段。原位试验能获得真实的现象和规律，许多国内外学者都进行了相关研 究[4−5]，但原位试验耗资高、规模大，不便于进行系统性的试验，因此缩尺模型试验成为了广泛、高效地研究各类挡墙的重要手段。开展缩尺模型试验需要建立相似关系，由于填料的非线性性质，一般模型试验的结果很难反映实际情况，目前较为成熟的缩尺模型试验是采用离心机进行的[6−8]。虽然采用离心机模型试验可以较好地模拟实际情况，但该技术本身也存在一定的问题。离心机试验中，模型内部的加速度场并不完全等同于自然重力场[9]，模型内部的加速度场随着距离转动中心的不同而变化，并不均匀。为减小该类误差，离心机试验常需采用小尺寸模型，但小尺寸模型其内部应力测量较为困难，因此作者提出了增大填料密度法来建立试验缩尺模型。杜运兴等[10]采用增大填料密度法对混合加筋土挡墙的力学性能进行了模型试验，获得了一些有意义的研究成果，但该试验采用砝码对模型上部施加荷载，荷载较小难以全面地反映顶部荷载对该类挡墙结构的影响，而荷载对加筋土挡墙工作性能的影响是挡墙研究的重要内容[11−12]。因此，本文采用千斤顶对缩尺模型上部加载，研究该类挡墙施工和加载阶段位移和应力的分布与发展规律。

1 试验方案

1.1 模型相似

采用量纲分析法[13]确定模型的相似关系。在加筋土挡墙模型试验中，各物理量满足以下函数 关系：

其中：，，，和分别为填料的密度、黏聚力、内摩擦角、泊松比、弹性模量；为重力加速度；为挡土墙高度；为筋材的抗拉强度；为挡墙中的力。根据定理，取，，为量纲独立的基本量，于是各物理量可由基本量表示为无量纲量：1=/()，2=，3=/()，4=，5=/(2)，6=/(3)。当模型和原型对应的都相等时，可以认为模型与原型完全相似。

本试验模型采用钢砂模拟实际工程的中砂填料，需要调整钢砂填料的强度参数与中砂强度参数一致，本文通过调配粗细钢砂掺量使其达到中砂填料相同的内摩擦角。由于钢砂的密度是中砂密度的倍，在重力场下，采用钢砂的模型可以模拟倍尺寸中砂填料模型，2种模型在对应位置具有相同的应力状态。本试验主要的相似关系如表1所示。

表1 模型相似关系

1.2 模型设计

1.2.1 试验箱

如图1所示，试验在试验箱中进行，箱内的挡墙模型尺寸为：长×宽×高=1 500 mm×760 mm× 1 520 mm。试验箱两侧长边及一侧短边为19mm厚的钢化玻璃，在槽内填筑填料，箱体另一侧短边布置墙面板，以底层为第1层，共布置4层墙面板。槽内第1层墙面板位置处设有墙底挡板作为基础来限制第1层墙面板的位移。

单位：mm

1.2.2 填料

采用钢砂代替砂性土作为填料开展试验，通过按比例调配粗、细钢砂使其除密度外的物理性质近似于天然中砂，得到混合钢砂的密度为5.305 g/cm3，内摩擦角为34.0°，曲率系数为1.13，不均匀系数为2.891。由于混合钢砂密度约为天然中砂的3倍，因此缩尺模型可以模拟3倍高度的中砂填料模型。

1.2.3 墙面板与侧压板

墙面板、侧压板由配筋C30混凝土板制成，尺寸分别为375 mm(长)×380 mm(宽)×40 mm(厚)和250 mm×250 mm×40 mm。板的中心都预制了直径25 mm的孔道用来穿过活结螺栓。

1.2.4 预应力筋

采用1×7型的钢绞线作为预应力筋，筋长为600 mm，为0.4倍模型高度。钢绞线两端分别连接了活结螺栓，穿过墙面板一端的活结螺栓采用螺母、力传感器、垫片组成预拉力施加与测试系统。钢绞线外套PVC管使其能在管中自由滑动，模拟预应力筋与填料无黏结接触。

1.2.5 仪器布置

如图1所示，使用4个JMDL-2110A位移计和JMZX-3102AT穿心式力传感器测量各层的水平位移和预应力筋的预拉力；6个JMDL-2105A位移计测量顶面竖向位移；基底布置6个JMZX-5010HA土压力盒测量基底土压力；每层埋设5个XY-TX300微型土压力盒测量水平土压力，4层共计20个；采用JMZX-3405HAT荷载计测量荷载。传感器使用JMZX–3003综合测试仪和JMYJ-2020型静态自动电阻应变仪读取数据。

1.3 试验过程

试验分为填筑、施加预拉力、加载共3阶段进行。1) 填筑阶段，开始填筑前在模型箱侧壁均匀涂抹无机润滑油以充分减少填料与箱体的摩擦来降低边缘效应。按试验方案布置土压力传感器到每层相应位置，每填筑半层整平一次并采集一次数据。填筑完成后再布置位移计和千斤顶，位移计由独立于模型箱的外部支架固定。2) 预拉力施加阶段，采用旋转螺母推进的方式施加预拉力。周芬等[14]采用数值模拟分析了该类挡墙预拉力的合理取值，根据被动土压力限值及墙面变形要求，结合实际情况，从下至上依次对挡墙每层施加7，5，3和1 kN大小的预拉力，每层预拉力施加完成后，静置2 h，如果预拉力出现损失则进行补张拉。在全部预拉力施加完成后，每隔4 h进行测量，出现预拉力损失的再次补张拉，直至2次测量之间读数差为零再开展下一阶段试验。3) 加载阶段，加载区尺寸为0.54×0.65 m，采用螺旋千斤顶以10 kPa为增量进行逐级加载。维持每级荷载大小不变，每隔10 min记录一次数据，当两次位移仪器读数差为零时，再进行下一级加载。根据试验情况，为保证人员与试验仪器的安全，本试验施加的最终荷载为380 kPa。

2 试验研究内容

本试验采用增大填料密度法建立挡墙缩尺模型，研究承载时的工作性能，主要的内容包括：

1) 预拉力施加、加载阶段的墙面板水平位移、顶面竖向位移的变化规律；

2) 加载阶段，预应力筋预拉力大小的变化 规律；

3) 预拉力施加、加载阶段的各层水平土压力、基底竖向土压力的变化规律。

3 试验结果与分析

3.1 墙面水平变形

由于填筑阶段墙面板易受扰动而引起测量误差，该阶段的墙面板位移不作记录与分析。图3(a)是依次施加预拉力时各层墙面板的位移增量沿墙高分布情况，以填筑完成时墙面板的位移为零值。位移正值指墙面板离开挡墙方向的偏移即“外移”，负值指“内移”。如图3(a)所示，施加预拉力后墙后填料被压缩，墙面板内移。施加预拉力层上方的墙面板表现为外移。造成这种现象的原因有2个： 1) 上层墙面板在施加预拉力层墙面板的“内移”过程中产生一定的向外侧的转动，造成了施加预拉力层上方的墙面板表现为外移；2) 施加预拉力层中的填料在侧压板和墙面板的侧压作用下会产生竖向的隆起效益，由于侧压板位置的侧向应力更大，造成这个位置的隆起效益更明显，隆起效益推动了施加预拉力层上方填料向墙面板方向发生移动，进而导致相应位置墙面板的位移。

(a) 箱体内壁涂油；(b) 填筑钢砂、布置土压力盒；(c) 布置千斤顶、位移计；(d) 加载

(a) 预拉力作用下的墙面板位移沿墙高分布；(b) 荷载引起的墙面板水平位移累积增量；(c) 墙面板累积水平位移沿墙高分布

图3(b)为各层墙面板由荷载引起的水平位移累积增量曲线，以施工完成后的墙面板位移为零值。根据试验结果，当荷载在50 kPa(15%极限荷载)以内时，墙面板基本不出现水平位移(＜0.06 mm)，表明该类挡墙具有较强的抗变形能力。荷载超过50 kPa之后位移开始增长，达到80 kPa后，在分级荷载幅度不变的情况下，位移增幅显著增大并呈上大下小的趋势。当荷载达到330 kPa时，第4层墙面板水平位移(7.82 mm)超过了规范限值[15](0.5%墙高=7.6 mm)。综上所述，本文所建立的挡墙模型由位移控制的非加筋区顶部极限荷载为320 kPa。

图3(c)为由荷载引起的墙面板累积水平位移沿墙高的分布曲线，以施工完成后的墙面板位移为零值。由图3(c)可知，由荷载引起的各层墙面板累计水平位移曲线沿墙高首先呈线性分布，但随着荷载增大，1～4层墙面板水平位移增幅依次增大。其原因在于，加筋区填料在自重和预应力作用下的受约束程度越往下越高，墙面板的变形相应减少。

3.2 墙顶变形

图4为加载后顶面各测点的累积竖向位移变化曲线，竖向位移正值表示沉降，负值表示隆起，取预应力施加完成后的竖向位移为零值。如图4(a)所示，加载后，加筋区中部出现明显隆起，并在荷载140 kPa附近最明显。这是因为非加筋区顶部荷载增加了侧压板背部填料的水平土压力，侧压板进一步挤压加筋区填料，引起了加筋区中部隆起。

如图4(b)～4(c)所示，当荷载小于80%极限荷载(250 kPa)时，非加筋区沉降随荷载增大呈线性增长，并且3个测点的沉降量基本保持一致。但在荷载增大到80%极限荷载后，3个测点的竖向沉降出现分化，达到极限荷载后更加明显，靠近加筋区的测点4沉降大幅增加，而离加筋区最远的测点6保持着原来的增长幅度。结果表明，明显的不均匀沉降预示上部荷载达到加筋土挡墙的极限荷载。

3.3 预拉力损失

图5显示了加载阶段挡墙各层预应力筋预拉力的变化。结合图4(a)可以发现，加载后，预拉力大幅损失的荷载区间(0～150 kPa)与加筋区中部隆起不断增大的荷载区间一致，可推断预应力筋的预拉力损失主要是由于侧压板挤压加筋区填料，引起了侧压板向墙面板移动，造成预应力筋的预拉力降低。在上部荷载增大到一定程度后，墙面板和侧压板向外侧的位移一致时，预应力筋的预拉力稳定下来。最终1～4层的预应力筋预拉力损失幅度依次为−20%，−30%，−60%和−60%，卸载后预拉力也基本保持不变。

(a) 加载后加筋区顶面累积竖向位移；(b) 加载后非加筋区顶面累积竖向位移；(c) 顶面累积竖向位移沿墙体纵向分布

图5 加载后预应力筋预拉力变化

3.4 水平土压力

作为一种轻型挡土墙，确定墙内填料土压力的大小及分布对挡墙设计尤为重要。图6(a)是填筑完成和预拉力完成后各层水平土压力沿墙体的纵向分布曲线，图6(b)～6(f)为加载阶段由荷载引起的各层各测点水平土压力的累积增量曲线，由图可知：

1) 如图6(a)所示，预拉力施加完成后，加筋区的水平土压力显著增长，填料的水平土压力增大幅度呈现出靠墙面板和侧压板两端大，中部小的趋势，其原因在于墙面板与侧压板对填料施加压力后，填料内部出现压应力的扩散，其扩散范围是从板边向内扩大的棱体范围。

2) 如图6(b)～6(d)所示，第1～3层加筋区3个测点的水平土压力均呈先减小后增大的变化规律，减小幅度在50%极限荷载附近达到最大。水平土压力下降最大的荷载区间与图5所示的预拉力损失变化最大的荷载区间一致，由此可判断加载过程中预应力筋的预拉力损失造成了加筋区水平土压力的下降。相比于加载前，加载过程中第1层加筋区的水平土压力从墙面板背部往侧压板方向的各个测点的最大降幅依次为−9.35%，−10.54%和−6.07%，第2层为−20.20%，−6.38%和−4.21%，第3层为−22.91%，−3.70%和−2.02%。从结果来看，加载过程中第1～3层加筋区的水平土压力最大降幅(−22.91%)远小于预拉力的最大损失幅度(−60%)，并且达到最大降幅后，第1～3层加筋区水平土压力随荷载增长基本不再下降。这说明预应力筋的预拉力损失的幅度与加筋体内水平土压力降低的幅度并不一致。

(a) 填筑和施加预拉力阶段各层水平土压力大小沿墙体纵向分布；(b) 荷载引起的墙面板背部水平土压力累积增量；(c) 荷载引起的加筋区中部水平土压力累积增量；(d) 荷载引起的侧压板前侧水平土压力累积增量；(e) 荷载引起的侧压板后侧水平土压力累积增量；(f) 荷载引起的荷载区中部水平土压力累积增量

第4层墙面板背部和加筋区中部水平的土压力在加载过程中不断减小，直到终载时，墙面板背部和加筋区中部土压力降幅达到最大(−51.53%和−23.28%)，该降幅远大于第1～3层。其原因在于，第4层填料约束程度低，随着墙面板外移不断增大，第4层加筋区填料出现松动造成密实度不断降低进而引起了内部土压力的降低。

3) 如图6(e)～6(f)所示，加载后，侧压板后侧(靠非加筋区一侧)、荷载区中部水平土压力增量从第4层到第1层逐渐减小，这是由于荷载引起的附加水平土压力也存在扩散效应。

3.5 基底竖向土压力

图7显示了模型从填筑到加载阶段各测点基底竖向土压力的分布曲线。预应力筋的预拉力造成加筋区填料的侧压力增加，由于泊松效应造成了填料内竖向应力增加。加载前，基底土压力近似为均匀分布，但加载后，加筋区基底竖向土压力的增幅远小于非加筋区，处于侧压板两侧的测点3，4仅相距250 mm，但最终土压力增量却相差了49 kPa，侧压板后侧的基底土压力增量为前侧的427%。结果表明，该类挡墙的加筋体能有效阻挡由非加筋区荷载引起的附加竖向土压力往加筋区扩散，荷载作用对加筋区基底造成的影响小。

图7 施工和加载阶段基底竖向土压力变化

4 结论

1) 在施工阶段，对挡墙第1～4层预应力筋依次施加从大到小的预拉力后，各层墙面板依次出现从小到大的内移；加筋体内填料的侧向土压力增量呈中间小两端大的分布，填料内的预应力存在扩散效应。

2) 各层墙面板位移在上部荷载达到15%极限荷载后才开始明显增长；上部荷载作用下加筋区顶面中部出现“隆起”，非加筋区在80%极限荷载下出现了不均匀沉降。

3) 加载过程中，伴随着预应力筋预拉力损失，加筋区内水平土压力出现下降，但第1～3层最大降幅远小于预拉力的损失幅度，其承载力不会随着预拉力损失而大幅下降；由荷载引起的基底土压力增量的分布情况表明，加筋区能有效阻挡附加竖向土压力的扩散。

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Experimental study on the performance of prestressed reinforced soil retaining walls under top load

ZHOU Fen, QIU Youwei, DU Yunxing

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Unbonded prestressed reinforced earth retaining wall can impose active constraints on the filler. In the paper, an indoor model test was established by increasing the density of the filler, and the load was applied at the top of the unreinforced area. The distribution and development trends of horizontal displacement, top settlement, pretension loss, horizontal earth pressure, and earth pressure at the bottom of the foundation during the construction and load application of the reinforced body were analyzed. The test results show that: after loading, the displacement of the wall panel of each layer starts to increase after the applied load reaches 15% ultimate load, and it increases gradually from the bottom to top. A “bulge” appears in the middle of the reinforced area at the top of the wall, and unreinforced area begins to show uneven settlement after the application of 80% ultimate load. The horizontal earth pressure of each layer in the reinforced area decreases with the large loss of pretension, but the maximum drop of the first to third layers is much smaller than the loss of pretension. The distribution of the earth pressure increment at the bottom of the retaining wall caused by the load indicates that the reinforced area can effectively block the spread of additional vertical earth pressure.

lateral soil pressure; prestress; reinforced earth retaining wall; model test

TU472.3

A

1672 − 7029(2020)12 − 3063 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200155

2020−02−26

湖南省自然科学基金面上资助项目(2018JJ2050)；长沙市科技计划重大专项资助项目(kq1703002，kq1804002，kq1902043)

周芬(1973−)，女，湖北武汉人，副教授，从事加筋土技术研究；E−mail：zhoufen@hnu.edu.cn

(编辑 涂鹏)