条带式加筋土挡墙的拉筋原型观测试验研究

王万平,翁光远

(陕西交通职业技术学院公路工程系,陕西 西安 710018)

加筋土结构作为一种新兴的支挡结构,以技术简单、造价低廉和适应性强等优点得到了广泛的应用。然而受理论研究水平所限,尤其是筋土间的作用机理的研究,使得加筋土挡墙设计的基本原则还是以岩土力学基本原理为主[1-2]。本文结合具体的实际工程,进行了拉筋原型观测试验,对筋土间的作用机理进行了研究,得出了一些结论,希望能给同类工程提供相关参考。

1 加筋土工程的基本理论

为了弄清楚加筋砂土复合体强度和其稳定性提高的原因,Vidal等人就加筋材料如何提高砂土的抗剪强度进行了三轴试验研究,提出了各种假说来解释筋土之间的相互作用机理[3]。依据现有研究结果,筋土之间相互作用的基本原理大致可以归纳为两大类:一是摩擦加筋原理,二是准粘聚力原理。

1.1 摩擦加筋原理

根据加筋土复合体中筋土间的基本构造,可以从加筋体中取出一微段进行分析。

在分析工程中不考虑筋带重量和微元体土体重量,如图1所示,微元体长为dl,拉筋左截面受力为T1,右截面受力为T2,压住拉筋的法向应力为σ。土粒和拉筋间摩擦系数为f,b为筋带宽度。则土的水平推力在该微元段拉筋中所引起的拉力为dT=T1-T2[4-5]。

若dF为土粒与拉筋在该微元段上产生的总摩擦力,则有

根据对该微元体的受力分析可知

图1 摩擦加筋原理

则筋土之间就不会产生相互错动,即土的水平推力被筋土间的摩擦力所克服,微元体保持稳定,反之则不能保持稳定。

从上面的分析可知,拉筋材料要满足两点:一是表面要粗糙,二是要有足够的强度和弹性模量。前者保证筋土间能够产生足够大的摩擦力,使拉筋不被拉出,后者主要保证拉筋的变形与土体的变形大致相同。

1.2 准粘聚力原理

加筋土结构可看作是各向异性的复合材料,一般情况下拉筋的弹性模量远远大于填土的弹性模量,拉筋与填土共同工作,外测强度包括了填土的抗剪力、填土与拉筋的摩阻力和拉筋的抗拉力的共同作用,使得加筋土的强度明显提高。这一点在加筋砂圆柱土样与未加筋砂圆柱土样三轴对比试验中得到验证[6-7]。

2 工程概况

2.1 场地工程地质条件

拟建场地在勘探深度范围内地层岩性由老到新依次为:上三叠系延长组瓦窑堡段(T3y5)泥岩、砂岩夹煤层、煤线,第三系上新统(N2)红色粘土,第四系中、上更新统风积黄土(Q2eol、Q3eol),第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)粉土、粉质粘土,滑坡堆积(Q4del)泥岩、砂岩、黄土状粉质粘土以及人工素填土(Q4ml)等。

2.2 工程治理方案简要说明

根据边坡现状和场区规划,在施工图设计中采用了路堤式加筋挡土墙方案,挡墙高在3 m～20 m范围内,墙高超过10 m时挡墙分级,分级错台宽3 m,挡墙墙顶部1.5 m为路基。在设计中,考虑了路基上设置尺寸为1.2 m×1.0 m的全防渗性排水沟。具体如下:

2.2.1 面板

均采用槽型面板,槽板厚 25cm,高50cm,长99cm。

2.2.2 拉筋

加筋土的拉筋采用“CAT”系列钢塑复合材料拉筋,规格为CAT30020B。

2.2.3 填土

填土为黄土,填料必须分层碾压,分层厚度在30cm左右,碾压机械也必须达到一定的标准。

2.2.4 二期一侧的挡墙

根据场区的地形特征,加筋土挡墙共分成12个分段,加筋土墙顶与二期一侧各级平台的搭接将形成错台,其高度最高在3 m～6 m不等。这些错台中除了第一、二分段做加筋土挡墙外,其他分段均做成重力式混凝土挡墙,混凝土挡墙顶宽1 m,底宽1.5 m,埋深1 m。填土和拉筋相关参数见表1。

表1 填土和拉筋参数表

3 拉筋原型观测试验设计

3.1 量测仪器

剪切带上的拉应变是通过在拉筋带表面上粘贴塑性电阻应变片来测定的。

3.2 电阻应变片的布设

本次原型观测共在6个剖面布置了近200片应变片,仅以最高剖面5-5剖面进行分析。5-5剖面共布置了10层应变片,具体布置剖面位置见图2。

图2 5-5剖面应变片布设剖面位置图

4 成果分析

根据测试结果分别绘制了各层应变片侧向拉力和填土厚度的关系图,见图3～图11,图中横轴表示土层厚度,从应变片的观测日期算起,纵轴表示应变片侧向应变,直接用应变片的应变值来表示(μ ε),其中正值表示拉应变,负值表示压应变。图中的应变片的编号规律如下:第一个数字5表示的是5-5剖面,第二个数字表示的是层号,第三个数字表示的是层内的编号。比如,5-5-3表示5-5剖面第5层从面板数第3个应变片。

图3 5-5剖面第1层应变与土层厚度曲线图

图4 5-5剖面第2层应变与土层厚度曲线图

图5 5-5剖面第3层应变与土层厚度曲线图

图6 5-5剖面第4层应变与土层厚度曲线图

图7 5-5剖面第6层应变与土层厚度曲线图

图8 5-5剖面第7层应变与土层厚度曲线图

图9 5-5剖面第8层应变与土层厚度曲线图

图10 5-5剖面第9层应变与土层厚度曲线图

图11 5-5剖面第10层应变与土层厚度曲线图

图12～图23表示的是填土完成后单层应变片的应变与到面板距离之间的关系曲线图。

图12 5-5剖面第1层应变图

图13 5-5剖面第2层应变图

图14 5-5剖面第3层应变图

图15 5-5剖面第4层应变图

图16 5-5剖面第5层应变图

图17 5-5剖面第6层应变图

图18 5-5剖面第7层应变图

图19 5-5剖面第8层应变图

图20 5-5剖面第9层应变图

图21 5-5剖面第10层应变图

图22 5-5剖面第11层应变图

图23 5-5剖面第12层应变图

从图3～图11可以看出:T拉筋带上水平方向的拉(压)应力随着土层厚度的增加而不断增大。当土层厚度变化时,每层拉筋拉(压)力沿筋长的分布趋势大致保持不变,但不同层拉筋的拉(压)力沿筋长的分布不尽相同。

从图6,图8和图10可以看出:部分应变片显示为负值,即该位置处的拉筋承受压应力。这主要是因为随着土层高度的增加,拉筋材料在填土中可能会处于弯曲状态,这样某些部位是受压的,另外由于面板之间的相互错动,也可能会出现一部分筋带局部受压的情况。

从图12～图23可以看出拉筋应力分布的大致规律:上墙墙体拉筋应变呈单峰值分布,最大应变在墙顶位置距离面板较远,向下逐渐靠近面板;而下墙墙体的拉筋应变沿筋长方向呈双峰值分布,第1个峰值靠近面板,而第2个峰值远离面板。第1个应变峰值可能是由于填土侧向土压力作用结果,第2个峰值的产生可能是土体自重、填土对拉筋的摩阻力等共同作用的结果。

5 结 论

通过对某条带式加筋土挡墙进行拉筋原型观测得到:

(1)筋带上水平向的拉应变随着填土高度的增加而不断增大,文中所采用的原型试验应变测试方法能够准确反映出这种变化规律。

(2)各层拉筋的拉应变沿筋长的分布随着填土厚度变化有一定的差异,但每层内各根拉筋应变沿筋长的分布趋势大致保持不变,从而为加筋挡土墙的设计与施工提供一定的理论基础。

(3)上墙墙体拉筋应变呈单峰值分布,最大应变在墙顶位置距离面板较远,向下逐渐靠近面板;而下墙墙体的拉筋应变沿筋长方向呈双峰值分布,第1个峰值靠近面板,而第2个峰值远离面板,这说明在下墙中拉筋的应变分布规律较上墙更为复杂,设计和施工时应予以足够的重视。

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