粉细砂填料柔性挡墙受力变形特性模型试验_杨晓华.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0680-08杨晓华，李浩，赵旭，等 2023 粉细砂填料柔性挡墙受力变形特性模型试验J 工程地质学报，31(2):680687 doi:1013544/jcnkijeg20210736Yang Xiaohua，Li Hao，Zhao Xu，et al 2023 Model test on stress and deformation characteristics of flexible retaining wall with fine sand fillerJ Jour-nal of Engineering Geology，31(2):680687 doi:1013544/jcnkijeg20210736粉细砂填料柔性挡墙受力变形特性模型试验*杨晓华李浩赵旭孔永博曾浩晏长根许江波(长安大学公路学院，西安 710064，中国)(四川公路桥梁建设集团有限公司勘察设计分公司，成都 610000，中国)摘要本文以孟加拉达卡绕城高速公路为依托，通过模型试验研究了以粉细砂为填料的土工格室柔性挡墙在静载作用下的受力变形机理。试验过程对挡墙土压力、结构层的水平位移和土工格室壁应变进行了监测。试验结果表明:墙踵处水平土压力最大，最大值为 24.8 kPa，墙中心位置的土压力最小，最小值为 15.8 kPa;挡墙同一高度处，墙背的土压力要大于挡墙中部土压力，土压力分布曲线均为内凹曲线;挡墙墙身最大水平位移位于墙高 H/2 处，水平位移最大值为 66 mm，为墙宽的2.2%，墙身水平位移分布呈外凸曲线，墙身变形模式为鼓型;土工格室应变在墙趾处最大，柔性挡墙墙身内土工格室的最大应变连线在墙高 H/2 以下区域从墙趾到墙背线性发展，最大应变连线与水平面的夹角为 34，在墙高 H/2 以上区域，格室最大应变连线沿墙背向挡墙顶面发展。柔性挡墙破坏模式为内部破坏，破裂面为折线型。试验结果为柔性挡墙设计提供了参考。关键词柔性挡墙;模型试验;土工格室;土压力;变形中图分类号:TU413.6+2文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20210736*收稿日期:20211110;修回日期:20220113基金项目:国家自然科学基金(资助号:42077265)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No 42077265)第一作者简介:杨晓华(1961)，男，博士，教授，博士生导师，从事岩土与隧道工程研究 E-mail:xiaohuay126com通讯作者简介:李浩(1993)，男，博士生，从事岩土工程研究 E-mail:2018021005chdeducnMODEL TEST ON STESS AND DEFOMATION CHAACTEISTICS OFFLEXIBLE ETAINING WALL WITH FINE SAND FILLEYANG XiaohuaLI HaoZHAO XuKONG YongboZENG HaoYAN ChanggenXU Jiangbo(School of Highway，Chang an University，Xi an 710064，China)(SICHUAN oad and Bridge(Group)Co，Ltd，Chengdu 610000，China)Abstractelying on the Dhaka Expressway in Bangladesh，the model test was conducted in this paper to analyzethe stress and deformation characteristics of the geocell-reinforced retaining wall under static loads The earth pres-sure，horizontal displacement and strain on the geocells were monitored It is found that the maximum earth pressureis found at the heel of the wall and equals 24.8 kPa The minimum earth pressure is at middle of the wall andequals 15.8 kPa The earth pressure on the wall back is greater than that at half the width of the wall with the sameheight The concave form is found for the earth pressure distribution The maximum horizontal displacement of thewall is found at half the height(H/2)of the wall and equals 66 mm，accounting for 2.2%of the wall width Thehorizontal displacement distribution is convex，which belongs to the drum form The maximum cell strain is at thetoe of the wall In the area below H/2，the maximum strain line of the cell develops linearly from the toe to the backof the wall，with inclined angle of 34to the horizontal plane In the area above H/2，this line develops along thewall back to the top of the wall The flexible retaining wall has an internal failure mode The failure surface is apolyline The test results can provide a guidance for the design of the flexible retaining wallKey wordsFlexible retaining wall;Model test;Geocell;Earth pressure;Deformation0引言柔性挡墙是向土工格室中填入填料并按照一定坡率(1 0.2510.5)层层叠置而成的新型挡土结构物，具有结构轻、施工简便、造价较低的特点。因此，在边坡防护及支挡方面采用柔性挡墙可以取得良好的社会效益和经济效益，应用前景十分广阔(杨晓华等，2020)。鉴于柔性挡墙的受力与变形特性与传统刚性挡墙有较大差别，许多学者对柔性挡墙土压力理论进行了研究。应宏伟等(2008)基于库仑土压力理论的假设采用薄层单元法给出了鼓形变位模式下柔性挡土墙上的土压力计算方法，表明土压力大致呈“”型分布;屈战辉等(2010)认为对土工格室柔性挡墙的主动土压力采用分段计算的方法，以墙身中部水平变位点为分界点，其上采用库仑土压力理论，其下采用水平微分单元法能取得较好的结果。李镜培等(2012)以地下连续墙等柔性挡土结构为研究对象，推导了非极限状态下库仑土压力公式，并分析了填土内摩擦角及墙土接触面上外摩擦角的发挥与土体位移的非线性关系。在柔性挡墙的模型试验和数值模拟研究方面，Li et al(2021)通过大型直剪试验对土工格室加固粉细砂的抗剪强度及体变特性进行了研究，Chen etal(2008)通过一系列模型试验研究了不同设计参数下土工格室柔性挡墙的破坏机理，结果表明柔性挡墙的破坏模式可能为层间滑动也可能是整体倾覆。晏长根等(2017)通过三轴剪切试验研究了土工格室加筋黄土及重塑黄土的剪切性能，发现土工格室加筋黄土表现出明显的强硬化特性，且格室层数的增加可以进一步地提高黄土的剪切性能，为实际工程中设计参数的选取提供了理论参考。王启龙等(2017)通过模型试验、现场测试、数值分析和理论计算等方法研究了路肩式土工格室柔性挡墙土压力和变形的分布规律，并引入微分单元法，提出了挡墙土压力的计算公式。Kurihashi et al(2020)通过将土工格室置于传统刚性挡墙墙背处作为缓冲系统防止落石冲击，两者的结合体能让挡墙承担更大的冲击荷载，土工格室作为缓冲系统比砂土的效果更好。一些废旧合成材料如废旧轮胎碎料常作为轻质填料回填挡土墙，既环保又经济，同时降低了墙后的土压力，最大限度地减小了挡土墙的水平位移(Moghadam et al，2018)。夏帅帅等(2019)通过数值方法研究了挡墙截面与稳定性之间的关系。胡卫东等(2019)针对无黏性砂土模拟悬臂式排桩等柔性挡墙前倾挠曲变形位移模式，研究了有限宽度范围土体变形破坏特征及被动土压力分布规律，结果表明柔性挡墙后被动区土体滑动破裂面不通过墙踵而交于墙身，接近或达到被动极限状态时形成贯穿的连续曲面。对柔性挡墙的工程特性的研究表明，柔性挡墙墙身位移受到墙宽、加筋间距和基础模量的影响较大，在不同高宽比、坡度以及路基表面荷载情况下柔性挡墙的受力变形特性不同(Xie et al，2009;宋飞，2011)。当柔性挡墙受到路基顶面附加应力影响时，柔性挡墙内部的土工格室会承受较大的拉应力，尤其是格室壁和焊缝连接处，格室的焊缝连接作为最薄弱部位往往最先破坏，因此格室的加固能力很大一部分受限于焊缝处的强度，但目前对于格室的荷载传递机制及变形机理的研究十分有限(Isik et al，2020)。另外，高密度聚乙烯(HDPE)材料的土工格室在受到高应力时会出现明显的塑形屈服变形(杨广庆等，2021)，如何保证土工格室发挥其强度是柔性挡墙能否保持稳定的关键因素之一。尽管目前许多研究涉及到了土工合成材料对边坡的加固作用，但主要集中于加筋土挡墙领域(张智超等，2016;陈建峰等，2019;王家全等，2019;陈福全等，2020;苏丕辉等，2020;肖成志等，2020;任非凡等，2021)，在柔性挡墙的相关研究方面，以对排桩和地下连续墙等结构的研究居多，在土工格室柔性挡墙研究方面，格室填料大多为中粗砂及黄土，以粉细砂为填料的柔性挡墙研究较少。此外，一些模型试验中对相似材料的选择不够合理，以上这些因素制约了对土工格室柔性挡墙工程特性的进一步发掘。因此，本文以孟加拉达卡绕城高速公路项目为依托，通过模型试验研究了以粉细砂为填料的柔性挡墙的受力、变形特征，对柔性挡墙的设计和工程应用具有一定的意义。18631(2)杨晓华等:粉细砂填料柔性挡墙受力变形特性模型试验1工程概况达卡(Dhaka)绕城高速公路位于孟加拉首都达卡，是我国“一带一路”重要项目之一。作为孟加拉重点建设公路，该项目的实施将极大地提高道路通行服务能力，促进经济、旅游事业的发展。路线图如图 1 所示，该公路全长为 48.15 km，设计速度为80 kmh1和 65 kmh1，路基宽度 32.2 m，路基为路堤形式，双向 4 车道设计，柔性挡墙位于服务车道路基边坡处，高 4.5 m，宽 3 m，坡率为 10.25，路基标准断面图如图 2 所示。图 2路基标准断面图(单位:cm)Fig 2Project overview of Dhaka ing oad(unit:cm)图 1达卡绕城公路路线图Fig 1oute of Dhaka ing oad该项目所在地的地形平坦开阔，大部分地区海拔低于 12 m，总体地势平缓;地貌单一，主要为河流冲积平原地貌;工程区属热带季风型气候，湿热多雨。根据现场调查结果，拟建线路通过区段内出露的地层均为第四系堆积层，细分为填筑土、冲洪积土，填筑土以砂、砖渣为主，冲积层主要由粉细砂构成，工程力学性质较好。由于该公路设计限定了路权范围，需要采用大量挡土墙收坡，考虑到孟加拉国内缺乏混凝土骨料，若利用刚性圬工挡墙十分不经济，因此，采用柔性挡墙不仅解决了缺乏粗骨料的难题，同时可以就地取材将细砂作为土工格室内的填料，成为达卡绕城高速公路的一种优选方案。2模型试验2.1试验目的与内容柔性挡墙与传统刚性挡墙及一般的加筋土挡墙的工程特性有很大不同，该试验的目的是研究粉细砂填料的柔性挡墙在静载作用下的受力和变形特性，从而为孟加拉地区柔性挡墙的设计施工提供技术支持。试验的内容主要为对柔性挡墙中土工格室结构层的水平位移、水平土压力、格室应变大小及变化规律的监测与分析。22试验设计2.2.1相似关系及相似材料针对模型试验要解决的问题和试验材料的主要技术参数，本文将模型试验的相似比确定为 N=3，由此确定的模型挡墙高、宽分别为 1.5 m 和 1 m，坡率为 1 0.25，基础厚度为 0.2 m，路基宽度为 2.5 m。试验中将模型的几何尺寸 L、土体重度 和弹性模量 E 作为基本量纲，通过试验确定了重度相似常数286Journal of Engineering Geology工程地质学报2023和弹性模量相似常数，分别取 CL=3，C=12，CE=3.6。在此基础上依据相似理论的 定理，以长度(L)、力(F)、时间(T)为基本控制量可导出其他相似关系，见表 1 所示。表 1模型试验相似比Table 1Scaling laws used for the model test物理量量纲相似比相似常数长度 LLN3弹性模量 EFL26N/536泊松比 111时间 t T11分布荷载 qFL26N/536应力 FL26N/536应变 111位移 L6N/536重度 FL336/N1.2在相似材料方面，考虑到模型挡墙的尺寸较小，若采用实际工程中的土工格室及填料来制作模型，存在施工困难、变形困难、监测困难的问题。综合考虑模型相似比后，制作了缩尺模型土工格室，其几何尺寸、室内拉伸试验测得的拉伸强度和焊点强度如表 2 所示，并配制了由珍珠岩和粉细砂混合而成的轻质土，重度为原型粉细砂土的 5/6，共同构成模型图 3填料级配和结构层弹性模量曲线Fig 3Grading curve of the filler and elastic modulus of the compositea 粉细砂级配曲线;b 模型结构层弹性模量挡墙结构层。考虑到墙后的路基不是主要观测目标，填料依然采用与实际工程相同的粉细砂土，其粒径级配累计曲线如图 3a，粒径主要集中在 0.0750.425 mm 之间，占比为 92.2%，有效粒径 d10=0.085 mm，控制粒径 d60=0.2 mm，不均匀系数 Cu=2.35，粉细砂填料的基本物理力学性质见表 3。表 2土工格室参数Table 2Parameters of geocell used in the test样品材料厚度/mm焊距/mm高度/mm拉伸模量/MPa焊点强度/N cm1模型格室高密度聚乙烯混合低密度聚乙烯0651336671418原型格室高密度聚乙烯1754002002381565拉伸模量为片材拉伸应变达到 5%所对应的模量表 3粉细砂物理力学指标Table 3Physical and mechanical indexes of silty fine sand有效粒径d10/mm控制粒径d60/mm不均匀系数 Cu最大干密度 d/g cm 3最佳含水率op/%黏聚力c/kPa内摩擦角/()008502235164951536本文通过载荷板压缩回弹试验研究了土工格室结构层的弹性模量，试验结果表明，模型结构层与实际 结 构 层 的 弹 性 模 量 分 别 为 21.4 MPa 和66.1 MPa，比值为 1 3.3，接近设计弹性模量相似比的 1 3.6，弹性模量曲线如图 3b 所示。2.2.2测试方案本试验对模型挡墙布设了两个监测断面，分别对模型挡墙进行格室应变、水平土压力和水平位移3 个方面的数据监测，将两个断面监测结果取平均值得到该高度处的最终监测结果，仪器布设方案如图 4。试验结果用“高度位置”的形式表示，如“1.2 m I”表 示 墙 高 为 1.2 m 墙 面 处 的 数 据，“1.2 m”表示墙高为 1.2 m 墙背处的数据。本次试验共布设 30 个应变测试点、16 个土压力测试点和 10 个水平位移测试点，对应的测试元件分别为应变片、微型应变式土压力盒及柔性位移计。38631(2)杨晓华等:粉细砂填料柔性挡墙受力变形特性模型试验图 4监测仪器布设方案Fig 4Arrangement scheme of monitoring instruments2.3试验步骤试验开始前应先清理试验场地，开挖基坑，基坑尺寸为 2 m2 m0.2 m，用水泥稳定砂分层填筑挡墙基础，基础厚度为 20 cm。基础完成后，开始墙身及路基施工，首先张开土工格室至预设尺寸，用钢钉固定土工格室的四周，使每个格室均得到充分展开便于填筑。将配制好的轻质挡墙填料和路基填料分别填筑，摊铺平整后采用振动夯压实，要求压实度不低于 93%。每填筑一层后，即按设计坡度向上层层叠置到设计标高为止，在挡墙施工的同时，对挡墙进行数据收集作为施工期的变形受力特性。模型挡墙的制作过程如图 5 所示。由于该模型挡墙为路肩式挡墙，作用在路面上的荷载会转化为土压力，本试验依照 公路桥涵通用规范(JTG D60-2015)中对汽车荷载引起的土压力计算方法，将墙后填土滑动土楔范围内存在的车辆荷载转化为一个均布恒载，经过相似计算后，换算成等代均布土层，模型上的等代土层厚度为 23.4 cm。图 5模型挡墙的施工Fig 5Construction of model retaining walla 模型挡墙基础;b 埋设监测仪器;c 模型挡墙实体图3试验结果分析通过对柔性挡墙施工期和施工完成后一段时间的监测，本文对柔性挡墙的水平土压力、水平位移和格室壁应变结果进行了分析，研究了柔性挡墙的受力与变形特性，得到的试验结果如下。3.1水平土压力图6 是柔性挡墙水平土压力随时间及填筑高度变化曲线。结果表明，柔性挡墙内部的水平土压力均随挡墙填筑高度的增加逐渐增大，在第 11 d 后，土压力基本稳定，此时挡墙主体基本完成。待监测数值稳定后，0 m(墙踵处)的水平土压力最大，0.8 m处水平土压力最小，分别为 6.9 kPa 和4.4 kPa，换 算 到 原 型 挡 墙 后 的 水 平 土 压 力 为24.8 kPa 和 15.8 kPa。图 6柔性挡墙水平土压力随填筑高度变化曲线Fig 6Curves of horizontal earth pressure of flexibleretaining wall with filling height此外，挡墙不同部位的土压力大小不同，表现为同一高度挡墙墙背处的土压力大于挡墙中部土压力，如图 7 所示。这是因为墙后土体在向挡墙运动的过程中，土压力由墙背向墙面传递并逐渐衰减，伴随着挡墙水平位移的增长，靠外侧的一部分土压力被释放，导致越靠近墙面处土压力越小。不同于刚性挡墙，柔性挡墙允许墙身发生一定的变形，只要不486Journal of Engineering Geology工程地质学报2023图 7柔性挡墙水平位移和水平土压力分布曲线Fig 7Distribution curves of horizontal displacement andhorizontal earth pressure of flexible retaining wall图 8柔性挡墙水平位移随填筑高度变化曲线Fig 8Curves of horizontal displacement of flexibleretaining wall with filling height超过柔性挡墙的允许变形量，就认为挡墙是安全的。因此柔性墙身的这种变形使得墙后土压力的分布形式与传统刚性挡墙的三角形或梯形土压力分布产生了较大变化，呈非线性分布特征，在柔性挡墙的变形过程中，墙体与墙后填土相互作用，墙背应力重新分布，经过反复的作用，使应力分布向有利于墙后土体整体稳定的方向发展，柔性墙体的减力作用充分发挥，最终达到稳定状态。3.2水平位移由图 8 可以发现，柔性挡墙的各结构层变形在挡墙施工期就已经伴随着挡墙和路基的填筑开始发生，在此过程中，不同高度处柔性挡墙的水平位移均随着工期的增加而逐渐增长，且施工前期的增长速度较快，待 12 d 后位移增长已经趋于平缓，表明该结构层的主要变形基本完成。挡墙施工结束后，所有结构层的变形趋于稳定。墙身水平位移最大处位于墙高中部 H/2，距离墙底高度为 0.8 m，最大位移值为 22 mm，换算为原型挡墙位移为 66 mm，为墙宽的 2.2%，未超过柔性挡墙允许变形的限度(3%)。位移最小值为 5.1 mm，位于墙趾处，换算到原型挡墙后的位移为 15.3 mm。结合图 8 可以发现，墙身水平位移最大处恰好是水平土压力最小处，其高度为墙高的二分之一(H/2)，这说明墙身在受土体推动的过程中，其本身的变形使得土压力减小，墙身与墙后土体变形协调，不仅土压力分布为非线性，墙身的水平位移分布同样呈非线性特征，与刚性挡墙相比，柔性挡墙墙身表现出了明显的挠曲变形特性，而非简单的平移或转动。墙背处土压力分布整体为内凹曲线，墙身位移分布为外凸曲线，外凸部位位于挡墙 H/2 处。3.3结构层应变为了研究挡墙内部格室壁受拉时的变形机理，本文测量了挡墙施工阶段及施工结束后一段时期的格室应变，图 9 是柔性挡墙结构层格室壁的应变结果。结果表明，在挡墙及墙后路基填筑过程中，格室壁的应变随填筑高度逐渐增大，施工结束后，应变略有增长然后趋于稳定。从挡墙高度方向来看，越靠近下部的格室应变越大，0 m(墙趾)处的应变为最大值，由于该处是临空面，在上覆土层自重压力作用下，格室充分扩展，格室壁上存在较大的拉应力，因此格室表现出最大的应变，相反在同一高度处的墙背附近，由于土体墙体的相对运动，使得格室和土体达到变形协调，反而应变较小。但是随着挡墙高度的增长，格室壁最大应变出现的位置逐渐向内部发展。从挡墙高度大于 0.8 m 时开始，格室壁最大应变基本都出现在靠近墙背的位置，而墙面处应变相对较小。由于挡墙墙背处的土压力大于挡墙中部土压力，墙身在受到水平荷载作用时，格室结构层会发生变形，水平土压力沿挡墙墙身由内向外传递的过程中逐渐卸载，相应的，土工格室的应变也逐渐减小。将模型试验得到的格室壁最大应变沿墙高的情况绘制成 图 10 可以发现，在墙高 0.8 m 以下时，格室最大应变位置基本从墙趾到墙背线性发展，与水平面的夹角为 34，墙高 0.8 m 以上时，格室最大应变区沿墙背发展。格室应变的大小反映了格室的张拉程度，若超过一定的限度，格室会发58631(2)杨晓华等:粉细砂填料柔性挡墙受力变形特性模型试验图 9柔性挡墙应变随填筑高度变化曲线Fig 9Curves of strain of flexible retainingwall with filling height图 10模型试验中土工格室最大应变处连线Fig 10Line of maximum strain in the retainingwall of the model test生破坏，而图 10 中最大应变的连线为柔性挡墙内部发生破坏的位置，也就是说，柔性挡墙的破坏模式为内部破坏。与刚性挡墙的破坏形式不同，柔性挡墙不一定在墙后出现滑裂面。实际上，一些研究也确实证实柔性挡墙的滑动面产生于墙体内部(宋飞等，2013)，并且从墙趾延伸到挡墙顶面，因此，土工格室柔性挡墙的设计中通常要求每隔一定的间距，增设拉筋格室，其长度应贯穿滑动面进入墙后的稳定土层，这样可以进一步保证挡墙的稳定性。与加筋土挡墙的设计方法“0.3H 法”相比，两者的共同点是破裂面都位于挡墙内部，不同之处在于破裂面的夹角及位置不同，本文中破裂面与水平面的夹角约34，而“0.3H 法”的夹角为 45+2，这体现了土工格室柔性挡墙与加筋土挡墙既具有一部分共性，但又有不同于加筋土挡墙的特殊性。4结论本文依托于孟加拉达卡绕城高速公路，通过模型试验对柔性挡墙的水平土压力、墙身水平位移及格室应变进行了研究，得到以下几个主要结论:(1)模型试验中墙踵处水平土压力最大，最大值为 6.9 kPa，墙高 H/2 处的墙身中部土压力最小，最小值为 4.4 kPa，换算到原型挡墙后的最大最小土压力分别为 24.8 kPa 和 15.8 kPa。柔性挡墙土压力分布均为内凹曲线，挡墙同一高度处，墙背的土压力要大于挡墙中部土压力。(2)柔性挡墙墙身水平位移最大点位于墙高H/2 处，水平位移最大值为 22 mm，换算到原型挡墙水平位移 66 mm，为墙宽的 2.2%，在柔性挡墙允许变形限度内(u3%)，墙身水平位移分布呈外凸曲线，墙身变形模式为鼓型，墙身变形从施工期已经开始发展。(3)柔性挡墙内部土工格室的应变在墙趾处为最大，在墙高 H/2 以下区域，格室最大应变位置从墙趾到墙背线性发展，最大应变连线与水平面的夹角为 34，在墙高 H/2 以上区域，格室最大应变连线沿墙背发展，柔性挡墙的破坏模式为内部破坏，破裂面为折线型。参考文献Chen F Q，Liu S H，Zhang Z C，et al 2020 State of art in research anddesignmethodsofreinforcedsoilembankmentforrockfallprotectionJ Journal of 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