【摘要】帮写岩土工程论文离心模拟技术是一种评定工程设计、检验数值计算方法、研究新理论等的重要手段。本文将其应用于超高三级加筋土挡墙的研究中。在离心模型试验的基础上,分析研究了各级加筋土挡墙墙背土压力与墙高、时间的关系, CAT复合拉筋拉力在长度上的分布规律等等,得出与实际情况较相符的结论,旨在为其实际工程应用提供参考。
【关键词】离心模型试验;加筋土挡墙;应用研究；离心模拟技术
1 引 言
始于20世纪30年代的离心模拟技术,就是利用离心机产生离心力场,提高模型土体的体积力,形成人工的重力,来模拟原型在地球重力场中的受力状态,即利用离心机产生n倍的重力加速度,达到模型与原型所受的重力完全相等,以保持其力学特性的相似性。它是评定工程设计和工程措施、检验数值计算方法、进行机理研究和探索新理论以及分析工程事故的重要手段。
2 加筋土挡墙的离心模型试验
加筋土挡墙是由填土、在填土中布置的带状拉筋和挡墙面板三个部分组成的整体复合结构[1]。三峡移民工程某三级道路加筋土挡墙,从路面向下分别为第一级、第二级和第三级挡墙,挡墙高度分别为12m、18m和27m,其总体高度达57m (图1),目前居国内之首。
离心模型试验模拟施工开始到结束(施工期)。根据相似准则,算出施工期模型运转时间为62•2min。
2•1 土压力研究
2•1•1 土压力与时间的关系
在加筋土挡墙相似模型的第一级、第二级和第三级面板上,分设了2个、3个和3个土压力传感器,每次间隔1min采集土压力数据。由土压力P随加载时间t的变化和相似准则,绘出P鶫t曲线(图2)。可见,挡墙上各测点的土压力随时间的变化情况非常复杂,表现为随着时间的延长,土压力时而增加,时而减小,呈现出一个动态的变化过程。
2•1•2 土压力与墙高的关系
由各级模型加筋土挡墙面板上相应点的土压力和等应力相似准则,在t=1min、23min (a=120g (a为加速度))、87min (a=120g)和108min (a=0)四个时刻,绘出各级挡墙墙背上的土压力P与挡墙自身高度H之间的关系曲线,第一级、第二级和第三级挡墙分别见图3、图4和图5。
图3中,在t在23min和87min之间时,第一级挡墙墙背上同一点的土压力随时间的延长呈由小到大的趋势(墙顶除外),特别是在挡土墙的上半部分,同一点处土压力的增加值比较大。而在挡墙的下半部分,同一点的土压力增加值相对较小;在挡墙墙高的不同点处,土压力在1min、23min、87min和108min时的大小也不同,表现出沿挡墙的高度呈两端小、中间大的曲线分布规律,这与岳祖润等[2]进行的压实粘性土填土挡土墙土压力分布规律一致。王永和、李宁军[3]则实测了加筋土挡墙(H=4•75m)墙背上的土压力,发现其值一般介于静止土压力和主动土压力之间,挡墙上部的土压力稍大于静止土压力。
图4、图5与图3有相同的规律,即土压力沿挡墙墙高呈两头小、中间大的分布规律,与按文献[4]规定的计算结果有所不同。实际上,当加筋土挡墙的高度大于6m时,墙背土压力更接近于按朗肯土压力理论计算出的主动土压力。
试验得到每级加筋土挡墙墙背上的土压力均呈曲线分布。原因主要有二:一是加筋土挡墙属于柔性结构物,其变形受到墙后填土中CAT复合拉筋的制约。当荷载作用时, CAT复合拉筋的拉力限制了挡墙的侧向移动,使墙后的加筋土体达不到主动极限平衡状态。其二,从实测土压力的分布规律来看,在每级加筋土挡墙的上半部分,土压力随墙高的增大而逐渐增大;如果按照朗肯土压力理论计算,挡墙下半部分的土压力应比上半部分大,但是,实测的土压力在达到最大值后逐渐减小,说明CAT复合拉筋的抗拉作用抵消了部分土压力,故而出现两头小,中间大的分布形态。
2•2 CAT复合拉筋的拉力
2•2•1 CAT复合拉筋拉力与时间的关系
在第一级模型加筋土挡墙的CAT复合拉筋中选三根,在其上各布设了一定数量的应变片。根据相似准则得出拉筋上该点的拉力T随时间t的变化曲线,见图6。
开始时, CAT复合拉筋的拉力随着加速度的增加(加荷过程)而增加,到达某一时刻(t=10min)时达到最大值。之后,虽然加速度(加荷)仍在不断增加,但拉筋的拉力却随加荷时间的增加而小幅减小。在t=23min、a=120g时,拉力随加荷时间延长而呈小幅度减小;在t=87min且a=120g时,施工期结束。随后减小加速度(卸荷),拉筋的拉力却有一个短时间的增大,之后便随着加速度的减小而减小,最后(t=108min,a=0)趋近于某一值,且拉力较大值点,离开面板有一定的距离,基本上出现了两个峰值拉力点,且均出现在加荷和卸荷时间段内。可见,不论加荷还是卸荷,都会使CAT复合拉筋的拉力增大,导致其受力条件恶化。更进一步,如果CAT复合拉筋拉力增大后大于其抗拉强度,势必导致拉筋断裂,造成加筋土挡墙破坏。
2•2•2 单根CAT复合拉筋不同时刻的拉力
在第一级模型加筋土挡墙的面板上,由上而下,将布设应变片的拉筋分别称为1号、2号和3号拉筋。四个不同的时刻,它们的拉力T与拉筋长度L的关系曲线分别见图7、图8和图9。由图见, 1号拉筋靠近面板处的拉力并非最大,离开面板越远,其拉力由大变小,至末端拉力减小为零。
2号拉筋位于一级加筋土挡墙的中部,在离开面板较近处,其拉力比中部的拉力小,但却比拉筋末端的拉力大,拉筋末端拉力为零。在整个拉筋长度上,拉筋拉力先随其长度而增加,到达临界点后则随长度而减小。
3号拉筋在离开面板较近处的拉力比中部的拉力大,且拉力随筋长的增加而减小,拉筋末端拉筋的拉力为零。三根CAT复合拉筋都表现出不同时刻拉筋上同一点的拉力不同;同一时刻,拉筋上不同点的拉力也不相同。
可见,三根拉筋的拉力与筋长在不同时刻的变化规律各不相同。但在加荷过程中(从t=1min到t=23min),三根拉筋的拉力都在增加;在卸荷过程中(从t=28min到t=108min),三根拉筋的拉力都在减小。但由于三根拉筋位于挡墙面板的不同高度处,拉力的增加和减小幅度也不相同。在离面板最近的点处, 3号拉筋的拉力增加了74•4kN,为最大, 1号拉筋增加了72•8kN,居中, 2号拉筋增加了70•7kN,为最小;在拉筋中后部的点处, 2号拉筋的拉力增加了90•4kN,增长最大, 1号拉筋增加了77•6kN,居中,3号拉筋最小,为51•7kN。
在卸荷过程中,离面板最近的点处, 3号拉筋的拉力减小了59•5kN,为最大, 1号拉筋减少了48•1kN,居中, 2号拉筋减小了46•9kN,减幅最小;在拉筋中后部的点处, 1号拉筋拉力减小了58•3kN,3号拉筋减小了50•0kN, 1号拉筋减小了45•2kN。
3 结 论
通过以上分析和讨论,可得出如下结论:
(1)加筋土挡墙墙背土压力随挡墙高度呈现两头小、中间大的分布规律,即土压力先随加筋填土深度的增大而增加,达到最大值后便开始减小,并非沿着墙高从顶到底线性增大。
(2)从墙背土压力分布规律的分析中可知,上一级加筋土挡墙对下一级挡墙的土压力有较明显的影响。且道路加筋土挡墙上的外荷载对各级加筋土挡墙墙背土压力的影响,随加筋填土的深度而逐渐减小。
(3)从现场调查可知,加筋土挡墙可以适应较大的变形,是一种柔性挡土结构。CAT复合拉筋对改善加筋土挡墙的变形作用不大,但是可抵消部分土压力。
(4)在一定的上部荷载范围内, CAT复合拉筋的拉力随加荷量的增大而增加;拉力随加荷时间的延长呈动态变化,出现了两个峰值点;且填土密实程度是影响拉筋拉力的因素之一。
(5)在加筋土挡墙的不同高度上,相应的CAT复合拉筋的拉力大小不同,分布规律也不相同。拉筋中的最大拉力沿墙高出现在第一级加筋土挡墙墙背底面处;此外,在第一级挡墙顶部平台下的第一层拉筋中也出现了较大的拉力值,加上此处水平位移也最大,故应在上述两处增大拉筋的强度。
(6)在三级超高加筋土挡墙中,各级挡墙之间设置的平台明显改善了整个复合结构的应力条件。这对高度较大的加筋土挡墙而言,是一种简便、易行的设计方法,不仅提高了整个结构的稳定性,而且便于施工,大大降低了成本。
【参考文献】
[1] 林彤,超高加筋土挡墙的离心模型试验及其在三峡库区移民工程中的应用研究[D].武汉:中国地质大学,2000.
[2] 岳祖润.压实粘性填土挡土墙土压力离心模型试验,岩土工程学报[J], 1992 (14): 90鶫95.
[3] 王永和,李宁军.加筋土挡墙试验研究,长沙铁道学院学报[J], 1989 (7): 88鶫98.
[4] 公路加筋土工程设计及施工规范汇编[M],北京:人民交通出版社, 1993.
