刚柔复合挡土结构模型实验.docx

第32 卷第2 期南京工业大学学报(自然科学版) Vol. 32 No.22010 年3月 JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY (Natural Science Edition) Mar. 2010刚柔复合挡土结构模型实验韦杰 张帆 梅国 雄宰 金珉(1.河海大学岩土工程研究所，江苏南京210098 ;2. 江苏省建苑岩土工程勘测有限公司，江苏南京210029;3. 南京工业大学土木工程学院，江苏南京210009)摘要:针对传统刚性挡土结构承受土压力较大的现状，提出刚柔复合挡土结构的概念.利用柔性材料泡沫的易压缩性，增加土与挡土结构接触面的相对位移量，使作用于挡土结构的土压力趋向主动土压力，从而减小挡土结构上的土压力.通过室内模型实验，得到不同厚度泡沫挡墙后的土压力及土体位移，以及泡沫厚度对墙后土压力、土体接触面位移的影响.结果表明:泡沫厚度对土压力与土一结构接触面位移有影响;刚柔复合挡土结构能够明显降低作用于墙体的土压力.关键词:刚柔复合;挡土结构;模型实验;土压力;位移中图分类号: TU473 文献标志码:A 文章编号: 1671 一7627(2010)02 -0062 -04Experiment of rigid-flex composite retaining structureWEI Jie,ZHANG Fan3 , MEI Gdong ， ZAI Jin-min(1. Institute of Geotechnical Engineering , Hohai University , Nanjing 210098 , China;2. Jiangsu Province Geotechnical Surveying Institute of Jianyuan Co , LTD , Nanjing 210029 , ;3. College of Civil Engineering , Nanjing University of Technology , Nanjing 210009 , China)Abstract: A rigid-flex composite retaining structure was constructed to reduce the earth pressure against retaining structure by increasing the displacement of soil-structure interface displacement , according to the large earth pressure against traditional rigid retaining structure. The test model of the rigid-flex composite retaining structure and the test process was presented. Model tests were performed for the displacement of the soil and the earth pressure acting against rigid-flex composite retaining structure on various thickness of flexible material ( foam ). The foam thickness factor affecting the earth stress and the soilstructure interface displacement was analyzed. The model test showed that the rigid-flex composite retaining structure was effective for reducing earth pressure.Key words: rigid-flex composite; retaining structure; model test; earth pressure; displacement国内外学者1 -4 J 经过大量研究，得出挡土墙后的土压力不仅与填土性质等因素相关，还与墙体位移有直接关系.如图l 所示，当墙体没有侧向移动时，作用在挡土墙上的土压力称为静止土压力Eo墙体向填土方向移动，墙后土体发生挤压，有上滑趋势，土内剪应力反向增加，土压力随墙体移动而增大.当位移量达到被动极限平衡状态位移时，墙后填土临近破坏状态，此时作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力矶，即土压力的最大值;墙体背向填士移动，墙后士体因侧限放松而有下滑趋势，土内潜在滑动面剪应力增加，土压力随墙体移动而减小.当位移量达到主动极限状态位移Ll时，墙后填土临近破坏状态，此时作用在挡土墙上的士压力称为主动土压力瓦，即土压力的最小值.作用于挡土墙上的士压力可能是介于E 与E I 范围内的某一数值针对士压力与墙体位移关系的特性，笔者通过为土体提供一定量的向挡墙方向的位移空间，使作用在挡墙后的士体进入主动土压力状态，充分发挥土体自身抗剪强度，从而减小作用在挡士结构上的土压力.具体的实现方法是在传统刚性挡土结构受力一侧添加一定厚度的柔性材料泡沫，组合形成刚柔复合挡士结构.利用泡沫模量小，易压缩变形的特性，为土体提供位移空间.1 实验模型的设计及制作模型实验在模型槽内进行.实验模型由实验填土槽(包含支架，刚性挡板和柔性材料)、加载系统和数据测量系统3 部分组成，见图2.1. 1 填土槽利用实验室原有模型槽边界，加设钢筋混凝土挡板A( 1. 1m( 宽)x 1. 1m( 高) x O. 1 m( 厚) )与钢筋泪凝士挡板B( 1. 0m( 宽)x 1. 1m( 高) x 0.1 m(厚) )围成填土槽.填土槽内部尺寸为1. 0 m( 长) x1. 0 m( 宽) x 1. 1 m( 高) ，如图3 所示.为了固定混凝土挡板，保证挡板的稳定性，采用焊接的钢架将挡板与地面固定.钢架与1昆凝土挡板间使用螺栓固定;钢架与模型槽地面使用膨胀螺丝固定.1. 2 加载系统通过一台带油压表的10 t千斤顶加荷载.为保证所力o荷载均匀分布，在土体上加设一块1. 0 m( 宽) x1. 0 m( 伏)xO.15m( 厚)的钢筋泪凝土加荷板采用模型槽原有反力架提供反力.因反力架底端距离填土槽顶部有0.9 m左右距离，故在千斤顶与加荷板间垫人铁墩加荷板、铁墩及千斤顶质量共约0.3 t ,千斤顶油压表系数为0.14 T.1. 3 数据测量系统1. 3. 1 土压力测量实验选用应变式土压力传感器进行土压力测量，通过DH3818 电阻应变仪（东华测试生产的一种仪器）和计算机数据采集系统采集数据.因土压力盒数量有限，实验共使用9 枚土压力盒两面出板(分别粘贴2 种不同厚度柔性材料)及一面未粘贴柔性材料的坑壁的中间位置，距坑底O. 1 、0.5 、0.9 m 处埋设土压力盒，如图2所示.1. 3. 2 柔性材料压缩量测量在两挡板中线0.2 、0.45 、O. 70 、0.95 m 位置钻孔.柔性材料粘贴完成后，在孔中插入竹筷并穿透粘贴在挡板上的柔性材料.竹筷一端与柔性材料朝向模型内侧一面平齐.使用胶带粘贴在柔性材料背面竹筷穿透处，避免柔性材料在压缩过程中竹筷剌人土体.通过测量竹筷的位移得到柔性材料的压缩量即士体与柔性材料基础面的位移量.2 实验土体及柔性材料2.1 实验土体实验采用风干粉质勃土.土体充分粉碎后，过9.5 mm方孔筛.对实验用士进行常规室内实验，得到实验用土的物理参数见表1.2.2 柔性材料选用单层厚度1. 4 cm的泡沫防滑垫作为实验柔性材料.用胶水粘接，制成1 - 4 层即厚1. 4 、2.8 ，4.2 ,5.6 cm 4 种厚度的柔性材料贴片.3 实验方法在两挡板内侧分别粘贴2 种不同厚度的泡沫并压实.2 d后粘贴的胶水充分凝固即填士.填土时，将土从1. 5m 的高度落下.每铺设0.1 m 厚，静置2d 使土体密实.层层铺设，至1. 0m高，然后在土体上盖设加荷板.在加荷板与反力架之间垫入铁墩，安置千斤顶.校正对准加荷板、铁墩及千斤顶中心，确保所加荷载不偏，后进行加载.在加荷板上设置位移汁，通过位移计确定土体是否稳定.每级加荷后，前1 h 每隔10 min 检测l 次，其后每隔0.5 h 检测l 次.若每小时沉降量小于0.1 mr时I级荷载.因千斤顶油压表系数为0.14 T ，且需人工操作摇杆进行加压.为了便于准确力rJ荷，每级增加荷载以0.7 t为基数设定的各级荷载为1. 0 、1. 7 、2.4 、3.1 A. 5 t粘贴泡沫实验分2 组进行.第l 组测民泡沫厚度b 等于O( 不粘贴泡沫一侧墙体)、1. 4 、2.8 cm 时的土压力及士与泡沫接触面在4.5 t荷载下的位移;第2 组测试泡沫厚度b 等于4.2 ， 5.6 cm时的相应数据.第l 组实验中，挡板A 粘贴1. 4 cm 厚泡沫，挡板B 粘贴2.8 cmJ享泡沫;第2 组试验中，挡板A 粘贴4.2 cm厚泡沫，挡板B 粘贴5.6 cm厚泡沫.4 结果及分析4.1 泡沫厚度对板后土压力的影晌粘贴泡沫时，挡板承受的士压力明显降低，且随着泡沫厚度b 的增大，挡士板承受的士压力p 也随之递减，结果见图4- 图7.由图4 可见:加荷2.4 t 即土体顶部均布荷载为24 kPa时，不粘贴泡沫一侧坑壁承受土压力p 随填土槽深度由10.3 kPa至19.6 kPa;b 二1. 4 cm 时， p 由9.9 kPa增加至18.0 kPa ，总土压力E 下降了8.0% ;b =2. 8 cm 时， p 由9.3 kPa增加至16.8 kPa ， E 下降了15.6%;b =4.2 cm 时， p 由8.7 kPa增加至15.5kPa ，E 下降了2 1. 3%;b =5.6 cm 时， p 由8.2 kPa增加至14.5 kPa , E 下降了27%. 其他各级荷载，都出现了与2. 的荷载情况下相同的趋势.为了更准确地进行比较，选取受边界影响较小的各档板中心位置(板高0.5 m处)的土压力进行比较说明.图5 为各挡板中心点在各级荷载下的士压力.图6 为相应点的土压力下降比率.由图5 可见:各点的土压力随着荷载的逐级施加而增大曲线有一定弯由，这是由于随着上部荷载的增大，士体被逐渐压密，侧压力系数K 发生改变.由图6 可见:在各级荷载作用下，泡沫厚b =1. 4 cm时，土压力总体降低约10. 1 % ; b = 2. 8 cm 时，降低18.2%;b =4.2 cm 时，降低25.2%;b =5.6 em时降低30.1%. 因此，泡沫厚度的变化对土压力的影响明显.但随着泡沫厚度的增大，士压力降低的速率趋于收敛.综上，土压力的降低程度与泡沫厚度并非线性关系.根据土压力与板体位移关系，可以认为，随着泡沫厚度增加，土体位移空间随之增大，土压力由静止土压力逐步向主动土压力方向减小，在这一过程中，土压力逐步降低但降低速率趋缓.4.2 泡沫厚度对土体接触面位移的影晌如图7 所示，在同级荷载作用下，随着泡沫厚度逐渐增大，泡沫的压缩量即泡沫与士体接触面的水平位移也随之增加在挡板高度范围内，当泡沫厚度b = 1. 4 cm时，随着填土槽深度，泡沫与土体接触面位移由1. 1 mm 增加至2.0 mm. 当b 为2. 8 、4. 2 和5.6 cm时，位移也呈相同趋势.但泡沫的压缩比率却随着其厚度的增加而降低，详见表2.比较图6 和图7 同级4.5 t荷载下的接触面位移量与土压力降低程度之间关系可见:随着泡沫厚度增加，接触面水平位移(泡沫变形)增大，作用在挡土结构上的土压力也出现明显的减小.但士泡沫接触面位移的增加和士压力减小的趋势都是趋于收敛.这是与土压力与板体位移关系相符的.5 结论1 )添加柔性材料泡沫的复合挡墙所受的士压力比未添加泡沫的一侧挡墙所受士压力有明显的减小.2) 泡沫厚度越大，士体与复合挡士结构接触面位移越大，士压力降低越多-3) 随着泡沫厚度的持续增大，其对土压力的影响将趋于收敛.刚柔复合挡士结构形式能够明显减小挡士结构所承受的土压力，降低造价，提高安全性.由于时间有限，实验仅对泡沫厚度这一因素的影响进行了分析.对于其他影响因素有待后续的试验研究.参考文献: 1 J Terzal!;hi K. La 1934 , 1 1 (2) : 1 12 - 123 2 J Fang Y S. Static earth pressure