双层卸荷板肋式悬臂挡土墙设计

双层卸荷板肋式悬臂挡土墙设计
赵涛;付江;周宇
【摘要】依据首届全国岩土工程竞赛要求,设计出包括纵向肋柱,双层卸荷板和仰斜式墙面三方面组合创新的双层卸荷板肋式悬臂挡土墙.通过分层填筑的方式建造挡
土墙模型,以获得逐级加载条件下挡土墙的水平位移与荷载值的变化规律.
【期刊名称】《黑龙江交通科技》
【年(卷),期】2018(041)002
【总页数】3页(P58-59,61)
【关键词】纵向肋柱;双层卸荷板;仰斜式墙背;水平位移
【作者】赵涛;付江;周宇
【作者单位】陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南 714000;中铁上海设计院集团
有限公司南京设计院,江苏南京 210000;中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃兰州 730000
【正文语种】中文
【中图分类】U461.1
1 竞赛要求
1.1 设计要求
第一届全国大学生岩土工程竞赛以建造模型挡土墙为题目，要求参赛学生用主办方提供的砂子、纸板和模型箱建造一个挡土墙。

竞赛内容包括：模型设计、模型制作、
模型测试。

图1 模型槽和挡墙示意图
图1为建造挡土墙所需的有机玻璃模型槽，尺寸为80 cm×40 cm×50 cm(长×宽×高)，挡土墙的建造和测试要求如下：(1)挡土墙高度40 cm，须在60 min内完成挡土墙的建造(包括挡墙制作和填砂)；(2)挡土墙两侧表面型式不限；(3)仅在距临空面15 cm范围内建造挡墙，即挡土墙结构建造厚度不能超过15 cm；(4)建造过程中不得在挡土墙临空面一侧有任何临时或永久支撑，也不允许用手等进行扶持(不以支撑为目的，短暂地用手处理临空面是允许的。

另外，在挡土墙靠土的一侧可以用手扶持)；(5)采用逐级加载方式，每级5 kg，荷载下挡土墙最大累计位移不得超过2 cm，加载时从挡土墙面或侧所散落砂子累计质量不能超过500 g，最大竖向加载砝码质量50 kg。

1.2 模型试验材料
挡土墙模型试验材料主要包括：风干建筑砂、白纸板和双面胶带。

填筑材料采用兰州地区风干建筑砂，过1.0 mm和0.2 mm筛网，粒径为0.2～1.0 mm，最小干密度：1.413 g/cm3，最大干密度：1.750 g/cm3，挡土墙建造用击实工具压实的条件下实测容重为15.7 kN/m3，由直剪试验测得砂的抗剪强度参数为：粘聚力c=0 kPa，内摩擦角φ=37.2°。

挡土墙面板及连接加固材料是用1.0 mm厚灰底白纸板(单面白卡纸)和双面胶带制作而成；1 mm厚白纸板规格：A2(420
mm×594 mm)；双面胶带规格：得力30 403双面胶，宽2.4 cm。

另外，辅助工具有剪刀，美工刀，丁字尺，3H铅笔，填砂用的铲子、装料桶，轻型击实工具等。

1.3 模型设计思路
试验挡土墙模型命名为双层卸荷板肋式悬臂挡土墙。

双层卸荷板是指在挡墙背面黏贴两层卸荷板，以模拟实际工程中的卸荷平台效果，减小挡土墙变形及所受主动土
压力，提高墙面横向刚度；肋式是指在挡土墙临空面折出纵向加强劲肋，提高墙面纵向刚度，防止墙面鼓出变形；悬臂是指墙面板与墙踵板用双面胶粘接，靠踵板上填砂重量来保持稳定。

纵向加劲肋与双卸荷平台相结合，双管齐下，达到减小挡土墙主动土压力，增强挡土墙抗变形能力的目的。

如下详细分析纵向加强肋柱，双层卸荷板和仰斜式墙面三方面的创新之处。

(1) 纵向加强肋柱
为提高挡土墙横向刚度，试验尝试通过设置纵向加强肋柱，以减小挡土墙横向变形。

但直接粘贴肋柱用纸量大，存在制作过程繁琐且不易粘接牢固等诸多弊端。

本模型提出一种创新方案，直接从白卡纸折叠出纵向肋柱再用胶粘接，提高挡土墙横向刚性的同时，整体性也得到较大提升。

通过试验证明，此方法用纸量少，制作过程简单，在试验中取得了良好的效果。

(2) 双层卸荷板
在墙背面粘贴双层卸荷板，用短拉筋将卸荷板与挡土墙连接，使挡土墙、卸荷板和短拉筋构成一个三角形框架，卸荷板承受卸荷板以上部分填砂的自重，减小挡土墙下部的主动土压力，增大对墙趾的抗倾覆力矩，有效增大挡土墙的承载力和抗变形能力。

卸荷平台端部向上折叠出1 cm宽度的窄条，短拉筋反向折叠粘贴于卸荷板的背面，既可增强卸荷板的刚度，也能大幅度提高连接节点的强度，可防止筋条拔出。

(3)仰斜式墙面
将挡土墙面设置为仰斜式，可以有效地减少挡土墙所受主动土压力。

工程现实中，仰斜式挡土墙墙背越缓，所受土压力越小，但施工越困难，故仰斜式墙背一般控制在α<14°。

在本实验中，考虑到挡墙设计范围和纸张大小的限制，在不超出实际
仰角的情况下，取本模型仰角为α=13°。

仰斜式挡墙用纸量与竖直式相差不大，
但所受土压力大幅减少，经济合理。

2 模型试验分析
将挡土墙放入模型槽内，设置好预定仰斜角度后，沿挡土墙高度方向分8层进行填砂，每层填筑厚度5 cm，每个填筑层都用自制夯实工具进行夯实，墙后填砂总高度为40 cm。

再用三角尺将填砂表面整平，用刷子清除从挡土墙墙面或侧面散落的砂粒。

挡土墙模型填筑完毕后，静置10 min，在距离临空面17 cm处放置20×20 cm的刚性承载板，然后在承载板上分级施加竖向砝码，以检验填筑建筑砂后模型的强度及稳定性。

选取挡土墙面板的中间位置靠上侧(即中间肋柱靠上端)为监测点，在监测点处安置百分表，加载过程中，读取百分表初始读数及每级荷载作用下的读数。

图2为8组平行试验数据获取的每级荷载与墙面板中间位置的水平位移之间的关系曲线。

由图可知，随着竖向荷载的增加，墙面上部的位移量逐渐增加，且位移增加速率随着级数增加而不断加快。

图2 监测点水平位移-荷载关系曲线
3 分析与讨论
(1)竞赛要求挡墙结构尺寸为15 cm，即在这个长度内可包括任何形式的加筋，挡墙结构内允许放砂子。

在挡墙建造范围内，挡墙的结构形式可任意设计，超过这个范围不允许任何形式的加筋，即排除了使用加筋挡土墙模型。

鉴于挡墙填筑范围的空间限制，加之挡墙的设计材料强度问题制约，有效利用挡土墙的侧壁与模型箱壁的摩擦是本设计至关重要的因素。

(2)模型所采用的双层卸荷板肋式悬臂挡土墙结构取得了很好的试验成果，进一步将此模型结构联系到实际工程中，纵向加强肋柱可以设计成为浅埋式抗滑桩结构，以保证墙体的纵刚度和抗滑移和抗倾覆稳定性；卸荷平台在实际工程可通过配筋和现浇混凝土来满足设计要求。

总体来说，设计的新型挡土墙施工方便，自重较轻，经济可行，其可经过大型模型试验之后选取试验段进行现场评估验证。

(3)目前还没有公认地、成熟地应用于双卸荷平台挡土墙的土压力计算方法，如若
根据文献中单
卸荷平台土压力的计算方法与局部荷载作用下近似地估算分析挡土墙的受力状况，其计算结果很难解释试验中挡土墙位移现象。

因而，对于此种新型挡土墙的土压力计算公式还需进一步的理论推导与试验验证，这也必将对新型挡墙结构创新设计有所裨益。

4 结论
(1)设计出具有创新意义的双层卸荷板肋式悬臂新型挡土墙，主要结构包括纵向肋柱，双层卸荷板和仰斜式墙面三方面的创新组合，可为类似工程实际提供相应参考与新型挡土墙结构创新提供思路。

(2)在墙面板处设置纵向加强肋柱可以有效提高墙体的横向刚度，以减小墙面板在
土压力作用下的外鼓变形；双层卸荷平台可以有效提高墙体的纵向刚度，且与纵向加强肋柱垂直交叉分布，可有效提高墙体自身的强度和稳定性，进而减小墙体在填土及附加荷载作用下的变形量。

(3)在相同试验条件下，仰斜式挡土墙能承受更大的附加荷载，可解释为仰斜墙背
的库伦主动土压力系数小于同等条件下垂直墙背。

参考文献：
[1] 应宏伟,蒋波,谢康和.考虑土拱效应的挡土墙主动土压力分布[J].岩土工程学报，2007，29(5)：717-722.
[2] 应宏伟,蒋波,谢康和.平行竖墙间的土拱效应与侧土压力计算[J].水利学报，2006，37(11)：1303-1308.
[3] 胡俊强，张永兴，陈林，等.非极限状态挡土墙主动土压力研究[J].岩土工程学报，2013，35(2)：381-387.。