悬臂式挡土墙-波纹钢挡土墙模型试验研究

包坤业 郑方 井浩青海省交通职业技术学院 西安建筑科技大学土木建筑工程学院

摘 要：为了研究新型公路抢修技术波纹钢挡土墙的受力变形特性，设计了高3 m、宽1.2 m、墙后填土深4 m的波纹钢挡土墙等比例模型试验。墙后填土分层填筑，填筑过程中监测墙板应力变化、墙后填土土压力变化、墙板位移变化、拉筋带应变变化，得到相应的受力变形规律。随着填土高度的增加，波纹钢板应力状态呈现出“S”型的变形状态，作用在挡土墙上的土压力呈现出反“S”型的变化状态。随着填土高度的增加，墙板向外位移量由下向上逐渐变大，而后逐渐趋于稳定；底部拉筋带应变量大，靠近波纹钢面板的拉筋带的应变量也大，而远离墙板的拉筋带的应变量小。因此建议，施工时墙板应向内做适当的倾斜；设计时拉筋带宜下密上疏。该研究成果，对实际工程设计和施工具有一定的指导意义。

关键词：波纹钢挡土墙;等比例模型;应力;应变;位移;

基金：青海省科技项目，项目编号2018-ZJ-733;

青海省东部地区地处黄土高原和青藏高原的过渡带，丘陵、河谷高陡斜坡段多有泥石流发生[1],主要交通干线不同程度地会受到泥石流的危害或威胁，对于受灾路段一般需要采用挡土墙支挡的方式来进行抢修。而传统的重力式挡土墙依靠墙身的自重来抵抗侧向土压力，墙身断面大、圬工量大、施工周期，且在高寒地区施工难度较大，难以满足对受灾路段进行快速抢修的要求。因此，迫切需要一种施工方便简洁、施工周期短的轻型挡土墙技术对受灾路段进行快速抢修[2,3]。

波纹钢结构挡土墙是一种新型的轻型挡土墙，较一般轻型挡土墙更具有优势，也更具有广阔的应用前景。波纹钢结构是一种柔性结构，施工简单且施工工期短。波纹钢板已广泛应于高层建筑、涵管、拱桥等工程设计中[4],且已有众多学者对波纹钢板在工程应用中的应力应变行为进行了分析和研究。比如：王垆涛[5]、李靓姣[6]、李雅楠[7]、Berman等[8]分别利用数值模拟、理论分析、试验的方法对波纹钢板剪力墙的受力特性进行了研究；李百建等[9]、李祝龙等[10]、冯丽[11]分别利用试验和数值分析方法研究了波纹钢结构在管涵中对承载力的贡献；刘保东等[12]、李鹏[13]、Bęben等[14]对波纹钢板作为拱桥应用时的受力特点进行了分析和研究。

但是对于波纹钢作为挡墙结构方面的研究比较少，仅有许江波等[15]、梁俊伟等[16]、李元庆等[17]分别利用数值模拟的方式研究了波纹钢挡土墙填土完成后挡墙的受力变形规律。但是波纹钢挡墙试验研究方面的数据是缺乏的，因此本文设计了波纹钢挡土墙的等比例模型试验，真实模拟墙后填土分层填筑时的工况，监测填土时墙板的应力应变，研究波纹钢挡墙的受力变形特征，对实际工程设计和施工具有一定的指导意义。

1 波纹钢挡土墙等比例模型

挡土墙面板采用波纹钢板，基础采用直埋方式，直埋深度为1.500 m, 基础以上波纹板挡土墙面板高3 m、宽1.2 m, 墙后填土深4 m。图1所示为波纹钢挡土墙等比例模型。其中波纹钢挡土墙面板为工厂内标准化加工而成，详细面板参数见表1。

图1 波纹钢挡土墙等比例模型 下载原图

表1 波纹钢面板参数 导出到EXCEL

钢材型号

面板厚度mm面板厚度mm

面板高mm面板高mm

面板净宽mm面板净宽mm

波距mm波距mm

波高mm波高mm

Q345B

5.5

4 500

1 200

400

150

如图2挡土墙的结构示意图所示，沿垂直方向布设4层拉筋带，每层拉筋带竖向间距为0.7 m; 第一层拉筋带以距离地面0.4 m起开始布设，且沿水平方向每层布设3条拉筋带，水平间距为0.6 m; 拉筋带经由锚拉板固定。拉筋带采用塑钢拉筋带，详细参数见表2。

图2 挡土墙结构示意 下载原图

表2 塑钢拉筋带参数 导出到EXCEL

型号

规格mm规格mm

破断拉力kN破断拉力kΝ

极限抗

拉强度MPa拉强度ΜΡa

破断

伸率%伸率%

单位质量

度 m/kg 度 m/kg

CAT30020B

30×2

≥9

150

≤3

11

2 测试仪器及测点布置2.1测试仪器(1)振弦式应变计。

应变计用于监测波纹钢板受到的纵向和横向的空间应力分布。测量范围为拉应变1 000 με、压应变1 500 με;分辨率≤0.015%F·S;综合误差≤1.5%F·S;工作温度范围为-25℃～+60℃。

(2)振弦式土压力盒。

土压力盒用于监测墙后土压力，采用振弦理论设计制造，具有高灵敏度、高精度、高稳定性的优点，适于期观测。测量范围为0.2 MPa; 分辨率≤0.08%F·S;综合误差≤1.5%F·S;工作温度范围为-25℃～+60℃。

(3)固定式测斜仪。

固定式测斜仪主要用于监测波纹钢板挡土墙的水平和垂直的移动，从而判断墙面倾斜变化。标称量程为±30°;分辨率为2.8″;线性度为0.02%F·S;重复性为0.003%F·S;工作电压为DC12 V;静态电流为80 mA@25℃;工作温度范围为-20℃～+50℃;耐水压为1.5 MP。

(4)应变片。

应变片用于监测拉筋带应力应变，是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上。构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。测量范围为拉应变1 000 με、压应变1 500 με;分辨率为≤0.015%F·S;综合误差为≤1.5%F·S;电阻值为120 Ω。

2.2测点布置(1)墙板应力监测点布设。

对于墙板应力的监测，共布设2个监测断面。即在波纹钢面板中部的波峰处设置1个监测断面，另在板片拼接处的两侧布设1个监测断面。沿竖向间隔0.6 m布设应变计，如图3所示。

(2)土压力监测点布设。

对挡土墙的填土部分进行土压力测试，测点自下往上根据拉筋带竖向布置间隔，每间隔0.6 m布置测点，共布设2个监测断面，如图3所示。

图3 墙板应力和土压力监测点布设示意 下载原图

(3)墙板位移监测点布设。

墙板位移监测断面共1个，在沿波纹钢面板宽的1/3处布设测斜管，其高度与波纹钢板相同，如图4所示。在测斜管内安装固定式测斜仪，用来量测波纹钢面板的倾斜程度，以监测墙后施做每层填土时波纹钢挡土墙的水平和垂直的移动。

图4 测斜管的固定 下载原图

(4)拉筋带应变测点布设。

在水平方向上每层布设有3条拉筋带，只在其中2条上布设应变测点，即沿板宽的1/2和1/4断面处布设。在此2个测试断面上的每条拉筋带上均匀布设4片应变片，应变片间距为0.8 m, 如图5所示。拉筋带上布设的应变测点共计32个。试验过程中墙后填土共分5层进行填筑，并进行夯实。每填筑并夯实一层填土后，在其上铺设拉筋带，并测试拉筋带各点的应变值。

3 试验结果分析3.1墙板应力测试结果

每填筑0.6 m并压实后，进行各个点的测试及数据记录。各个点测试3次悬臂式挡土墙，并取其平均值作为该测点的测试值，根据应变测试结果计算得到相应的应力值。图6给出了波纹钢板中部处测试所得的应力变化情况。

图5 应变片测点的布设 下载原图

图6 波纹钢板波峰处的应力变化 下载原图

从图6可以看出，第一层回填土压实以后，受到侧向土压作用，底部压应力有所降低；随着填土高度的增加，由于波纹钢板自身刚度和基础部分的限制作用，波纹钢板底部的受力状态逐步由受压状态变为受拉状态，反弯点也逐渐升高。在反弯点升高的同时，波纹钢板、回填土体之间由于受到拉筋带的限制，最终呈现出“S”型的变形状态，波纹钢板上部也逐渐呈现出受压的应力状态。

3.2土压力测试结果分析

图7所示为距离挡墙顶部分别为3.0 m、2.4 m、1.8 m、1.2 m、0.6 m处波纹钢板所受的侧向土压力变化情况。虚线为回填第一层土体时各处的侧向土压力变化，实线为填土完成后各处的侧向土压力变化。

由图7可以看出，在填土作用下，挡墙底部各处的土压力增大；随着填土完成，作用在挡土墙上的土压力逐渐呈现出反“S”型的状态，即在底部先增大到75 kPa、然后又减小到20 kPa, 并在距离顶部1.5 m左右达到土压力的最大值约为120 kPa, 最后随着高度继续升高而逐渐减小。

图7 波纹钢板所受侧向土压力的变化 下载原图

分析认为，随着填土高度增加挡墙底部的土压力有所降低，主要是受到挡墙基础部分的弹性转动影响。由于波纹钢板的弹性变形释放了一定的侧向土压力，使得原有的侧向土压力有所降低。而筋带限制了上部波纹钢板的转动变形，在其自身刚弹性作用下，对上部的墙后填土产生了挤压，土体内部受到主动土压力作用，进而导致上部土压力增大。这与墙板应力测试结果较为一致。这也说明拉筋带对挡墙起到了明显的约束作用。

3.3墙板位移测试结果

随着波纹钢挡墙的墙后土体的分层铺设，测得钢波纹板挡土墙的水平和竖向的位移。由于竖向位移非常小，可忽略不计，因此图8给出波纹钢挡墙的水平位移变化情况。

图8 波纹钢挡墙的水平位移变化 下载原图

图8所示为距离波纹钢板顶部分别为0.92 m、1.42 m、1.92 m、2.42 m、3.0 m处所测得的位移值，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别为填土前、第一层回填完成后、第二层回填完成后、第三层回填完成后、第四层回填完成后、第五层回填完成后的测试结果。图8中虚线为基准线，只是计算参考线并无实际意义；实线为墙板位移线。

从图8可以看出，随着墙后回填土的逐层铺设悬臂式挡土墙，波纹钢挡墙开始外移。第一层填土回填完成后，墙板的向外位移量由下向上逐渐变大；第二层填土回填完成后，墙板各点上的外移量最大，顶部的位移差值达到4.3 mm; 随着第三、四、五层墙后填土回填完成，墙板各点上的向外位移量逐渐趋于稳定。

分析认为，在底部进行填土时，随着填土高度的增加，墙板向外位移量由下向上逐渐变大，主要是墙板受到墙后土压力作用后产生弹性转动造成的，规律符合悬臂板的位移规律。当填土接近墙高的一半时，墙板各点上的向外位移量最大。这是由于随着填土高度增加，墙板上的土压力增大，而此时拉筋带还没有充分发挥作用。当填土超过墙高的一半后，墙板各点上的向外位移量逐渐趋于稳定。这是因为各层拉筋带的牵拉作用得到充分发挥，使得墙板位移受到限制，甚至在上部出现向内的偏移。这与前述墙板“S”型变形状态的分析结果一致。

因此，在施工波纹钢板挡墙时，墙板应向内做适当的倾斜。

3.4拉筋带应变测试结果

图9(a)、图9(b)分别给出了沿板宽的1/2和1/4断面处第一层拉筋带各测点应变值随填土层数增加的变化，可以看出测点距离波纹钢面板越近应变量越大，且随着填土层数的增加应变量呈现出先减小再增大然后再减小的变化趋势。同时可以看出，沿板宽1/4断面处的应变量比1/2断面处的大。

图9 第一层拉筋带应变变化 下载原图

图10(a)、图10(b)分别给出了沿板宽的1/2和1/4断面处第二层拉筋带各测点应变值随填土层数增加的变化，可以看出同样也是测点距离波纹钢面板越近应变量略大，且随着填土层数的增加应变量呈现出先增大然后再减小的变化趋势；但是相较于第一层拉筋带各测点的应变量，第二层拉筋带各测点的应变量变化量差值变小。同时可以看出，沿板宽1/2断面处的应变量比1/4断面处的大。

图10 第二层拉筋带应变变化 下载原图

图11(a)、图11(b)分别给出了沿板宽的1/2和1/4断面处第三层拉筋带各测点应变值随填土层数增加的变化，可以看出整体随着填土层数的增加应变量变化趋于稳定；有个别规律差别较大，可能是由于测试过程中出现了失误造成的。

图12(a)、图12(b)分别给出了沿板宽的1/2和1/4断面处第四层拉筋带各测点应变值随填土层数增加的变化，可以看出随着填土层数的增加应变量在减小。

分析认为，底部拉筋带受到的拉应力最大。这是由于挡墙底部所受到的土压力最大，故波纹钢板施加给拉筋带的拉力也最大。靠近波纹钢面板的拉筋带直接承受拉力，故应变量大。由于拉筋带与挡墙后填土间的摩擦阻力使得远离墙板的拉筋带轴力变小，故应变值小。综合分析，在设计拉筋带布置方案时，宜下密上疏。

图11 第三层拉筋带应变变化 下载原图

图12 第四层拉筋带应变变化 下载原图

4 结语

本文设计了波纹钢挡土墙等比例模型试验，对墙后填土填筑过程中墙板应力变化、墙后填土土压力变化、墙板位移变化及拉筋带应变变化进行了分析，得到以下结论。

(1)随着填土高度的增加波纹钢板底部的应力状态逐步由受压状态变为受拉状态，且反弯点也逐渐升高，最终呈现出“S”型的变形状态，波纹钢板上部也逐渐呈现出受压状态。

(2)随着波纹钢挡墙后填土的逐层回填，作用在挡土墙上的土压力呈现出反“S”型的变化状态，即呈现出在底部先增大到某一值后又减小、而后增大达到最大值后又逐渐减小的变化趋势。

(3)随着填土高度的增加，墙板向外位移量由下向上逐渐变大，当填土接近墙高的一半时，墙板各点上的向外位移量最大；当填土超过墙高的一半后，墙板各点上的向外位移量逐渐趋于稳定。因此建议在施工钢波纹板挡墙时，墙板应向内做适当的倾斜。

(4)波纹钢挡土墙底部拉筋带受到的拉应力最大，应变量大；靠近波纹钢面板的拉筋带直接承受拉力，应变量大；而远离墙板的拉筋带轴力变小，应变量小。因此，建议在设计拉筋带布置方案时，拉筋带宜采用下密上疏方式布置。

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