摘要:本文通过室内模型试验,研究了位于软弱地基中的重力式挡墙的抗滑稳定性和齿坎对挡土墙的抗滑作用。通过试验研究得出结论:由于齿坎的存在,可大幅度地提高挡土墙的抗滑稳定性,在软弱地基中尤为明显;当挡土墙达到滑动破坏时,齿前的土压力达到被动土压力值,而齿后的土压力接近于零;对于无齿挡墙,滑动破坏面位于基底表层的土体内。 j-etEWOTr
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关键词:齿坎;挡土墙;抗滑作用;模型试验 eM`"$xc
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收稿日期:2000-03-20 SYTzJK@vZJ
作者简介:屠毓敏(1965-),男,浙江上虞人,从事基础工程、地基加固、基坑支护结构设计理论的研究和实践。 YY<e]CriU
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水利工程中的挡土(水)建筑物,当位于软弱地基中时,通常采用设置齿坎来满足防冲抗渗之目的,但其抗滑作用往往不予考虑,设计时仅作为安全储备,对于位于软弱地基中的挡土(水)建筑物,基底抗滑稳定性往往是设计的控制条件,设置齿坎后,到底能提供多大的抗滑力,设计时应如何考虑,在工程设计中尚无统一的认识,况且对基底摩擦系数的取值差异也较大[1,2],势必导致工程费用的增加。为了进一步认识挡土结构物中基底及齿坎的抗滑作用,为现有的工程设计提供可靠的抗滑试验数据及理论分析成果,提高现有的工程设计水准,降低工程建设造价,有必要研究齿坎对基底所起的抗滑作用。 ZCVN+::Y
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1 室内模型试验简介 S b3@7^
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为了较全面系统地研究齿坎对重力式挡墙的抗滑作用,进行了不同齿长(齿长为0.0m、0.35m、0.5m)、不同土质条件(淤泥质粘土和粉质粘土)、不同基底压力分布和不同墙重的挡墙的室内试验。 \<A@Nf"
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1.1 模型槽及模型设计 室内试验是在模型槽内进行的,模型槽尺寸为2.75m(长)×0.52m(宽)×1.0m(高),由型钢焊接加工而成,模型槽底部埋设3个25mm的排水管,3侧面内贴10mm厚的钢化玻璃,以观察土体的变形情况。模型比尺采用1∶2的小比例模型,根据工程设计中的挡土墙尺寸,齿坎和底板采用钢筋混凝土一次浇筑而成,在预制时,预埋套管和锉木,以埋设应变式微型土压力盒,上部结构分4块浇筑,下面3块的高度均为0.3m,最上块的高度为0.5m,以便模拟不同墙高之工况,挡土墙采用单宽长度为0.5m. _&m
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1.2 模型土样制备 模型土样的制备是室内试验成败的关键,在各种试验工况下,重塑土样应力求一致。淤泥质粘土的土样制备方法如下:首先在模型槽底部敷设5cm厚的中粗砂,上覆一层土工布,然后用人工将土均匀地踩入模型槽内,使土体重塑,用水浸泡一周后,上覆土工布,采用堆载预压的方法将其固结,根据现场土质条件,确定堆载压力为20kPa.土体固结度可按太沙基一维固结理论来估算[3],其平均固结度为:U=1-8/π2(e-π2/4Tv+e-9π2/4Tv).?土体固结时,用百分表测定土体的沉降量,从而推求其固结度。由此可得当6h内的沉降量为0.44mm时,固结度已达到80%,则可视为已满足试验要求,此时的总固结时间为60h,卸去堆载后使土体充分回弹,然后进行抗滑稳定性试验,每次试验时土体的固结条件都相同。由于粉质土具有良好的透水性,土体重塑较为容易,为此经人工踩入、水浸泡3d后,用模型块预压24h(此时水位维持在土顶面)后,土样能满足试验要求。 1e^-_Bo6'o
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根据以上土样制备方法,两种模型土的主要物理力学性指标为:淤泥质土的固结不排水剪强度指标为ccu=2kPa,φcu=8°,含水量ω=54%,重度γ=16.3kN/m3,孔隙比e=1.72;粉质土的固结不排水剪强度指标为ccu=3kPa,φcu=25°,含水量ω=42%,重度γ=17.4kN/m3,孔隙比e=1.25. wA}+E)x/C
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1.3 试验设备 室内模型试验采用32t螺旋式千斤顶进行分级加载,并用3t力传感器和电阻应变仪测定水平推力。试验前已在齿坎前、后及基底预埋应变式土压力盒,测定试验过程中作用于齿坎上的‘被’、‘主’动土压力。室内模型试验装置如图1所示。 >j$CM:w
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1.4 加载方法 该试验主要研究挡土墙在各种不同工况下的极限抗滑力,为此每种试验工况按10级加载设计,采用快速加荷的试验方法,当某一级荷载的位移量超过前一级位移量的2倍或荷载不能维持稳定时,终止加载。 x_5H_! \#
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2 试验成果概述 xTL"%'|
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图1 室内试验装置 "GofQ5,|
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2.1 模型试验工况 为了研究基底压力变化、墙高及齿长变化对挡土墙抗滑力的影响,在两种土质条件下共进行了16种工况的试验,各试验工况汇总于表1. ]Z\.Vx
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表1 模型试验工况汇总 单位:m g< {jgF
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土质基底应力分布工况 RtR]9^:~
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淤泥质粘土 粉质粘土 ""ICdZ_A
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齿长 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.35 0.35 0.35 0.5 0.0 0.0 0.0 0.35 0.35 0.35 0.5 D[)g-_3f6<
墙高 0.8 1.1 1.6 1.1 1.6 0.8 1.1 1.6 1.1 0.5 0.8 1.1 0.5 0.8 1.1 1.1 dg4 QA_"
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2.2 抗滑力与位移之间关系 各工况下的抗滑力与水平位移的关系曲线如图2和图3所示,各种工况下的极限抗滑力及其相应的位移,如表2所列。 nrMm](Y45
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图2 抗滑力与位移关系曲线(土质:淤泥) 图3 抗滑力与位移关系曲线(土质:粉质土) g Xvuv^
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表2 各工况时的极限抗滑力及位移 TCFx+*fBd
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抗滑力/kN 1.5 1.8 1.5 1.8 1.8 2.4 2.7 3.0 3.9 3 3.75 4.5 5 5.75 6.5 7.5 'tp1|n/1
位移/mm 6.34 6.86 10.0 6.1 6.71 9.08 9.47 8.9 9.44 5.01 5.42 4.59 9.74 9.52 9.78 9.65 tm(.a?p
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表3 被动土压力极限值 )G0a72
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淤泥质粘土 粉质粘土 u~6`9'Ms
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2.3 土压力与位移之间关系 各种工况下实测被动土压力与位移关系曲线如图4所示,其极限被动土压力列于表3.实测主动土压力均较小,且当抗滑力达到极限值时,主动土压力均趋近于0,从试验观察也得到了证实,即当水平推力达到一定值时,齿后土体已与齿坎脱离。 -#H>kbs
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3 试验分析 n0kBLn
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3.1 综合摩擦系数 根据工程设计中常用的摩擦系数概念,分析墙高为1.1m时的情况,则综合摩擦系数如表4所列。 ;$=`BI)
3.2 齿坎作用分析 由表2和表4可知齿坎具有明显的抗滑作用,分析表2,可得抗滑力与齿长近似呈线性关系,齿坎在淤泥质粘土中的抗滑作用尤为显著。位于软弱地基中的齿坎,由于齿坎的嵌固,可有效地提高地基的承载能力,从而进一步提高挡土墙的抗滑作用,此时齿坎起着抗滑和地基加固双重作用。为此,在软弱地基中建造重力式挡土墙时,应优先考虑设置齿坎。 B i?DmrH
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图4 被动土压力与位移关系曲线 T%Vii*?M
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表4 综合摩擦系数 LZV
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工况 nk]jIRy^T
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摩擦系数 0.254 0.350 0.488 0.635 0.842 1.032 a1B_w#?8
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表5 基底极限抗滑力比较 "d>{hP
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土质 s={AdQ
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淤泥质粘土 粉质粘土 |S|0'C*
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墙高/m 0.8 1.1 0.5 0.8 1.1 1+v&SU
实测值/kN 1.50 1.80 3.0 3.75 4.50 \T'uFy9&a
理论值/kN 1.58 1.80 3.0 3.78 4.59 #.UooFk+Y
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3.3 基底抗滑力分析 研究无齿挡墙,其实测极限抗滑力如表5所列,表中理论值为根据土体抗剪强度理论而求得。由表可见,理论值与实测值相当吻合,说明挡土墙的基底滑移破坏形式其实是基底表层土体的剪切破坏。 <Vm+Lt9
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3.4 基底压力分布对抗滑力的影响 分析位于淤泥质粘土中的无齿挡墙,当墙高为1.1m时,不同基底压力分布下的极限抗滑力均为1.8kN,只是三角形基底压力分布时的墙体位移较大。而当墙高为1.6m时,三角形基底压力分布时的极限抗滑力比矩形分布时的要小,这主要是由于当基底压力为三角形分布时,地基土产生局部屈服,在水平推力的作用下表现为地基的失稳,而均布基底压力有利于地基的稳定,则极限抗滑力相对较大。 LX'.up11X5
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3.5 被动土压力分析 由试验可知,位于淤泥质土中的挡墙,齿长为0.35m和0.5m时的极限被动土压力分别为1.21kN和2.09kN,而由朗肯土压力理论所得被动土压力分别为1.47kN和2.50kN,实测值为理论值的82%和84%.同样粉质土中齿长为0.35m和0.5m的实测被动土压力分别为2.05kN和3.72kN,理论土压力值分别为2.96kN和5.03kN,实测值为理论值的69%和74%.由此可见,用朗肯土压力理论计算被动土压力时,应作适当折减,其折减系数视土质条件而定,当土质条件较差时,较易达到理论土压力值。 +^YXqOXU
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3.6 墙重与极限抗滑力之关系 图5为极限抗滑力随墙重而变化的关系曲线,各直线与纵轴之交点,即为凝聚力(无齿坎时)及凝聚力和被动土压力(有齿)之作用,由此可推求两种土质的凝聚力分别为2.025kPa和3.025kPa;淤泥质土中的齿长为0.35m和0.5的被动土压力值分别为1.24kN和2.13kN,粉质土中的齿长为0.35m的被动土压力值为2.0kN,与实测值相吻合。 ]tL9 y<
4 结论 nellN}jYsM
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图5 极限推力与墙重之间关系 j{SRE1tqh
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通过一系列的模型试验,较系统地研究了齿坎对重力式挡墙所起的基底抗滑作用,经过对试验结果的理论分析,可得出如下几点结论: \RyOexNZ
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(1)位于软弱地基中的无齿挡墙,当墙重较小时,极限抗滑力与基底压力分布无关,但当墙重较大时,基底压力分布对极限抗滑力产生较大的影响,此时表现为倾斜荷载作用下的地基稳定性; 3t5`,R1@t
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(2)当挡土结构物设置齿坎时,由于齿坎的嵌固作用,不同程度地改善了地基的承载能力,地基的稳定性有较大幅度的提高,为此,在特别软弱的地基中建造挡土墙,应优先考虑设置齿坎; CTQF+Oe8O
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(3)随着墙重的增加,挡土墙的抗滑力近似地呈线性增加; )4>M<BO
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(4)位于淤泥质粘土地基中的齿坎式挡墙,随着齿长的增加,其抗滑作用明显增加,而在粉质土中时,其抗滑力与齿长呈线性关系,说明在软弱地基中齿坎的抗滑作用尤为显著; ,y>,?6:>
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(5)分析挡土墙达到极限破坏时的水平位移,可得,由于齿坎的存在,挡墙允许产生较大的水平位移;当齿坎式挡墙达到基底滑动破坏时,齿前的被动土压力值比朗肯被动土压力值要小,存在着折减系数,其值可取0.7左右,而基底抗滑力完全可按土的抗剪强度理论计算,土体强度指标宜取固结不排水剪或固结快剪强度指标。