包坤業 鄭方 井浩

青海省交通職業技術學院 西安建築科技大學土木建築工程學院

摘 要：為了研究新型公路搶修技術波紋鋼擋土牆的受力變形特性，設計了高3 m、寬1.2 m、牆後填土深4 m的波紋鋼擋土牆等比例模型試驗。牆後填土分層填築，填築過程中監測牆板應力變化、牆後填土土壓力變化、牆板位移變化、拉筋帶應變變化，得到相應的受力變形規律。隨著填土高度的增加，波紋鋼板應力狀態呈現出「S」型的微變形狀態，作用在擋土牆上的土壓力呈現出反「S」型的變化狀態。隨著填土高度的增加，牆板向外位移量由下向上逐漸變大，而後逐漸趨於穩定；底部拉筋帶應變量大，靠近波紋鋼面板的拉筋帶的應變量也大，而遠離牆板的拉筋帶的應變量小。因此建議，施工時牆板應向內做適當的傾斜；設計時拉筋帶宜下密上疏。該研究成果，對實際工程設計和施工具有一定的指導意義。

關鍵詞：波紋鋼擋土牆;等比例模型;應力;應變;位移;

基金：青海省科技項目，項目編號2018-ZJ-733;

青海省東部地區地處黃土高原和青藏高原的過渡帶，丘陵、河谷高陡斜坡段多有泥石流發生[1],主要交通幹線不同程度地會受到泥石流的危害或威脅，對於受災路段一般需要採用擋土牆支擋的方式來進行搶修。而傳統的重力式擋土牆依靠牆身的自重來抵抗側向土壓力，牆身斷面大、圬工量大、施工周期長，且在高寒地區施工難度較大，難以滿足對受災路段進行快速搶修的要求。因此，迫切需要一種施工方便簡潔、施工周期短的輕型擋土牆技術對受災路段進行快速搶修[2,3]。

波紋鋼結構擋土牆是一種新型的輕型擋土牆，較一般輕型擋土牆更具有優勢，也更具有廣闊的應用前景。波紋鋼結構是一種柔性結構，施工簡單且施工工期短。波紋鋼板已廣泛應於高層建築、涵管、拱橋等工程設計中[4],且已有眾多學者對波紋鋼板在工程應用中的應力應變行為進行了分析和研究。比如：王壚濤[5]、李靚姣[6]、李雅楠[7]、Berman等[8]分別利用數值模擬、理論分析、試驗的方法對波紋鋼板剪力牆的受力特性進行了研究；李百建等[9]、李祝龍等[10]、馮麗[11]分別利用試驗和數值分析方法研究了波紋鋼結構在管涵中對承載力的貢獻；劉保東等[12]、李鵬[13]、Bęben等[14]對波紋鋼板作為拱橋應用時的受力特點進行了分析和研究。

但是對於波紋鋼作為擋牆結構方面的研究比較少，僅有許江波等[15]、梁俊偉等[16]、李元慶等[17]分別利用數值模擬的方式研究了波紋鋼擋土牆填土完成後擋牆的受力變形規律。但是波紋鋼擋牆試驗研究方面的數據是缺乏的，因此本文設計了波紋鋼擋土牆的等比例模型試驗，真實模擬牆後填土分層填築時的工況，監測填土時牆板的應力應變，研究波紋鋼擋牆的受力變形特徵，對實際工程設計和施工具有一定的指導意義。

1 波紋鋼擋土牆等比例模型

擋土牆面板採用波紋鋼板，基礎採用直埋方式，直埋深度為1.500 m, 基礎以上波紋板擋土牆面板高3 m、寬1.2 m, 牆後填土深4 m。圖1所示為波紋鋼擋土牆等比例模型。其中波紋鋼擋土牆面板為工廠內標準化加工而成，詳細面板參數見表1。

圖1 波紋鋼擋土牆等比例模型 下載原圖

表1 波紋鋼面板參數 導出到EXCEL

如圖2擋土牆的結構示意圖所示，沿垂直方向布設4層拉筋帶，每層拉筋帶豎向間距為0.7 m; 第一層拉筋帶以距離地面0.4 m起開始布設，且沿水平方向每層布設3條拉筋帶，水平間距為0.6 m; 拉筋帶經由錨拉板固定。拉筋帶採用塑鋼拉筋帶，詳細參數見表2。

圖2 擋土牆結構示意 下載原圖

表2 塑鋼拉筋帶參數 導出到EXCEL

2 測試儀器及測點布置

2.1測試儀器

(1)振弦式應變計。

應變計用於監測波紋鋼板受到的縱向和橫向的空間應力分布。測量範圍為拉應變1 000 με、壓應變1 500 με;解析度≤0.015%F·S;綜合誤差≤1.5%F·S;工作溫度範圍為-25℃～+60℃。

(2)振弦式土壓力盒。

土壓力盒用於監測牆后土壓力，採用振弦理論設計製造，具有高靈敏度、高精度、高穩定性的優點，適於長期觀測。測量範圍為0.2 MPa; 解析度≤0.08%F·S;綜合誤差≤1.5%F·S;工作溫度範圍為-25℃～+60℃。

(3)固定式測斜儀。

固定式測斜儀主要用於監測波紋鋼板擋土牆的水平和垂直的移動，從而判斷牆面傾斜變化。標稱量程為±30°;解析度為2.8″;線性度為0.02%F·S;重複性為0.003%F·S;工作電壓為DC12 V;靜態電流為80 mA@25℃;工作溫度範圍為-20℃～+50℃;耐水壓為1.5 MP。

(4)應變片。

應變片用於監測拉筋帶應力應變，是由敏感柵等構成用於測量應變的元件，使用時將其牢固地粘貼在構件的測點上。構件受力後由於測點發生應變，敏感柵也隨之變形而使其電阻發生變化，再由專用儀器測得其電阻變化大小，並轉換為測點的應變值。測量範圍為拉應變1 000 με、壓應變1 500 με;解析度為≤0.015%F·S;綜合誤差為≤1.5%F·S;電阻值為120 Ω。

2.2測點布置

(1)牆板應力監測點布設。

對於牆板應力的監測，共布設2個監測斷面。即在波紋鋼面板中部的波峰處設置1個監測斷面，另在板片拼接處的兩側布設1個監測斷面。沿豎向間隔0.6 m布設應變計，如圖3所示。

(2)土壓力監測點布設。

對擋土牆的填土部分進行土壓力測試，測點自下往上根據拉筋帶豎向布置間隔，每間隔0.6 m布置測點，共布設2個監測斷面，如圖3所示。

圖3 牆板應力和土壓力監測點布設示意 下載原圖

(3)牆板位移監測點布設。

牆板位移監測斷面共1個，在沿波紋鋼面板寬的1/3處布設測斜管，其高度與波紋鋼板相同，如圖4所示。在測斜管內安裝固定式測斜儀，用來量測波紋鋼面板的傾斜程度，以監測牆後施做每層填土時波紋鋼擋土牆的水平和垂直的移動。

圖4 測斜管的固定 下載原圖

(4)拉筋帶應變測點布設。

在水平方向上每層布設有3條拉筋帶，只在其中2條上布設應變測點，即沿板寬的1/2和1/4斷面處布設。在此2個測試斷面上的每條拉筋帶上均勻布設4片應變片，應變片間距為0.8 m, 如圖5所示。拉筋帶上布設的應變測點共計32個。試驗過程中牆後填土共分5層進行填築，並進行夯實。每填築並夯實一層填土後，在其上鋪設拉筋帶，並測試拉筋帶各點的應變值。

3 試驗結果分析

3.1牆板應力測試結果

每填築0.6 m並壓實後，進行各個點的測試及數據記錄。各個點測試3次，並取其平均值作為該測點的測試值，根據應變測試結果計算得到相應的應力值。圖6給出了波紋鋼板中部處測試所得的應力變化情況。

圖5 應變片測點的布設 下載原圖

圖6 波紋鋼板波峰處的應力變化 下載原圖

從圖6可以看出，第一層回填土壓實以後，受到側向土壓作用，底部壓應力有所降低；隨著填土高度的增加，由於波紋鋼板自身剛度和基礎部分的限制作用，波紋鋼板底部的受力狀態逐步由受壓狀態變為受拉狀態，反彎點也逐漸升高。在反彎點升高的同時，波紋鋼板、回填土體之間由於受到拉筋帶的限制，最終呈現出「S」型的微變形狀態，波紋鋼板上部也逐漸呈現出受壓的應力狀態。

3.2土壓力測試結果分析

圖7所示為距離擋牆頂部分別為3.0 m、2.4 m、1.8 m、1.2 m、0.6 m處波紋鋼板所受的側向土壓力變化情況。虛線為回填第一層土體時各處的側向土壓力變化，實線為填土完成後各處的側向土壓力變化。

由圖7可以看出，在填土作用下，擋牆底部各處的土壓力增大；隨著填土完成，作用在擋土牆上的土壓力逐漸呈現出反「S」型的狀態，即在底部先增大到75 kPa、然後又減小到20 kPa, 並在距離頂部1.5 m左右達到土壓力的最大值約為120 kPa, 最後隨著高度繼續升高而逐漸減小。

圖7 波紋鋼板所受側向土壓力的變化 下載原圖

分析認為，隨著填土高度增加擋牆底部的土壓力有所降低，主要是受到擋牆基礎部分的彈性轉動影響。由於波紋鋼板的彈性變形釋放了一定的側向土壓力，使得原有的側向土壓力有所降低。而筋帶限制了上部波紋鋼板的轉動變形，在其自身剛彈性作用下，對上部的牆後填土產生了擠壓，土體內部受到主動土壓力作用，進而導致上部土壓力增大。這與牆板應力測試結果較為一致。這也說明拉筋帶對擋牆起到了明顯的約束作用。

3.3牆板位移測試結果

隨著波紋鋼擋牆的牆后土體的分層鋪設，測得鋼波紋板擋土牆的水平和豎向的位移。由於豎向位移非常小，可忽略不計，因此圖8給出波紋鋼擋牆的水平位移變化情況。

圖8 波紋鋼擋牆的水平位移變化 下載原圖

圖8所示為距離波紋鋼板頂部分別為0.92 m、1.42 m、1.92 m、2.42 m、3.0 m處所測得的位移值，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為填土前、第一層回填完成後、第二層回填完成後、第三層回填完成後、第四層回填完成後、第五層回填完成後的測試結果。圖8中虛線為基準線，只是計算參考線並無實際意義；實線為牆板位移線。

從圖8可以看出，隨著牆後回填土的逐層鋪設，波紋鋼擋牆開始外移。第一層填土回填完成後，牆板的向外位移量由下向上逐漸變大；第二層填土回填完成後，牆板各點上的外移量最大，頂部的位移差值達到4.3 mm; 隨著第三、四、五層牆後填土回填完成，牆板各點上的向外位移量逐漸趨於穩定。

分析認為，在底部進行填土時，隨著填土高度的增加，牆板向外位移量由下向上逐漸變大，主要是牆板受到牆后土壓力作用後產生彈性轉動造成的，規律符合懸臂板的位移規律。當填土接近牆高的一半時，牆板各點上的向外位移量最大。這是由於隨著填土高度增加，牆板上的土壓力增大，而此時拉筋帶還沒有充分發揮作用。當填土超過牆高的一半後，牆板各點上的向外位移量逐漸趨於穩定。這是因為各層拉筋帶的牽拉作用得到充分發揮，使得牆板位移受到限制，甚至在上部出現向內的偏移。這與前述牆板「S」型微變形狀態的分析結果一致。

因此，在施工波紋鋼板擋牆時，牆板應向內做適當的傾斜。

3.4拉筋帶應變測試結果

圖9(a)、圖9(b)分別給出了沿板寬的1/2和1/4斷面處第一層拉筋帶各測點應變值隨填土層數增加的變化，可以看出測點距離波紋鋼面板越近應變量越大，且隨著填土層數的增加應變量呈現出先減小再增大然後再減小的變化趨勢。同時可以看出，沿板寬1/4斷面處的應變量比1/2斷面處的大。

圖9 第一層拉筋帶應變變化 下載原圖

圖10(a)、圖10(b)分別給出了沿板寬的1/2和1/4斷面處第二層拉筋帶各測點應變值隨填土層數增加的變化，可以看出同樣也是測點距離波紋鋼面板越近應變量略大，且隨著填土層數的增加應變量呈現出先增大然後再減小的變化趨勢；但是相較於第一層拉筋帶各測點的應變量，第二層拉筋帶各測點的應變量變化量差值變小。同時可以看出，沿板寬1/2斷面處的應變量比1/4斷面處的大。

圖10 第二層拉筋帶應變變化 下載原圖

圖11(a)、圖11(b)分別給出了沿板寬的1/2和1/4斷面處第三層拉筋帶各測點應變值隨填土層數增加的變化，可以看出整體隨著填土層數的增加應變量變化趨於穩定；有個別規律差別較大，可能是由於測試過程中出現了失誤造成的。

圖12(a)、圖12(b)分別給出了沿板寬的1/2和1/4斷面處第四層拉筋帶各測點應變值隨填土層數增加的變化，可以看出隨著填土層數的增加應變量在減小。

分析認為，底部拉筋帶受到的拉應力最大。這是由於擋牆底部所受到的土壓力最大，故波紋鋼板施加給拉筋帶的拉力也最大。靠近波紋鋼面板的拉筋帶直接承受拉力，故應變量大。由於拉筋帶與擋牆後填土間的摩擦阻力使得遠離牆板的拉筋帶軸力變小，故應變值小。綜合分析，在設計拉筋帶布置方案時，宜下密上疏。

圖11 第三層拉筋帶應變變化 下載原圖

圖12 第四層拉筋帶應變變化 下載原圖

4 結語

本文設計了波紋鋼擋土牆等比例模型試驗，對牆後填土填築過程中牆板應力變化、牆後填土土壓力變化、牆板位移變化及拉筋帶應變變化進行了分析，得到以下結論。

(1)隨著填土高度的增加波紋鋼板底部的應力狀態逐步由受壓狀態變為受拉狀態，且反彎點也逐漸升高，最終呈現出「S」型的微變形狀態，波紋鋼板上部也逐漸呈現出受壓狀態。

(2)隨著波紋鋼擋牆後填土的逐層回填，作用在擋土牆上的土壓力呈現出反「S」型的變化狀態，即呈現出在底部先增大到某一值後又減小、而後增大達到最大值後又逐漸減小的變化趨勢。

(3)隨著填土高度的增加，牆板向外位移量由下向上逐漸變大，當填土接近牆高的一半時，牆板各點上的向外位移量最大；當填土超過牆高的一半後，牆板各點上的向外位移量逐漸趨於穩定。因此建議在施工鋼波紋板擋牆時，牆板應向內做適當的傾斜。

(4)波紋鋼擋土牆底部拉筋帶受到的拉應力最大，應變量大；靠近波紋鋼面板的拉筋帶直接承受拉力，應變量大；而遠離牆板的拉筋帶軸力變小，應變量小。因此，建議在設計拉筋帶布置方案時，拉筋帶宜採用下密上疏方式布置。

參考文獻

[1] 趙東亮，蘭措卓瑪，侯光良，等.青海省河湟谷地地質災害易發性評價[J].地質力學學報，2021,27(1):83-95.

[2] 羅渝，許強，何思明，等.重力式擋牆加固邊坡的動力穩定性分析[J].工程力學，2013,30(9):132-138.

[3] 范永豐.公路擋土牆的設計方法及優化研究[D].湖南大學，2003.

[4] 陳昌偉.波形鋼板結構及其在公路工程中的應用[J].公路，2000,(7):48-54.

[5] 王壚濤.鋼板剪力牆波形內嵌牆板受力性能研究和設計方法[D].北京交通大學，2019.

[6] 李靚姣.波浪形鋼板牆的受力性能及設計方法研究[D].清華大學，2012.

[7] 李雅楠.波紋鋼板剪力牆體系的抗側性能分析及設計方法研究[D].天津大學，2017.

[8] Berman J W,Bruneau M.Experimental investigation of light-gauge steel plate shear walls[J].Journal of Structural Engineering,2005,131(2):259-267.

[9] 李百建，朱良生，李勇，等.小波形波紋鋼加固混凝土管涵的試驗研究[J].華南理工大學學報：自然科學版，2020,48(2):58-68.

[10] 李祝龍，劉百來，李自武.鋼波紋管涵洞力學性能現場試驗研究[J].公路交通科技，2006,23(3):79-82.

[11] 馮麗.考慮土—結相互作用的覆土波紋鋼板圓管涵的力學性能分析[D].北京交通大學，2010.

[12] 劉保東，尹航，馮芝茂，等.基於土-鋼共同作用模型的覆土波紋鋼板拱橋施工過程受力分析[J].北京交通大學學報，2009,33(4):65-68.

[13] 李鵬.大跨徑覆土波紋鋼板橋涵受力特點與設計對策研究[D].北京交通大學，2015.

[14] Bᶒben D,Maẽko Z.Static tests on road bridge made from steel corrugated plates[J].Stahlbau,2007,76(6):381-390.

[15] 許江波，李建國，費東陽，等.波紋鋼擋土牆的受力變形特性分析[C]//土木工程新材料、新技術及其工程應用交流會論文集(下冊).[出版者不詳],2019:1059-1062+1126.DOI:10.26914/c.cnkihy.2019.046328.

[16] 梁俊偉，郭昆，韓麗娟，等.基於等面積圓D-P屈服準則的波紋板擋土牆應用研究[J].青海交通科技，2019,(2):99-102.

[17] 李元慶，梁俊偉，郭昆，等.基於破壞準則差異的波紋板擋牆應用分析[J].青海交通科技，2019,(1):65-68.

聲明：我們尊重原創，也注重分享。有部分內容來自網際網路，版權歸原作者所有，僅供學習參考之用，禁止用於商業用途，如無意中侵犯了哪個媒體、公司、企業或個人等的智慧財產權，請聯繫刪除，另本頭條號推送內容僅代表作者觀點，與頭條號運營方無關，內容真偽請讀者自行鑑別，本頭條號不承擔任何責任。