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[摘要] 本文提出在采动区使用双面加筋土挡墙的可能性，采用室内模型试验研究在不均匀沉降条件下，双面加筋土挡墙的基底附加应力、挡墙水平位移、面板水平附加应力、筋带差异沉降和筋带附加轴力的变化规律，研究结果表明各研究参数的变化值与不均匀沉降量基本成线性关系。
[关键词] 双面加筋土挡墙模型试验
[Abstract] This paper research on possibility that using the double reinforced earth retaining walls in subsidence area.Through laboratory model test, Studying the additional stress of basement, the horizontal displacement,the additional stress on panel,the differential settlement of bar strip and the additional axial force of double reinforced earth retaining walls on the condition of differential settlement. There are linear relationship between change value of being study parameters and differential settlement volume.
[Keywords] Double Reinforced EarthRetaining Walllaboratory model test
引言
随着煤炭消耗的增加，地下储量的减少，我国许多新建矿区或老矿区的开采范围将延伸到密集的城市、村庄、河堤、道路和桥梁下面。另一方面，随着国民经济的发展，要进行大量基础设施建设，由于条件的限制，一些河堤、道路和桥梁等建（构）筑物不得不建在塌陷地上，如京福高速公路穿越徐州市塌陷地，淮南矿区也有许多桥梁和公路线建在塌陷地上[1-2]，路堤需要加高，占用较多的土地，为了减少占用土地可以采用双面加筋挡土墙[3-5]，但是，对采动区双面加筋挡土墙研究甚少，为此笔者通过试验研究了双面加筋挡土墙结构在采动区的受力特性，为其设计、施工和结构的进一步推广和应用提供借鉴。
1.双面加筋土挡墙物理模型试验设计
1.1相似准则的推导
原型与模型的相似常数包括几何相似常数、应力相似常数、应变相似常数、位移相似常数、弹模相似常数、泊松比相似常数、边界力相似常数，体积力相似常数、容重相似常数。若将应力、应变、位移分别带入结构平衡方程、几何方程和物理方程可得如下相似准则：
在模拟试验中，使用与实际相同得回填材料、加筋材料和面板材料，即＝1，=1；模型中墙的高度和宽度均为50cm，考虑实际试验条件的限制，选取＝20，则筋带尺寸为50cm×1cm×0.01cm，面板厚度为0.1mm，竖向布筋间距2.5cm，纵向布筋间距6cm。考虑＝1，＝20则＝20；又因为=1，则=20。
1.2装置
根据试验的目的，设计试验装置。试验装置主要包括：试验台、沉降系统、各层筋带应变测量系统、挡墙面板位移测量系统和数据采集系统。试验装置系统图如图1所示，试验装置实物照片见图2。
图1 试验装置系统图
图2 试验装置实物照片
1.2.1试验台
由于时间较紧张并且研究经费和试验条件有限。根据试验目的和要求，结合实验室已有的设备，采用1.5m×1.5 m×1.5 m钢架和三面用木板一面用透明有机玻璃板围成的方形箱体作为试验台进行本次试验。
1.2.2沉降系统
沉降系统由9个120×120的方形木盒和9个千斤顶组成。保持中间一千斤顶不动，沉降两侧4个千斤顶，模拟地表正曲率变形；保持最外侧两千斤顶不动，沉降中间7个千斤顶，模拟地表负曲率变形。如图3所示，所用千斤顶最大可控位移为15cm。
图3 沉降系统
1.2.3加载系统
本次试验采用堆载方式模拟车辆荷载，模拟双车道低等级公路，设定过汽车－20级重车（300kN），车辆长度为5.6m。由式1和相似准则可知，所加荷载换算成回填材料厚度为2.73cm。
（1）
式中：
G -每一輛车（汽车荷载取重车）的重力（kN）；
n－横向分布的车辆数，一般取车道数；
－ 填料的容重（）；
B－ 车辆荷载的横向分布宽度（m）；
－ 车辆荷载的横向分布长度（m），汽车－20级重车（300kN）为5.6m。
1.2.4试验测试和数据采集系统
根据本试验的内容和要求，需要测试的内容有筋带应变、面板水平位移、面板水平土压力等。筋带应变通过贴在筋带的应变片测得；面板位移通过位移计测得；面板水平土压力和挡墙基底压力由压力盒测得；筋带差异沉降量可通过数字照相技术得到。
2.试验结果分析
本试验对模型进行了测试，在正负曲率不均匀沉降下，分别测试模型的应变、应力、位移。
2.1负曲率沉降
利用试验台下的9个千斤顶控制沉降，保持最外侧两千斤顶不动，沉降中间7个千斤顶，控制最大沉降量分别为1cm，2cm，3cm，4cm，5cm。待沉降稳定后，利用DH3815数据采集仪采集不同状态下的各个变量。
2.1.1基底附加应力分析
根据测试数据可知，在发生负曲率不均匀沉降后，基底附加应力曲线形成一条中间部位向上突起，沿挡墙中心线对称的曲线。即挡墙底部中间部位应力会相应增加，两边位置应力会相应减少。
由图3可知：随着沉降量的增加，挡墙基底中部的应力会不断的增加，增加量分别为0.85kPa，1.455kPa，2.745kPa，3.665kPa，4.585kPa；挡墙基底两侧的应力减小量也会不断的增加，减小量分别为-0.45kPa，-1.1kPa，-1.58kPa，-2.35kPa，-3.4kPa。
图3 不均匀沉降量与基底附加应力的关系
2.1.2水平附加应力分析
图4 不均匀沉降量与水平附加应力的关系
随着不均匀沉降量的不断增加，挡墙上部面板所受附加土压力减小量会不断增加，而挡墙下部面板所受附加土压力会不断增加，下部面板附加应力增加量要远大于上部面板的压力减小量。由图4可知，当不均匀沉降量为别为1cm，2cm，3cm，4cm，5cm时，对应的挡墙下部附加应力为1965Pa，4075Pa，5650Pa，7850Pa，10583.5Pa。
2.1.3筋带附加轴力分析
由图5可知，随着不均匀沉降量的增加，筋带附加轴力减小量均有所增加，当沉降量达到5cm时，第2、6、10、14、20层筋带的附加轴力分别为：-0.0093N，-0.0497N，-0.198N，-0.546N，-1.11N。
图5不均匀沉降量与附加轴力的关系
2.2正曲率沉降
利用试验台下的9个千斤顶控制沉降，保持最中间一个千斤顶不动，沉降其两侧8个千斤顶，控制最大沉降量分别为1cm，2cm，3cm，4cm，5cm。利用DH3815数据采集仪采集不同状态下的各个变量。
2.2.1基底附加应力
由图6可知：随着沉降量的增加，挡墙基底中部的应力会不断的减少，减少量分别为-0.93kPa，-1.87kPa，-2.82kPa，-3.765kPa，-4.71kPa；挡墙基底两侧的应力会不断的增加，增加量分别为1.35kPa，2.1kPa，2.67kPa，3.55kPa，5.94kPa。
图6不均匀沉降量与基底附加应力的关系
2.2.2挡墙水平附加应力
随着不均匀沉降量的不断增加，挡墙上部面板所受土压力不断减小，而挡墙下部面板所受土压力会不断增加，下部面板附加应力增加量要远大于上部面板的压力减小量。由图7可知，当不均匀沉降量为别为1cm，2cm，3cm，4cm，5cm时，对应的挡墙下部附加应力为1582.8Pa，2066.5Pa，4482.8Pa，6676.5Pa，8292.5Pa。
图7不均匀沉降量与水平附加应力的关系
2.2.3筋带附加轴力
由图2-28可知，随着不均匀沉降量的增加，筋带附加轴力均有所增加，当沉降量达到5cm时，第2、6、10、14、20层筋带的附加轴力分别为：-0.004N，0.064N，0.23N，0.71N，1.128N。
图8 不均匀沉降量与附加轴力的关系
3.结论
本文采用相似模型试验，根据相似准则确定了模型尺寸和试验方案。通过室内模型试验，研究在不均匀沉降条件下，挡墙基底附加压力变化规律、挡墙水平位移变化规律、挡墙水平附加应力变化规律、挡墙筋带差异沉降规律和筋带附加轴力变化规律。
（1）当产生负曲率变形时，基底附加应力为一条向上突起的曲线，挡墙中心位置压力增加了4.585kPa，基底压力约为原土自重的146.8％，挡墙最外侧压力减小了3.4kPa，基底压力约为原土自重的65.3％；当产生正曲率变形时，基底附加应力为一条向下凹的曲线，挡墙中心位置压力减小了4.71kPa,基底压力约为原土自重的51.9％，挡墙最外侧压力增加了5.94kPa，基底压力约为原土自重的160.6％。
（2）當产生负曲率变形时，挡墙下部筋带产生附加轴力为负，即筋带产生的拉应力会减小；当产生正曲率变形时，挡墙下部筋带产生附加轴力为正，即筋带所受拉力会增大，因此，对于正曲率变形条件下，筋带受力状态更为不利。
（3）随着差异沉降量的不断增加，挡墙基底附加应力、水平位移、水平附加应力、筋带差异沉降量和筋带附加轴力均呈线性增加。
参考文献：
[1]Hoe I Ling,Dov Leshchinsky,Fulmio Tatsuoka. Reinforced Soil Engineering Advances inResearch and Practice[J]. Marcel Dekker, INC. 2003.
[2]何春光，周世良.加筋土技术的应用及进展[J]. 重庆建筑大学学报，2001,23(5):11-15.
[3]时钟伦.回顾我国加筋土挡墙的发展概况[J]. 路基工程，1991,35(5): 67-72.
[4]蔡锦陶.国内加筋土技术的发展及应用田. 煤矿设计，1998(7): 37-41.
[5]吕文良.加筋土挡墙研究现状综述[J].市政技术，2003,21(2): 92-97.
作者简介：
柏永生（1983—），男，江苏盐城人，硕士。
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
[关键词] 双面加筋土挡墙模型试验
[Abstract] This paper research on possibility that using the double reinforced earth retaining walls in subsidence area.Through laboratory model test, Studying the additional stress of basement, the horizontal displacement,the additional stress on panel,the differential settlement of bar strip and the additional axial force of double reinforced earth retaining walls on the condition of differential settlement. There are linear relationship between change value of being study parameters and differential settlement volume.
[Keywords] Double Reinforced EarthRetaining Walllaboratory model test
引言
随着煤炭消耗的增加，地下储量的减少，我国许多新建矿区或老矿区的开采范围将延伸到密集的城市、村庄、河堤、道路和桥梁下面。另一方面，随着国民经济的发展，要进行大量基础设施建设，由于条件的限制，一些河堤、道路和桥梁等建（构）筑物不得不建在塌陷地上，如京福高速公路穿越徐州市塌陷地，淮南矿区也有许多桥梁和公路线建在塌陷地上[1-2]，路堤需要加高，占用较多的土地，为了减少占用土地可以采用双面加筋挡土墙[3-5]，但是，对采动区双面加筋挡土墙研究甚少，为此笔者通过试验研究了双面加筋挡土墙结构在采动区的受力特性，为其设计、施工和结构的进一步推广和应用提供借鉴。
1.双面加筋土挡墙物理模型试验设计
1.1相似准则的推导
原型与模型的相似常数包括几何相似常数、应力相似常数、应变相似常数、位移相似常数、弹模相似常数、泊松比相似常数、边界力相似常数，体积力相似常数、容重相似常数。若将应力、应变、位移分别带入结构平衡方程、几何方程和物理方程可得如下相似准则：
在模拟试验中，使用与实际相同得回填材料、加筋材料和面板材料，即＝1，=1；模型中墙的高度和宽度均为50cm，考虑实际试验条件的限制，选取＝20，则筋带尺寸为50cm×1cm×0.01cm，面板厚度为0.1mm，竖向布筋间距2.5cm，纵向布筋间距6cm。考虑＝1，＝20则＝20；又因为=1，则=20。
1.2装置
根据试验的目的，设计试验装置。试验装置主要包括：试验台、沉降系统、各层筋带应变测量系统、挡墙面板位移测量系统和数据采集系统。试验装置系统图如图1所示，试验装置实物照片见图2。
图1 试验装置系统图
图2 试验装置实物照片
1.2.1试验台
由于时间较紧张并且研究经费和试验条件有限。根据试验目的和要求，结合实验室已有的设备，采用1.5m×1.5 m×1.5 m钢架和三面用木板一面用透明有机玻璃板围成的方形箱体作为试验台进行本次试验。
1.2.2沉降系统
沉降系统由9个120×120的方形木盒和9个千斤顶组成。保持中间一千斤顶不动，沉降两侧4个千斤顶，模拟地表正曲率变形；保持最外侧两千斤顶不动，沉降中间7个千斤顶，模拟地表负曲率变形。如图3所示，所用千斤顶最大可控位移为15cm。
图3 沉降系统
1.2.3加载系统
本次试验采用堆载方式模拟车辆荷载，模拟双车道低等级公路，设定过汽车－20级重车（300kN），车辆长度为5.6m。由式1和相似准则可知，所加荷载换算成回填材料厚度为2.73cm。
（1）
式中：
G -每一輛车（汽车荷载取重车）的重力（kN）；
n－横向分布的车辆数，一般取车道数；
－ 填料的容重（）；
B－ 车辆荷载的横向分布宽度（m）；
－ 车辆荷载的横向分布长度（m），汽车－20级重车（300kN）为5.6m。
1.2.4试验测试和数据采集系统
根据本试验的内容和要求，需要测试的内容有筋带应变、面板水平位移、面板水平土压力等。筋带应变通过贴在筋带的应变片测得；面板位移通过位移计测得；面板水平土压力和挡墙基底压力由压力盒测得；筋带差异沉降量可通过数字照相技术得到。
2.试验结果分析
本试验对模型进行了测试，在正负曲率不均匀沉降下，分别测试模型的应变、应力、位移。
2.1负曲率沉降
利用试验台下的9个千斤顶控制沉降，保持最外侧两千斤顶不动，沉降中间7个千斤顶，控制最大沉降量分别为1cm，2cm，3cm，4cm，5cm。待沉降稳定后，利用DH3815数据采集仪采集不同状态下的各个变量。
2.1.1基底附加应力分析
根据测试数据可知，在发生负曲率不均匀沉降后，基底附加应力曲线形成一条中间部位向上突起，沿挡墙中心线对称的曲线。即挡墙底部中间部位应力会相应增加，两边位置应力会相应减少。
由图3可知：随着沉降量的增加，挡墙基底中部的应力会不断的增加，增加量分别为0.85kPa，1.455kPa，2.745kPa，3.665kPa，4.585kPa；挡墙基底两侧的应力减小量也会不断的增加，减小量分别为-0.45kPa，-1.1kPa，-1.58kPa，-2.35kPa，-3.4kPa。
图3 不均匀沉降量与基底附加应力的关系
2.1.2水平附加应力分析
图4 不均匀沉降量与水平附加应力的关系
随着不均匀沉降量的不断增加，挡墙上部面板所受附加土压力减小量会不断增加，而挡墙下部面板所受附加土压力会不断增加，下部面板附加应力增加量要远大于上部面板的压力减小量。由图4可知，当不均匀沉降量为别为1cm，2cm，3cm，4cm，5cm时，对应的挡墙下部附加应力为1965Pa，4075Pa，5650Pa，7850Pa，10583.5Pa。
2.1.3筋带附加轴力分析
由图5可知，随着不均匀沉降量的增加，筋带附加轴力减小量均有所增加，当沉降量达到5cm时，第2、6、10、14、20层筋带的附加轴力分别为：-0.0093N，-0.0497N，-0.198N，-0.546N，-1.11N。
图5不均匀沉降量与附加轴力的关系
2.2正曲率沉降
利用试验台下的9个千斤顶控制沉降，保持最中间一个千斤顶不动，沉降其两侧8个千斤顶，控制最大沉降量分别为1cm，2cm，3cm，4cm，5cm。利用DH3815数据采集仪采集不同状态下的各个变量。
2.2.1基底附加应力
由图6可知：随着沉降量的增加，挡墙基底中部的应力会不断的减少，减少量分别为-0.93kPa，-1.87kPa，-2.82kPa，-3.765kPa，-4.71kPa；挡墙基底两侧的应力会不断的增加，增加量分别为1.35kPa，2.1kPa，2.67kPa，3.55kPa，5.94kPa。
图6不均匀沉降量与基底附加应力的关系
2.2.2挡墙水平附加应力
随着不均匀沉降量的不断增加，挡墙上部面板所受土压力不断减小，而挡墙下部面板所受土压力会不断增加，下部面板附加应力增加量要远大于上部面板的压力减小量。由图7可知，当不均匀沉降量为别为1cm，2cm，3cm，4cm，5cm时，对应的挡墙下部附加应力为1582.8Pa，2066.5Pa，4482.8Pa，6676.5Pa，8292.5Pa。
图7不均匀沉降量与水平附加应力的关系
2.2.3筋带附加轴力
由图2-28可知，随着不均匀沉降量的增加，筋带附加轴力均有所增加，当沉降量达到5cm时，第2、6、10、14、20层筋带的附加轴力分别为：-0.004N，0.064N，0.23N，0.71N，1.128N。
图8 不均匀沉降量与附加轴力的关系
3.结论
本文采用相似模型试验，根据相似准则确定了模型尺寸和试验方案。通过室内模型试验，研究在不均匀沉降条件下，挡墙基底附加压力变化规律、挡墙水平位移变化规律、挡墙水平附加应力变化规律、挡墙筋带差异沉降规律和筋带附加轴力变化规律。
（1）当产生负曲率变形时，基底附加应力为一条向上突起的曲线，挡墙中心位置压力增加了4.585kPa，基底压力约为原土自重的146.8％，挡墙最外侧压力减小了3.4kPa，基底压力约为原土自重的65.3％；当产生正曲率变形时，基底附加应力为一条向下凹的曲线，挡墙中心位置压力减小了4.71kPa,基底压力约为原土自重的51.9％，挡墙最外侧压力增加了5.94kPa，基底压力约为原土自重的160.6％。
（2）當产生负曲率变形时，挡墙下部筋带产生附加轴力为负，即筋带产生的拉应力会减小；当产生正曲率变形时，挡墙下部筋带产生附加轴力为正，即筋带所受拉力会增大，因此，对于正曲率变形条件下，筋带受力状态更为不利。
（3）随着差异沉降量的不断增加，挡墙基底附加应力、水平位移、水平附加应力、筋带差异沉降量和筋带附加轴力均呈线性增加。
参考文献：
[1]Hoe I Ling,Dov Leshchinsky,Fulmio Tatsuoka. Reinforced Soil Engineering Advances inResearch and Practice[J]. Marcel Dekker, INC. 2003.
[2]何春光，周世良.加筋土技术的应用及进展[J]. 重庆建筑大学学报，2001,23(5):11-15.
[3]时钟伦.回顾我国加筋土挡墙的发展概况[J]. 路基工程，1991,35(5): 67-72.
[4]蔡锦陶.国内加筋土技术的发展及应用田. 煤矿设计，1998(7): 37-41.
[5]吕文良.加筋土挡墙研究现状综述[J].市政技术，2003,21(2): 92-97.
作者简介：
柏永生（1983—），男，江苏盐城人，硕士。
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”