肋板式挡墙及其复合结构砂箱和离心模型试验

作     者：李元昊 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗强

授予年度：2021年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：肋板式挡墙 肋锚式桩板墙 砂箱模型试验 离心模型试验 破坏与力学作用模式 土压力 位移模式 

摘      要：支挡结构是岩土工程领域的重要研究课题,现代支挡结构逐渐从传统圬工重力式发展为采用薄壁、抗弯、加筋、锚固等高强材料的轻型结构。肋板式挡墙是一种由挡土板和肋板构成的新型支挡结构,主要依靠肋板与肋间土体的摩擦作用保持稳定;肋锚式桩板墙是肋板式挡墙和传统桩板墙的复合型支挡结构,主要部件为锚固桩、挡土板及肋板,通过锚固桩提供的抗倾覆弯矩以及肋板与肋间土体的摩擦力共同平衡土压力。目前对于肋板式挡墙及其复合结构的研究尚处于起步阶段,较为缺乏理论支撑和试验依据。基于小型砂箱模型试验,分析了肋板长度、肋板间距、锚固段长度对肋板式挡墙及肋锚式桩板墙稳定性的影响规律,探讨了两种挡墙经济合理的构造方式、破坏及力学作用模式。针对肋板式挡墙,使用自制的位移控制系统开展了土工离心模型试验,对挡土板及肋板土压力与墙体位移的关系展开研究,分析了不同墙体位移模式下,挡土板及肋板土压力分布的差异性。取得以下认识和结论:（1）使用有机玻璃挡土板和硬纸肋板制作肋板式挡墙模型,于长750mm×宽500mm×高500mm的模型箱内,针对挡土板等分线布置和挡土板中线对称布置两种肋板布置方法,开展了肋板长度80～240mm、肋板间距0～480mm、墙高500mm的肋板式挡墙砂箱模型试验,观察并记录挡墙在不同肋板长度、间距组合下的稳定与破坏情况,分析了肋板长度及间距对挡墙稳定性的影响规律及肋板式挡墙的破坏模式。（2）肋板式挡墙采用“等分挡土板中线布置法,即按肋板数量等分挡土板,将肋板布置于每个等分段中线处的构造方式,墙体稳定性最佳;引入了反映肋板对肋间土体影响范围的约束域及相应的约束系数ξ=肋板长度l/肋板间距δ,肋板对肋间土体的约束作用随着ξ增大逐渐增强,对应的墙体破坏模式分别为摩擦锚固型破坏（ξ0.64）和整体土墙型破坏（ξ0.96）,0.64≤ξ≤0.96则为过渡状态。（3）随着肋板布置逐渐密集,极限稳定状态下的模型挡墙所需肋板总面积呈增大趋势,即肋板式挡墙采用“长肋疏布的摩擦锚固型设计原则能更好的发挥刚性挡墙结构的整体稳定优势,经济性优于“短肋密布的整体土墙型。（4）针对肋锚式桩板墙,在外缘长750mm×宽500mm×高500mm的L型有机玻璃砂箱内,使用由2～3个单元体构成的模型挡墙,在肋板长度50～120mm、肋板间距167.7～250mm、锚固段长度0～100mm、墙高400mm的条件下开展了砂箱模型试验,观察并记录了挡墙在不同肋板长度、肋板间距及锚固段长度组合下的稳定与破坏情况,研究了相应因素对挡墙稳定性的影响规律,并探讨了肋锚式桩板墙的力学作用模式。（5）对于肋锚式桩板墙,通过加长肋板增强肋板的摩擦锚固效应,可相应降低锚固桩埋深;随着肋板增长和锚固段缩短,肋锚式桩板墙保持稳定的主导因素发生变化,力学作用模式按“桩锚主导型、“桩肋复合型、“肋锚主导型逐渐转变。（6）肋锚式桩板墙的合理构造方式与单位长度锚固段与肋板造价比值a有关。a0.6375的肋锚优势区,采用长肋短锚构造方式的“肋锚主导型挡墙经济性较好,而a≤0.6375的桩锚优势区则宜采用短肋长锚的“桩肋复合型构造方式。（7）在尺寸为800mm×600mm×600mm模型箱内安装自制的墙体位移控制系统,开展了肋板长度60～150mm、肋板间距150～200mm,墙高300mm的5组肋板式挡墙土工离心模型试验,并使用激光位移计和土压力传感器实时监测墙体位移、挡土板及肋板土压力,探讨了肋板布置与墙体位移模式的关系,分析了位移模式对挡土板及肋板土压力的影响规律。（8）肋板式挡墙的位移模式受肋板布置方式影响显著。随肋板布置方式由长肋疏布向短肋密布变化,肋板式挡墙的平动位移大幅度下降,墙体位移模式由基底的滑移平动模式逐渐转变为绕墙趾倾覆的转动模式,对应的挡土板和肋板土压力也相应减小,分别约衰减19%、38%。（9）肋板式挡墙的挡土板与肋板土压力分布特征与墙体的位移模式密切相关。长肋疏布条件下墙体位移以平动和混合模式为主,挡土板及肋板土压力沿深度呈先增大后减小的非线性分布,合力作用点距墙底约0.5倍墙高;而短肋密布时墙体位移主要为绕墙底的转动模式,土压力沿深度呈近似三角形分布。