基于砂箱模型试验的新型孔状单元体加筋形式性质研究
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【摘 要】本文基于砂箱模型试验，以牛皮纸作为筋材提出一种新型的孔状单元体加筋形式。首先对比条状、网格状加筋形式与新型加筋结构在100%、83%、67%、50%四种加筋率下位移在2cm承受的最大竖向力，证明新型加筋结构在相同加筋率下其力学特性与变形特性均优于条状与网格状加筋形式；其次，设计新型加筋结构在不同单元体宽度、长度两个相关因素砂箱竖直力承载实验，探究新型加筋结构的性质。本文尾加筋土挡墙提出一种新的结构，并研究了单元体宽度、长度、间距对结构的影响，给与实际工程一定的参考。
【关键词】加筋土挡墙；孔状单元体；砂箱模型试验
0 引言
随着加筋土挡墙应用广泛，新型的加筋结构在不断的提出。基于平面加筋的单调条状加筋结构上，周小凤、张孟喜等[1]研究单向、双向（网格状）、三向以及多向土工格栅加筋砂土的影响，表明双向土工格栅加筋效果优于单向与三向土工格栅。基于平面加筋结构，张孟喜[2]等又提出了“立体加筋”结构，但是由于立体加筋施工繁琐且筋材极度浪费，在实际施工中不易被采用。本文基于施工方便的平面加筋结构，提出一种新型的孔状单元体加筋形式，对比条状与网格状加筋形式，其表现出更优异的加筋效果。并研究影响孔状单元体加筋效果的两个主要因素。
1 模型试验设计以及试验参数
（1）砂箱：箱体材料侧板为1.5cm厚胶合板，底板厚度为2cm，几何尺寸（长×宽×高）75cm×50cm×50cm，如图1。
（2）挡墙面板： 为标准等级纸板（白卡纸），尺寸为50cm×50cm，厚1.2mm，折叠将挡墙面板安放在距离砂箱外表面2cm处，紧靠着可移动模型面板。
（3）填料： 采用干燥的洁净中粗粗砂（ 石英砂） ，由环刀试验[3]测得填砂容重γ=15.81kN/m3，由直剪试验[4]得抗剪强度指标c≈0，Φ= 40.6°。
（4）加筋材料：无纹100g规格的信封用牛皮纸。通过试验测得0.5cm宽牛皮纸的抗拉强度[σ]=20.629N/0.5cm。与中粗石英砂的似摩擦系数fx=1.16，而牛皮纸与面板连接的抗拉强度[σ’]=15.876N/0.5cm。
2 模型试验过程与加载方式
实验采用控制变量法探究新型加筋形式的性质。操作步骤：（1）筋材布置在白纸板后，将白纸板卡入箱中；（2）慢慢往箱子中填入中粗砂，人工夯实，注意筋材的保护，直到填满；（3）取掉白纸板前的木板，让挡墙自稳一分钟后，在上方区域加竖载，加载速率一定，直到白纸板的任何一点变形达到2cm停止，记录竖载值。
通过竖载值的比较来评价加筋的效果。竖载越大，加筋效果越显著；竖载越小，加筋效果越差。为了避免偶然性的出现，每种加筋形式有5个平行试验，去掉最大最小值然后取平均值。
3 新型孔状单元体加筋形式性质研究
3.1 与传统加筋结构对比
按照控制变量法，将条状、网格状、单元体结构（如图2）。
在100%、83%、67%、50%四种加筋率下实验。布置说明：三种结构的横筋与竖筋宽度均为10mm，且竖筋长度均为250mm。布置四层，层间距从上往下为80mm、107mm、107mm、107mm、80mm具体尺寸（单位均为mm）与加筋结果如下表1。
由于实验过程的人为偏差，在误差允许范围内，从表1可得到以下结论：在相同加筋率下单元体加筋整体优于网格状与条状，加筋率越小，优化性越明显。
3.2 宽度、长度对新型结构的影响
以单元体加筋率为83%的尺寸为参考，利用控制变量法，其它不变，宽度分别取其9mm、8mm、7mm、6mm、5mm；利用控制变量法，其它不变，长度分别取其0.9L、0.8L、0.7L、0.6L、0.5L，结构见表2。
表2 不同宽度与不同长度的单元体平均竖载力（kg）
从表2得出结论；宽度在一定范围内减小不会影响其加筋效率，当宽度小于某个值（最优宽度）加筋效率随宽度的减小而急剧降低；长度在一定范围内减小对加筋效率影响较低，当长度小于某个值（最优长度）加筋效率随长度的减少而急剧降低
4 结论
（1）在相同加筋率下，新型孔状单元体加筋结构优于传统条状、网格状加筋结构，加筋率越小，优化性越显著；
（2）新型孔状单元体加筋结构存在最优宽度与最优长度，当宽度或者长度小于其最优值时，加筋效率急剧降低。
【参考文献】
[1]周小凤，张孟喜，邱成春，朱洪，王进.不同形式土工格栅加筋砂的强度特性[J].上海交通大学学报，2013，47（9）：1377-1381.
[2]张孟喜，闵兴.单层立体加筋砂土性状的三轴试验研究[J].岩土工程学报，2006，28（8）：931-935.
[3]刘成宇.土力学[M].2 版.北京：中国铁道出版社，2010.