陈嘉乐，杨立兵，刘晓红，陈 豪，江思卿

（湖南理工学院土木建筑工程学院，湖南 岳阳 414006）

在边坡及基坑支护设计中，土压力计算是必不可少的环节，土压力大小及分布与墙后土体滑裂带形态特征密切相关。经典的朗肯土压力理论及库仑土压力理论均认为：墙后半无限土体滑裂带为一通过墙踵的平面。从现有文献看，墙后填土滑裂带并不一定是平面，也不一定总是通过墙踵，滑裂带的形态特征与填土宽高比、挡墙变位模式、填土工程性质等因素密切相关。王崇宇等[1-2]通过室内模型试验研究了自由落砂条件（最小压实度）下不同宽高比的无黏性砂土主动、被动滑裂带特征，得到了挡墙3 种变位模式下有限、半无限土体的临界宽高比，且不同试验条件下的滑裂带有的是直线，有的是折线，有的是曲线；有的滑裂带通过墙踵，有的并不通过墙踵。江旭[3]通过室内模型试验研究了自由落砂条件下挡墙变位模式对有限砂土的主动、被动滑裂带的影响规律，得到了类似的结论，即滑裂带不一定是平面，也不一定通过墙踵。张家强[4]通过室内模型试验研究了自由落砂条件下填土宽高比对无黏性砂土平动模式被动滑裂带的影响，不同宽高比填土被动滑裂带均为通过墙踵的曲线。杨明辉等[5]基于室内模型试验研究了自由落砂条件（最小压实度）下无黏性土体在挡墙3 种主动变位模式下有限宽度土体破坏模式，得出不同试验条件下有限宽度砂土的滑裂带均为一连续曲面；当墙体平动及绕墙顶转动时，滑裂带始终通过墙踵，当墙体绕墙底转动时，滑裂带为不通过墙踵的局部破坏面。应宏伟等[6]在自由落砂填筑条件下进行了刚性挡墙平动模式室内模型试验，利用颗粒图像测速技术（PIV）分析不同宽高比砂土滑裂带均为通过墙踵的曲线。

可见，目前针对墙后滑裂带的模型试验研究，均采用自由落沙法（最小压实度）填筑墙后填土，未考虑其压实度对滑裂面形态特征的影响，目前也未见有采用模型试验方法研究填土压实度对滑裂带特征影响的相关文献。为此，本文基于自主研发的刚性挡墙模型试验装、数字图像相关法（Digital Image Correlation，DIC）及GOM 软件，采用无黏性砂土作为墙后填料，针对填土压实度这一影响因素，展开挡墙平动变位模式（TT 模式）下的模型试验，探寻压实度对无黏性填土主动滑裂带特征的影响规律。

1 模型试验

1.1 装置

本试验利用自主研制的模型装置系统[7]，如图1所示。该装置系统由填土箱、活动挡墙、固定挡墙、活动挡墙变位控制系统、图像采集与处理系统组成。填土箱为钢结构长方体，箱体正面为透明钢化玻璃，以实现试验过程中的即时观察、动态拍照及后期分析。活动挡墙为16 mm 厚钢板，钢板外侧上、下各焊接铰接支座，分别与上、下传动轴铰接。固定挡墙为12 mm厚钢板，箱内每隔10 cm 设置固定卡位，用来放置固定挡墙，以此实现不同的填土宽度。活动挡墙变位控制系统由上下两套性能相同的三相异步电机、齿轮传动轴、电控箱、固定电机支架等组成，动力推进速度为0.02 mm/s，可实现活动挡墙平动（TT 模式）、挡墙绕墙顶转动（RT 模式）、绕墙底转动（RB 模式）3种变位模式，活动挡墙变位模式可通过电控箱上的按钮控制实现。图像采集与处理系统由高清数码相机、无影光源、计算机与数据采集处理软件等组成，完成连续拍照、图像采集与处理分析等。

图1 刚性挡墙模型装置系统

1.2 试验填料

试验所用填料为无黏性砂土，取自岳阳东洞庭湖，粒径主要集中在0.5～2 mm 之间，其不均匀系数Cu=2.9，曲率系数Cc=1.4，为级配不良的粗砂土。另经室内试验测得，该砂土的内摩擦角（自然休止角）为35.6°，最大干密度ρdmax=1.72 g/cm3，风干含水量为1.3%，自由落砂条件下其密度为ρ0=1.42 g/cm3。经计算，自由落砂条件下的干密度ρd0=1.40 g/cm3、压实度λ=81.3%。

1.3 试验方法及步骤

准备填土箱：启动电控箱面板上按钮，将活动挡墙调至起始位置；选择合适卡槽，将固定挡墙壁插入卡槽内，使活动挡墙与固定挡墙间净距离满足试验方案要求。

填筑砂土：分层冲击填筑砂土至土层厚度满足试验方案要求，每一分层击实厚度为10 cm。冲击前，每一分层虚铺高度11～13 cm，在其上放置一块面积与填土箱俯视面积相近的厚度为2 cm 的钢板，连续冲击完成方案约定的冲击次数后，移出钢板，整平每一分层厚度至10 cm，并在贴近玻璃面铺设一条黑色砂线，如图1 所示。每一分层填筑均按上述方法进行，直至填土厚度满足试验方案要求。

将高清相机、无影光源、计算机等布设在合适的位置，设置好相机拍摄频率，关闭室内灯光及窗帘，营造室内暗室效果。同时按下拍照按钮、电控箱面板上变位模式按钮，活动挡墙在位移过程中，相机按每张0.5～1 s 的频率同步拍照、同步存入电脑或存储卡。

当活动挡墙位移达到设定条件或箱内色砂发生明显错动或填土表面出现明显裂缝和沉降时，可结束试验。

打开箱底漏砂圆孔，将模型箱内砂土全部移至箱外，用电子称称重，用砂土质量除以砂土体积，可得填筑土密度，然后根据试验砂土的最大干密度及风干含水量，即可计算出不同冲击次数填土的压实度λ。

1.4 试验方案

为了研究墙后填土压实度λ对平动模式主动滑裂带的影响，设计了如表1 所示的试验方案。本试验方案包括3 类试验：自由落砂条件（最小压实度）下临界宽高比ncr的确定试验（表1 中序列1）、压实度λ对有限土体（n=0.2）主动滑裂带的影响试验（表1 中序列2）、压实度λ对半无限土体（n=0.5）主动滑裂带的影响试验（表1 中序列3）。

表1 试验方案

2 成果分析

基于数字图像测量技术，采用GOM 软件分析墙后填土变形过程的系列图像，获得填土剪应变随挡墙位移的动态发展过程、不同时刻对应的剪应变云图，揭示滑裂带的发展形成过程及其特征。

2.1 自由落砂条件（最小压实度）下的临界宽高比

为了获得自由落砂条件（最小压实度为81.3%）下，平动模式有限与半无限填土临界宽高比ncr，设计宽高比n分别为0.2、0.3、0.4、0.5、1.0 的模型试验。

经数据分析，获得了不同宽高比填土达到完全破坏状态时的剪应变云图，如图2 所示。结合剪应变云图色度的渐变趋势及色砂线的变形特点，即可判断主动滑裂带所在部位为图中虚线标注处。

图2 自由落砂条件下滑裂带随宽高比n 的变化规律

由图2 可知：①当宽高比n=0.5 或1.0 时，滑裂带为起于墙踵止于填土面的近似直线型条带，滑裂带未碰触固定挡墙，直接从填土面出露，此时墙后填土满足半无限条件；②当宽高比n=0.3 或0.4 时，滑裂带为2 段连成的起于墙踵止于填土面的折线型条带，滑裂带先碰触固定挡墙，然后反射到填土面出露，此时墙后填土为有限土体；③当宽高比n=0.2 时，滑裂带为3段连成的起于墙踵止于填土面的折线型条带，滑裂带先碰触固定挡墙，然后反射到活动挡墙，再由活动挡墙反射到填土面出露，墙后填土为有限土体。

综上认为：①自由落砂条件下，平动模式半无限、有限填土临界宽高比ncr介于0.4～0.5 之间；②半无限土体主动滑裂带为近似直线型，宽高比n的变化对滑裂带特征无明显影响；③有限土体主动滑裂带为折线型，随宽高比n的减小，组成滑裂带的直线段数越多，同时第1 段与固定挡墙的交点越低；④当压实度一定时（自由落砂条件下的压实度为81.3%），宽高比n是影响滑裂带型式（直线型或折线型）的主要因素，但宽高比n对主动滑裂带各段倾斜度无明显影响。

2.2 压实度对有限土体主动滑裂带的影响

以自由落砂条件下宽高比n=0.2 时的有限土体为例，探寻填土压实度λ对平动模式有限土体主动滑裂带的影响。各组模型试验设计压实度λ分别为81.3%、84.5%、89.7%、94.3%，各组试验填土达到主动破坏状态时的剪应变云图及滑裂带如图3 所示。

图3 压实度对有限土体（n=0.2）主动滑裂带的影响

由图3 可知，对于宽高比一定时的自由落砂条件下的有限土体（n=0.2），随压实度λ的变化，其滑裂面有如下特点：①当λ=81.3%（自由落砂）时，滑裂带为3 段组成的折线；当λ=84.5%时，滑裂带为2 段组成的折线；当λ≥89.7%时，滑裂带为近似直线。②随压实度λ的增大，自由落砂条件下的有限土体（n=0.2）滑裂带由折线型逐渐过渡至近似直线型，滑裂带段数由3段减少为2 段直至1 段。③当λ≥89.7%时，自由落砂条件下的有限土体（n=0.2）转变成了半无限土体；当λ≤84.5%时，仍为有限土体。即此时有限、半无限土体临界压实度λcr介于84.5%～89.7%之间。

综上可得：宽高比n一定时，随压实度λ的增大，墙后填土由有限土体逐步转变为半无限土体，即临界宽高比随压实度的增大而减小。故判断墙后填土为有限或半无限土体的依据，除了众多文献认可的宽高比n之外，压实度λ亦是区分有限、半无限土体的重要因素。

2.3 压实度对半无限土体主动滑裂带的影响

以自由落砂条件下的半无限土体（宽高比n=0.5）为例，探寻填土压实度对半无限土体主动滑裂带的影响。设计6 组模型试验，对应的压实度分别为81.3%、85.0%、88.1%、90.5%、93.3%、95.1%。6 种压实度填土达到破坏状态时的剪应变云图及滑裂线，如图4所示。

图4 压实度对半无限土体（n=0.5）主动滑裂带的影响

由图4 可知：①自由落砂条件下的半无限土体（n=0.5），不同压实度λ下滑裂带均为近似抛物线的曲线，均起始于墙踵止于填土面；②随着填土压实度λ从自由落砂条件的最小值（81.3%）逐渐增大至95.1%，滑裂线逐渐变陡，滑裂体体积逐渐减小，但其墙后填土仍为半无限土体。

3 结论

利用自主研制的模型试验装置，开展不同压实度填土平动模式下主动模型试验，主要结论如下。

自由落砂条件下（最小压实度），平动模式半无限、有限砂土临界宽高比ncr介于0.4～0.5，当宽高比n≤0.4 时，有限土体主动滑裂带为由2～3 条直线段构成的起于活动挡墙墙踵止于填土面的折线，当宽高比n≥0.5 时，半无限土体主动滑裂带为一条起于活动挡墙墙踵止于填土面的直线。

随压实度λ的增大，自由落砂条件下的有限土体（以宽高比n=0.2 为例），其主动滑裂带由折线逐渐变为单一直线，这说明自由落砂条件下的有限土体随压实度的增大而逐渐变为半无限土体，其压实度临界值介于84.5%～89.7%。

随压实度的增大，自由落砂条件下的半无限土体（以宽高比n=0.5 为例），主动滑裂带逐渐变陡，滑裂体体积逐渐变小，其滑裂线为近似抛物线的曲线。

试验结果表明：墙后填土主动滑裂带形态特征不仅受填土宽高比n的影响，也受填土压实度λ的影响。填土宽高比n一定时，主动滑裂带随压实度的不同而明显不同，临界宽高比ncr随压实度λ的增大而减小。