0 引言

　　随着我国城市化的大力推进，在大规模建设活动中会产生大量建筑垃圾，简单堆放填埋是目前我国处理建筑垃圾的方式，急剧增多的建筑垃圾导致建筑垃圾污染和垃圾围城问题更加严重。废弃混凝土和砖块是建筑垃圾的主要成分，其回收利用是国内外学者研究的重点，本文将废弃混凝土及废弃砖称为“建渣”。

　　在城市化建设进程中，国家的基础建设不断扩大，必会随之产生大量挡土墙和边坡防护工程。而在挡土墙和边坡防护工程中，因为土工袋和土工格栅具有良好的安全性与经济性，并且其施工简便，故在城市边坡岩土加固等工程中广泛应用土工格栅加筋挡土墙和土工袋挡土墙。

　　目前，国内外在建渣、土工袋及加筋土挡墙等方面具备较深理论及实践研究。江思义等通过试验发现将建筑垃圾应用到路基中，能提高其路基的承载力;孙见松等对不同填充物的土工袋相关性能和力学特征做了研究;郑斌提出由长方体土工袋和扎带连接而成的连接式土工袋挡土墙;Colas通过对干砌片石挡土墙的稳定性试验研究与其数值模拟的结果进行对比，研究对挡土墙稳定性的影响因素等;黄小元通过单轴压缩试验、模型试验和数值模拟，对土工格栅包裹土工袋加筋土结构的承载力和工程应用进行了研究。

　　虽然国内外学者对建渣开展了大量研究，但主要是将废弃混凝土作为再生骨料应用到钢筋混凝土结构工程和道路工程中，关于将以废弃混凝土及废弃砖块的建渣作为土工袋填充物的挡土墙的研究报道很少;国内外学者对反包式挡土墙进行了较广泛的探索，包括实际工程应用方面和强度、土压力等力学性能方面，但目前还未见到对建渣土工袋以反包式连接的加筋挡土墙的相关研究。

　　因此，本文将土工袋技术、反包式土工格栅加筋技术和建渣三者结合利用建渣(废弃混凝土块、砖块等)作为土工袋的填充物，将土工格栅反包建渣土工袋对挡土墙后的土体进行加固，通过模型试验在挡土墙坡顶的顶部施加均布荷载，观察和测量挡土墙的墙面水平位移、坡顶沉降位移及侧向土压力等的大小和变化规律，探究土工格栅加筋长度对反包式建渣土工袋挡土墙加固效果的影响。

　　1 模型设计与制作

　　本文研究的反包式建渣土工袋挡土墙的原型设计是粉质黏土边坡。为真实反映原始边坡的实际受力和变形情况，试验模型应与结构原型相似，遵循相似定理，使其满足荷载相似、几何相似等，但动力加速度及材料等参数没有严格满足相似比，因此本次模型试验为“小结构试验”，通过室内定性研究，可得到一些有规律性的结论，这些结论对反包式建渣土工袋挡土墙的研究十分有益。为试验和研究需要，将模型槽根据原型与模型按4∶1比例进行试验，其中边坡原型高度为6m。

　　试验模型的施工流程应先进行建渣土工袋装填，然后在模型槽中进行土体装填，再根据设计要求铺设土工格栅、放置建渣土工袋，在确保试验模型施工完成达到设计要求后方可进行试验。

　　1.1 试验材料

　　1)坡体材料模型边坡土体采用的是原型边坡土体，边坡土体采用粉质黏土，其物理力学指标按SL 237—1999《土工试验规程》进行土工试验测得，边坡土体物理力学指标为:黏聚力为26.9k Pa，密度为1.5g/cm³，含水率为15.3%，内摩擦角为25.9°。

　　2)填充材料模型试验建渣土工袋的填充物为50%的混凝土块和50%的砖块，填充度为80%。按模型与原型几何相似比1∶4对废弃混凝土块和废弃砖块的粒径进行缩尺，缩尺后的集料各粒径含量不变。

　　3)土工格栅本次模型试验采用的土工格栅为具有强度大、蠕变小、承载力高、抗腐蚀、防老化、摩擦系数大等优点的高密度聚乙烯双向拉伸塑料土工格栅。

　　4)土工袋土工袋原尺寸为440mm×815mm，按模型与原型几何相似比1∶4对土工袋进行缩尺，故模型试验用土工袋尺寸为110mm×204mm。土工袋采用绿色环保的高聚物绿色编织袋，其极限抗拉强度≥30k N/m，断裂伸长率≤30%;土工布网孔尺寸按设计要求。建渣土工袋如图1所示，建渣土工袋物理力学指标为:建渣与土工袋界面摩擦系数为0.832，建渣土工袋间摩擦系数为0.820，黏聚力为7.814k Pa，内摩擦角为36.620°。

　　

　　图1 建渣土工袋  

　　 

　　建渣土工袋与边坡的连接方式是通过将土工格栅铺设在填土中，预留出土工格栅长度，再将建渣土工袋安放在挡土墙土体坡面的位置(上、下两层土工袋交错布置)，垒起30cm高建渣土工袋;再将预留的反包段土工格栅包裹住垒起的建渣土工袋，再用U型钉将土工格栅锚固到夯实的土体中，如图2所示。

　　1.2 模型槽设计

　　根据挡土墙的结构原型与试验模型的相似比为4∶1，模型槽的尺寸设计为2.43m×1.06m×1.60m(长×宽×高)，模型槽材料采用I12和I14焊接而成，模型槽框架的三面用相同的角钢进行加固处理。模型槽挡板材料侧边两面使用木板，正面由2.43m×1.60m钢化玻璃代替，方便观察加载过程中挡土墙的破坏变化，如图3所示。

　　

　　图2 建渣土工袋与边坡连接示意  

　　 

　　

　　图3 模型槽示意  

　　 

　　1.3 模型设计

　　1∶0.5为本试验挡土墙的坡比，土坡高1.5m、挡土墙长1m、挡土墙支护宽度为0.37m的条件下，统一在挡土墙模型的顶部紧挨着建渣土工袋处施加0.9m×0.5m均布荷载，研究不同加筋长度对反包式建渣土工袋挡土墙边坡支护效果的影响。

　　模型试验是在挡土墙坡比同为1∶0.5的情况下，考察以下3种工况:土工格栅加筋长度0.5m(简称工况1)、土工格栅加筋长度0.9m(简称工况2)、土工格栅加筋长度1.3m(简称工况3)。不同加筋长度反包式建渣土工袋挡土墙模型设计如图4所示。

　　

　　图4 加筋长度0.5m/0.9m/1.3m模型设计  

　　 

　　1.4 模型试验测试内容及测试元件布设

　　1)坡顶沉降位移在挡土墙坡顶的均布荷载作用下，挡土墙坡顶的竖向沉降变形为挡土墙的坡顶沉降位移。在挡土墙坡顶加载区域的荷载板上布设百分表(50mm)用于读取坡顶的竖向沉降位移。

　　2)墙面水平位移在挡土墙坡顶施加均布荷载，土体被压实后模型槽三面侧边的约束使挡土墙边坡土体整体向外移动，从而使挡土墙边坡产生水平位移，即为挡土墙边坡的水平位移。为测量挡土墙边坡土体的水平位移，需分别布设量程为30,50mm的百分表用于读取，在水平方向沿挡土墙向上高度布设5排百分表，在每排布设2个百分表，共需10个百分表，这样即可测得不同边坡高度的水平位移，布设位置如图5a所示。

　　

　　图5 百分表、土压力盒、剖面布设  

　　 

　　3)侧向土压力在挡土墙坡顶施加均布荷载，土体产生向外的土压力即为侧向土压力。为测量模型试验中反包式建渣土工袋挡土墙的侧向土压力，需将微型应变式土压力盒埋设在反包式建渣土工袋挡土墙边坡土体的边缘10cm处，并连接静态电阻应变仪测定应变值，再经过率定参数换算求得。本次试验共需12个100k Pa土压力盒，布设位置如图5b所示，剖面布设如图5c所示。

　　1.5 加载装置

　　本次试验采用较方便实施的杠杆加载，杠杆比例为1∶7，土工袋墙后的边坡顶面为加载区域，在加载过程中，为使受力均匀分布，防止加载板两边翘起、中间凹陷，则设置2块加载钢板，其尺寸为0.9m×0.5m×10mm,0.3m×0.3m×20mm (长×宽×厚)，加载装置如图6所示。

　　

　　图6 模型加载装置  

　　 

　　对杠杆加载系统采用球形铰接的方式连接杠杆和荷载传递杆，荷载传递杆上焊接1个直径为30mm钢珠，再将钢珠的上半部分嵌入薄壁圆桶的凹槽内，将凹槽与1块厚20mm钢板焊接好后固定在杠杆上，从而保证杠杆施加的力垂直向下。

　　对挡土墙坡顶进行分级加载，直至加载荷载板形成均布荷载，每10min测定1次数据，其中包括观测和记录坡顶的沉降位移及挡土墙坡面的水平位移，直至数据稳定再进行下一级加载。

　　试验过程中，当坡顶沉降迅速增大但此时施加的均布荷载基本不变甚至有所减小(当施加荷载产生沉降超过前一级2倍且坡体出现明显的贯通性裂缝)时，此时坡顶荷载称为坡顶破坏荷载，坡体发生破坏，停止加载，试验结束。

　　2 模型试验结果分析

　　2.1 坡顶沉降位移分析

　　3种不同加筋长度0.5,0.9,1.3m挡土墙(工况1～3)坡顶均布荷载与坡顶沉降位移的关系如表1所示。由表1可知，加筋长度0.5m的反包式建渣土工袋挡土墙(工况1)在加载过程中挡土墙的坡顶破坏荷载为31.73k Pa时，挡土墙的坡顶沉降位移为43.77mm;加筋长度0.9m的反包式建渣土工袋挡土墙(工况2)在加载过程中挡土墙的坡顶破坏荷载为44.43k Pa时，挡土墙的坡顶沉降位移为47.59mm;加筋长度1.3m的反包式建渣土工袋挡土墙(工况3)在加载过程中挡土墙的坡顶破坏荷载为50.77k Pa时，挡土墙的坡顶沉降位移为49.85mm。

　　若以加筋长度为0.5m(工况1)的反包式建渣土工袋挡土墙的坡顶极限荷载为基准荷载，当加筋长度增加0.4m(即工况2)时，坡顶极限荷载增加12.7k Pa，相较于基准荷载百分比增加40%;当加筋长度增加0.8m(即工况3)时，坡顶极限荷载增加19.04k Pa，相较于基准荷载增加60%。

　　3种不同加筋长度0.5,0.9,1.3m挡土墙(工况1～3)坡顶均布荷载与坡顶沉降位移关系如图7所示。由图7可知，3种不同加筋长度的反包式建渣土工袋挡土墙加筋长度为0.5m的挡土墙坡顶沉降位移变化较大，但加筋长度为0.9m和加筋长度为1.3m的挡土墙坡顶沉降位移变化相似;反包式建渣土工袋挡土墙的加筋长度越长，挡土墙的坡顶极限荷载越大，在相同坡顶荷载作用下，加筋长度越长的挡土墙其坡顶沉降位移越小。

　　

　　图7 工况1～3的坡顶荷载与坡顶沉降关系  

　　 

　　2.2 墙面水平位移分析

　　在沿挡土墙向上高度为75cm时，3种不同加筋长度0.5,0.9,1.3m挡土墙(工况1～3)的边坡墙面水平位移与相同坡顶荷载关系如表2所示。

　　工况1～3边坡墙面水平位移沿挡土墙向上高度的变化规律如图8所示。

　　由图8可知，在坡顶极限荷载作用下，工况1的墙面水平位移小于工况2与工况3的坡顶墙面水平位移，并且工况2与工况3的变化规律相似。不同加筋长度的反包式建渣土工袋挡土墙的墙面水平位移变化规律一致，水平位移沿挡土墙向上高度先增大后减小，曲线均呈鼓形分布，挡土墙的墙面最大水平位移处在挡土墙高1/3～2/3处。在相同均布荷载作用下，加筋长度越长，反包式建渣土工袋挡土墙的墙面水平位移越小。

　　2.3 侧向土压力分析

　　3 种不同加筋长度0.5,0.9,1.3m(工况1～3)反包式建渣土工袋挡土墙的墙后侧向土压力如表3所示。由表3可知，3种不同加筋长度的反包式建渣土工袋挡土墙的墙后侧向土压力在沿挡土墙向上高度为50cm处最大，墙后侧向土压力从沿挡土墙向上高度为0～125cm处呈现先增大后减小趋势。若以加筋长度为0.5m(工况1)的挡土墙土压力为基准土压力，可看出工况2与工况3在沿反包式建渣土工袋挡土墙向上高度为0～50cm处时占基准土压力百分比逐渐减小，在50～125cm处时占基准土压力百分比逐渐增大;工况2的挡土墙侧向土压力比工况1平均增大64%左右，工况3的挡土墙墙后侧向土压力比工况1平均增大121%左右。综上可知，土工格栅加筋长度越长，反包式建渣土工袋挡土墙的墙后侧向土压力越大。

　　  

　　表1 工况1～3的坡顶荷载与坡顶沉降关系 

　　 

　　 

　　

　　表1 工况1～3的坡顶荷载与坡顶沉降关系

　　  

　　表2 工况1～3沿挡土墙向上高度75cm处墙面水平位移与相同坡顶荷载关系 

　　 

　　 

　　

　　表2 工况1～3沿挡土墙向上高度75cm处墙面水平位移与相同坡顶荷载关系

　　

　　图8 工况1～3的墙面水平位移与沿挡土墙向上高度关系  

　　 

　　  

　　表3 工况1～3的挡土墙墙后侧向土压力 

　　 

　　 

　　

　　表3 工况1～3的挡土墙墙后侧向土压力

　　不同加筋长度的反包式建渣土工袋挡土墙的墙后侧向土压力分布如图9所示。由图9可知，反包式建渣土工袋挡土墙的墙后侧向土压力随挡土墙向上高度先增加，在沿挡土墙向上高50cm处的侧向土压力最大，后随着挡土墙向上的高度逐渐减小。结合反包式建渣土工袋挡土墙的墙面水平位移分析，同一挡土墙高度处产生相同的墙面水平位移，则土工格栅加筋长度越长，其对应的墙后侧向土压力越大。

　　

　　图9 工况1～3挡土墙的墙后侧向土压力分布  

　　 

　　为更好地分析不同加筋长度对挡土墙边坡加固效果的影响，将工况1～3坡顶承受破坏荷载及同一均布荷载(31.73k Pa，为工况1的坡顶极限破坏荷载)下挡土墙的坡顶沉降位移、墙面最大水平位移进行整理，如表4所示。

　　  

　　表4 工况1～3挡土墙边坡对比分析 

　　 

　　 

　　

　　表4 工况1～3挡土墙边坡对比分析

　　3 结语

　　1)通过不同加筋长度的反包式建渣土工袋挡土墙的模型试验，对比分析不同加筋长度挡土墙的坡顶沉降位移、墙面水平位移、侧向土压力等的分布规律。由试验可知，反包式建渣土工袋挡土墙的墙后侧向土压力并非呈三角形分布，而是呈鼓形分布，在墙高1/3～2/3处的侧向土压力最大;加筋长度为0.9m的挡土墙侧向土压力比加筋长度为0.5m平均增大64%左右，加筋长度为1.3m的挡土墙墙后侧向土压力比加筋长度为0.5m平均增大121%左右;同一挡土墙高度处产生相同的墙面水平位移，则土工格栅加筋长度越长，其对应的墙后侧向土压力越大。

　　2)土工格栅加筋长度越长对反包式建渣土工袋挡土墙结构边坡加固效果越明显。加筋长度为0.9m的反包式建渣土工袋挡土墙的坡顶极限荷载为44.43k Pa，比加筋长度为0.5m的反包式建渣土工袋挡土墙的坡顶极限荷载31.73k Pa增大40%，加筋长度为1.3m的反包式建渣土工袋挡土墙的坡顶极限荷载为50.77k Pa，比加筋长度为0.5m的挡土墙的坡顶极限荷载增大60%;故加筋长度越长，反包式建渣土工袋挡土墙的坡顶破坏荷载越大。在相同均布荷载作用下，加筋长度越长，其坡顶沉降位移越小，挡土墙的墙面水平位移也越小。

　　3)由上述分析可知，不同的加筋长度对反包式建渣土工袋挡土墙的边坡支护效果影响较大，一般高度≤8m的边坡挡土墙均可采用此类加筋反包式建渣土工袋。为了更好地将反包式建渣土工袋挡土墙应用于实际工程，后续可继续深入研究不同坡比、加筋层数及加筋间距对反包式建渣土工袋挡土墙的边坡加固效果的影响。