毛海君，馬學寧

加筋土擋土墻地震響應(yīng)分析

*毛海君，馬學寧

（蘭州交通大學土木工程學院，甘肅，蘭州 730070）

加筋土擋土墻是一種新型支擋結(jié)構(gòu)，通過采用振動臺對牛皮紙、硬塑料和膠帶三種筋帶的加筋土擋土墻模型進行了不同加速度峰值下的振動試驗，得到了加筋土擋墻模型面板的加速度、動位移、筋帶動應(yīng)變增量隨擋墻高度的變化規(guī)律。從而分析不同筋帶對加筋土擋墻抗震性能的影響。

加筋土擋土墻；模型試驗；加速度；抗震性能

0 引言

我國是一個多地震國家，且地震頻繁而強烈[1]。在近幾年發(fā)生的多次大型地震中，加筋土擋土墻的抗震性能得到了充分的證明。加筋土擋土墻具有抗震性能好、安全、經(jīng)濟等優(yōu)點。因此隨著我國西部大開發(fā)的開展，加筋土擋土墻則在高烈度地震區(qū)域的交通、城建及水利等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛[2]。2002年云南省昆明理工大學[3]進行了課題“土工格柵加筋材拉出特性的實驗研究”，并進行了小型的震動臺模型試驗。胡小明等人[4]在2002年做了加筋土擋墻的離心模型試驗，他們試驗的墻后填土采用黃土，而且加筋的方式采用雙面加筋，通過離心試驗有效地模擬了原型的應(yīng)力狀態(tài)，并且確定了黃土的壓實度對加筋土擋墻的動力特性的影響。Hatami and Bathurst[5]采用FLAC進行數(shù)值模擬，討論了一些結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對加筋擋土墻固有頻率的影響。Ling et al[6]同時考慮土體采用合適的塑性模型，土工格柵采用邊界面模型，分析加筋土擋土墻的動力特性。但目前加筋土擋墻地震反應(yīng)特性和抗震機理仍沒有圓滿的解答，研究成果遠遠不能滿足其在地震地區(qū)的應(yīng)用需要[7-8]。因此，對支擋結(jié)構(gòu)進行抗震試驗，研究支擋結(jié)構(gòu)的抗震性能，為指導支擋結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計具有重要的理論和實際意義。本文主要通過進行室內(nèi)模型試驗來分析加筋土支擋結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1 加筋土擋土墻抗震模型試驗設(shè)計

1.1 模型相似關(guān)系設(shè)計

表1 物理量相似關(guān)系[10]

1.2 加筋土擋墻模型制作

考慮振動臺荷載量程，采用1.2 cm厚木板制作模型試驗箱，模型箱如圖1(a)所示，模型箱總重2.47 kg。模型箱與振動臺采用螺栓固定，具體固定示意圖如1(b)所示。

若假定填土最大容重為21.5 kN/m3，忽略筋帶與面板質(zhì)量，模型與模型箱最大總重量為23.97 kg，處于振動臺量程范圍內(nèi)。

圖1模型箱

1.2.1 筋帶

模型中筋帶長為16 cm，由幾何相似系數(shù)N=25，即可以模擬原型筋帶長度為4 m的加筋土擋墻。筋帶采用牛皮紙帶、硬塑料帶、膠帶三種材料進行試驗，為得到筋帶的彈性模量和抗拉極限強度[11-13]，本文設(shè)計如下圖2簡易裝置進行量測。

圖2 簡易拉拔試驗裝置

如圖2，試驗采用逐級加砝碼的方式進行加載，通過靜態(tài)應(yīng)變采集儀對不同荷載下筋帶的應(yīng)變進行記錄。上述簡易拉拔裝置對牛皮紙帶的試驗效果好，但因膠帶和硬塑料帶模量較低，其產(chǎn)生應(yīng)變量過大，超過應(yīng)變片量程，所以無法直接測得應(yīng)變片應(yīng)變。為此采用直接量測法測得筋帶變形量，算得筋帶應(yīng)變。

拉拔試驗中，筋帶的長度為15 cm，寬度為1 cm，牛皮紙帶、硬塑料帶、膠帶的厚度分別為0.11 mm、0.09 mm、0.05 mm。由筋帶厚度、寬度可計算得筋帶截面面積，從而將受拉荷載轉(zhuǎn)換為筋帶拉應(yīng)力。三種筋帶拉拔試驗下，筋帶的材料的拉拔試驗曲線如圖3所示。

圖3 拉拔試驗曲線

由拉拔試驗曲線可知：

1)牛皮紙帶為脆性材料，沒有明顯的塑性變形，達到極限強度后，突然發(fā)生斷裂；硬塑料、膠帶為塑性材料，沒有明顯的極限強度，且隨著荷載的增加，塑性變形逐漸增大，曲線斜率（即彈性模量）逐漸降低。

2)計算得到牛皮紙帶彈性模量為2.53 Gpa，與參考文獻[5-6]測試結(jié)果2.82 Gpa接近，這說明牛皮紙拉拔試驗結(jié)果的可靠性。硬塑料帶與膠帶彈性模量分別為210.76 Mpa、51.85 Mpa。

3)硬塑料、膠帶彈性模量小于牛皮紙帶，但其應(yīng)力卻大于牛皮紙。分析原因有兩點：首先，膠帶截面面積小，同等荷載作用下，應(yīng)力較大；其次，硬塑料、膠帶塑性變形具有蠕變特性，其完全穩(wěn)定的時間過長，采用目測無法準確判定其變形的穩(wěn)定，故相對而言加載速率過快。以上原因可以解釋硬塑料、膠帶應(yīng)力大于牛皮紙帶。

1.2.2 傳感器布置

由于模型尺寸限制，并考慮應(yīng)變測試線對模型振動試驗的影響，僅考慮距底面2 cm、10 cm、18 cm處3條筋帶上的拉應(yīng)變，應(yīng)變量測筋帶從上到下編號A、B、C，筋帶上的應(yīng)變計根據(jù)距面板的距離編號為1-5，整個模型中共布置15個應(yīng)變計，具體應(yīng)變計布置和編號如圖4所示。

圖4 傳感器布置圖

由于儀器限制，地震激振方向只能為水平向。故僅分析不利工況下的擋墻地震響應(yīng)，即地震波振動的方向垂直于加筋土擋墻面板。若假定加筋擋土墻位于甘肅省，由《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》甘肅省抗震設(shè)防烈度為6~9度，其地震設(shè)計加速度為0.2 g~0.4 g[14]。為此本文分析加速度峰值為0.2 g、0.3 g、0.4 g地震波作用下的加筋土擋墻的動力響應(yīng)特性。

2 模型試驗工況

為分析筋帶類型對加筋土擋墻模型振動試驗的影響。模型分別采用汶川地震波進行了峰值加速度為0.2 g、0.3 g、0.4 g抗震模型試驗。具體的模型材料和對比分組如表2所示。

其中以筋帶為牛皮紙帶的1號模型試驗為標準，分析膠帶對其抗震性能的影響，以期對現(xiàn)實中整體柔性擋墻的抗震特性進行分析，并得到有利的工程結(jié)論。

表2 加筋土擋墻模型抗震試驗工況

3 模型振動試驗結(jié)果分析

對模型施加垂直于擋土墻面板的汶川地震波，進行加速度峰值為0.2 g、0.3 g、0.4 g的模型振動試驗。試驗中采用加速度計、機電百分表、應(yīng)變計測得各模型試驗中面板加速度、動位移，以及筋帶動應(yīng)變的變化規(guī)律，現(xiàn)模型試驗結(jié)果分析討論如下。

3.1 不同筋帶類型下模型地震響應(yīng)分析

以填土為砂土、面板為白卡紙、筋帶配筋率為1/10，筋帶間距為4 cm的加筋土擋墻為基準，分別采用脆性牛皮紙、塑性硬塑料、透明膠帶做加筋土擋墻筋帶，制作了3個加筋土擋墻模型，以分析筋帶彈性模量對模型抗震特性的影響，其中牛皮紙的彈性模量約為硬塑料的10倍，為透明膠帶的50倍。并對3個擋墻模型進行不同地震峰值加速度下的模型振動試驗，試驗結(jié)果及分析如下：

(1)面板加速度

圖5 不同筋帶類型下，面板加速度放大系數(shù)曲線

由圖5可以看出：隨著筋帶彈性模量的減小，同等條件下，模型面板加速度放大系數(shù)不斷降低。當筋帶為透明膠帶時，面板中部加速度放大系數(shù)近似于直線。

（2）面板動位移不同筋帶類型下，加筋土擋墻面板位移包絡(luò)線如圖6所示，可以看出：

圖6 不同筋帶類型下，面板位移包絡(luò)曲線

1)隨著筋帶彈性模量的降低，面板的位移峰值均有所降低，隨著加速度的增大，面板位移峰值增大。筋帶為牛皮紙、硬塑料（彈性模量降低10倍）時面板位移變化比較相似，而筋帶為膠帶（彈性模量降低50倍）時面板位移峰值曲線與硬塑料相比變化較大。說明當筋帶彈性模量在一定范圍內(nèi)變化時，其對加筋擋墻的抗震性能影響較小。故可以對現(xiàn)實中加筋擋墻的筋帶抗震界限彈性模量進行研究。

2)牛皮紙筋帶擋墻最大位移發(fā)生在12 cm，硬塑料帶最大位移發(fā)生在10 cm，膠帶最大位移發(fā)生在6 cm，說明隨著筋帶彈性模量的降低，面板位移峰值下移。也說明對筋帶彈性模量較低的擋墻，其底部容易發(fā)生隆起而破壞。

對不同筋帶類型下，加筋土擋墻地震反應(yīng)后的殘余變形進行分析，如圖7所示，由圖7可知：

圖7 地震后，不同筋帶類型擋墻面板殘余變形

總體看隨著地震加速度的增大，三種筋帶類型的加筋土擋墻面板的殘余變形逐漸增大。當筋帶為牛皮紙、硬塑料時，面板的殘余變形曲線較為接近，但隨著筋帶變?yōu)槟z帶(筋帶彈性模量降低50倍)時，面板殘余變形曲線線型和曲線峰值發(fā)生明顯變化。面板高度12 cm處產(chǎn)生向內(nèi)的變形，面板5~10 cm則發(fā)生向外隆起。

圖8 機電百分百對位移的影響

分析原因認為，彈性模量降低，面板底部變形增大，此時面板中部土壓力降低，故機電百分表對面板阻力使得面板發(fā)生向內(nèi)的變形。如圖8所示的機電百分表對白卡紙的變形影響。

（3）筋帶動應(yīng)變

不同筋帶類型擋墻，在不同加速峰值下的筋帶應(yīng)變增量圖如圖9示，由圖可知：加速度峰值越大，筋帶的應(yīng)變增量就越大。筋帶為牛皮紙、硬塑料時，除18 cm處的筋帶最大應(yīng)變增量發(fā)生在靠近面板處即1.6 cm處外，筋帶應(yīng)變增量主要集中在筋帶的中部即4.8~11.2 cm之間。膠帶應(yīng)變增量的最大值均發(fā)生在靠近面板的位置即1.6 cm。而筋帶為膠帶時，由于彈性模量比牛皮紙降低了50倍，應(yīng)變增量主要集中在底部筋帶，且應(yīng)變增加最大值靠近面板，這與膠帶擋墻面板的殘余變形在底部最大相對應(yīng)。

從筋帶彈性模量降低對面板加速度、面板位移、筋帶應(yīng)變增量的分析可以看出，筋帶彈性模量的適度降低對加筋土擋墻的面板加速度、位移、應(yīng)變增量影響不太明顯。但隨著筋帶彈性模量大幅的降低，面板底部將發(fā)生明顯的隆起，且筋帶靠近面板處的應(yīng)變增量增大，如果筋帶抗拉強度較低，則可能在靠近面板處發(fā)生筋帶拉斷現(xiàn)象，從而導致?lián)跬翂Φ牡卣鹌茐摹?/p>

圖9 不同筋帶類型下，擋墻筋帶應(yīng)變增量曲線

4 結(jié)束語

(1)當三種筋帶牛皮紙、硬塑料及膠帶施加的地震峰值加速度相同時，模型面板加速度放大系數(shù)隨著筋帶彈性摸量的減小而不斷降低。當筋帶為透明膠帶時，面板中部加速度放大系數(shù)近似于直線。

(2)牛皮紙筋帶擋墻最大位移發(fā)生在12 cm，硬塑料帶最大位移發(fā)生在10 cm，膠帶最大位移發(fā)生在6 cm，則面板的位移峰值隨著筋帶彈性模量的降低而降低，且當筋帶為牛皮紙、硬塑料時，面板位移變化相似。

(3)筋帶為牛皮紙、硬塑料時，面板的殘余變形曲線較為接近，但隨著筋帶變?yōu)槟z帶(筋帶彈性模量降低50倍)時，面板殘余變形曲線線型和曲線峰值發(fā)生明顯變化。

(4)筋帶的應(yīng)變增量隨著加速度峰值提高而增加，牛皮紙、硬塑料的筋帶應(yīng)變增量主要集中在筋帶的中部，即4.8 ~11.2 cm之間。而膠帶的應(yīng)變增量主要集中在筋帶的底部。

[1] 程火焰，周亦唐，鐘國強.加筋土擋土墻地震動力特性研究[J].公路交通科技,2004,21(9):16-20.

[2] 劉華北.水平與豎向地震作用下土工格柵加筋土擋墻動力分析[J].巖土工程學報，2006，28(5)：594-599.

[3] 陳華.塑料土工格柵加筋土擋墻動力有限元分析[D].昆明：昆明理工大學，2002.

[4] 胡小明,雷勝友.雙面加筋土高擋墻的離心模型試驗研究[J].四川大學學報:工程科學版,2002, 34(4):38-41.

[5] Hatami K, Bathurst RJ . Effect of structural design on fundamental frequency of reinforced - soil retaining walls [J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering , 2000, 19(3):137-157.

[6] Ling H I,Mohri Y,Leshchinsky D et al. Large -scale skaking table tests on modular-block reinforced soil retaining walls[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,ASCE,2005,131(4):465- 476.

[7] 黃雨,鄭虎,孫啟登.加筋土擋墻的抗震性能研究現(xiàn)狀[J].工程抗震與加固改造，2010,32(5): 107-111.

[8] 陳學良,鄭云雷,陳憲麥,等.三個抗震問題簡析及新型擋墻地震反應(yīng)評述[J].世界地震工程,2007,23(2): 118-124.

[9] 左啟東.模型試驗的理論和方法[M].北京:水利水電出版社,1984.

[10] Futaki M, Aoama N, Misawa K, et al. Dynamic behavior of multi-anchored reinforced soil wall in large-scale shear box [J]. Landmaks in Earth Reinfor-cement, Ochiai H., Otani J., Yansufuku N., and Omine K. Eds., Balkema. 2001.

[11] 梁波,孫遇祺.加筋土模型試驗中的拉力破壞研究[J].巖土工程學報1995,17(2):83-87.

[12] 楊有海.地震作用下加筋土擋墻穩(wěn)定性分析[J].蘭州鐵道學院院報2002,21(4):9-11.

[13] 蔣建清,鄒銀生.復雜動力作用下加筋土擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性分析[J].中南公路工程，2007,32(1): 51-54.

[14] GB 50011-2010. 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

Analysis on seismic behavior of reinforced soil retaining wall subjected to seismic loading

*MAO Hai-jun，MA Xue-ning

(School of Civil engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou,Gansu 730070, China)

Reinforced soil retaining wall is a new-block structure. We adopt vibration table to vibration test for kraft paper tape, hard plastic tape, and transparent tape of reinforced soil retaining wall models under different acceleration peak value. It is found that wall panels of the acceleration, dynamic displacement, drive the change of strain increment are related to the wall height. We also analyze different ribbon influence on seismic performance of reinforced soil retaining wall.

reinforced soil retaining wall; model test; acceleration; seismic performanc

G741

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.06.015

1674-8085(2013)06-0072-06

2013-07-07；

2013-09-11

*毛海君(1988-)，女，江西吉安人，碩士生，主要從事道路與鐵道工程研究(E-mail:mm0211319@163.com);

馬學寧(1975-)，男，甘肅蘭州人，副教授，博士，主要從事巖土工程及道路與鐵道工程研究(E-mail:xdd2007@163.com).