傅志明

(中鐵二十四局集團(tuán)新余工程有限公司，江西 新余 338000）

單級懸臂式擋墻振動臺模型試驗與動力分析

傅志明

(中鐵二十四局集團(tuán)新余工程有限公司，江西 新余 338000）

根據(jù)相似關(guān)系理論，對小型振動臺模型試驗的相似關(guān)系進(jìn)行設(shè)計，確定模型試驗相似常數(shù)，確定模型試驗的相似材料及其主要物理力學(xué)參數(shù)。通過振動臺模型試驗，研究了以砂土為填料在水平地震作用下單級懸臂式擋土墻的動力特性。測試了單級懸臂式擋土墻模型在不同峰值的水平地震作用下的加速度、動位移及側(cè)向動土壓力隨擋墻高度的變化規(guī)律。通過實例分析，為今后單級懸臂式擋土墻的抗震設(shè)計提供參考。

單級懸臂式擋土墻；振動臺模型試驗；水平地震加速度；動力特性

0 引言

地震邊坡破壞導(dǎo)致嚴(yán)重性災(zāi)害而廣泛引起人們的關(guān)注，當(dāng)發(fā)生強烈地震時，地震會誘發(fā)擋土墻破壞，尤其山岳地區(qū)，比地震直接造成的危害大很多。因此，對邊坡的穩(wěn)定性在地震作用下進(jìn)行正確評價和進(jìn)行綜合治理就變得非常重要了。近年來，專家和學(xué)者高度重視巖土邊坡地震崩滑問題，并對此進(jìn)行深入的研究同時取得了可喜的成果。在鐵路及公路路基工程中，擋土墻主要被用來承受土體的側(cè)向土壓力，同時在穩(wěn)定路堤、隧道洞口、路塹以及橋梁兩端的路基邊坡等各類工程中也得到了廣泛的應(yīng)用。在水利、礦場及房屋建筑工程中，擋土墻主要是維持加固山坡、基坑邊坡和河流岸壁等的穩(wěn)定性。

當(dāng)上述工程或其他巖土工程遇到了不良的地質(zhì)災(zāi)害時，擋土墻的主要作用使加固或攔擋不良地質(zhì)體，如加固滑坡、崩塌及巖堆體，泥石流和攔擋落石等[2]。擋土墻、橋臺等擋土建筑物遭到破壞也是非常常見的[3]，然而由于地震的強度不一，擋土墻發(fā)生的破壞模式也不盡相同，部分擋土墻因發(fā)生較大的位移，從而失去了其應(yīng)有的防護(hù)功能或影響了附近其它的建筑物[4]，導(dǎo)致被保護(hù)的坡體坍塌或建筑物發(fā)生失穩(wěn)破壞；部分擋土墻因本身強度不夠而發(fā)生剪斷；此外，有的擋土墻也會發(fā)生局部破壞。但值得注意的是，雖然有一部分擋土墻發(fā)生了位移甚至破壞，而另一部分卻完好無損[5]。

楊劍[6]應(yīng)用擬動力法來考慮在動力荷載下的周期、縱波及橫波效應(yīng)，并分析了擋土墻后的由地震產(chǎn)生的被動土壓力進(jìn)行分析。陳學(xué)良等[7]首先對擋土墻抗震研究中的三個重要問題即弱粘性土地震土壓力、水平地震作用沿墻高分布、擋墻體系考慮水的作用進(jìn)行了概述。Shodolapo Oluyemi Franklin[8]等對傳統(tǒng)的CECP2方法及其更改后的極限狀態(tài)設(shè)計方法BS8002，運用于懸臂式擋土墻的結(jié)果進(jìn)行了研究和對比，結(jié)果證明：在所有情況下實現(xiàn)了滑動和傾覆穩(wěn)定性。RobertW.Day[9]通過研究兩個擋土墻破壞的案例，來論述鋼筋懸臂式擋土墻的設(shè)計和施工。對第一種情況，墻體的破壞是由于減少了橫向支撐；而第二種情況，墻體的破壞是由北嶺地震造成的側(cè)向壓力的增加。Koichi Akai[10]等對Tanata、Amagasaki和Tsukamoto 三個地區(qū)的土工格柵加筋土擋土墻，在不同地震烈度條件下的破壞情況進(jìn)行對比分析。

從國內(nèi)外對懸臂式擋土墻的研究表明，國內(nèi)外對懸臂式擋土墻的地震動力特性的試驗研究相對較少，對多級擋土墻等的地震動力特性的研究則更少。懸臂式擋土墻是目前應(yīng)用比較廣泛的輕型支擋結(jié)構(gòu)之一，其具有結(jié)構(gòu)輕型、占面積少、預(yù)制制拼接、便于施工等工程特點。而以往研究的懸臂式擋土墻主要是單級的[11.12]，基于此，進(jìn)一步對懸臂式擋土墻的抗震性能分析就顯得非常迫切了，不僅對懸臂式擋墻在地震頻繁發(fā)生地帶中的建設(shè)提供了科學(xué)的理論依據(jù)及指導(dǎo)意義，還將對懸臂式擋墻的抗震性能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)有非常重要的參考價值。本文擬通過室內(nèi)模型試驗對單級垛式懸臂式擋墻在地震作用下的抗震性能進(jìn)行分析，以期為今后類似工程在地震作用下的建設(shè)提供一些有益的施工建議。

1 單級垛式懸臂式擋土墻抗震模型試驗設(shè)計

本次模型試驗在蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院實驗室完成，主要目的在于研究：單級垛式懸臂式擋土墻在地震作用下的動力響應(yīng)特性。本文進(jìn)行懸臂式擋土墻振動模型試驗的主要目標(biāo)是將原型單級垛式懸臂式擋土墻在動力荷載作用下的力學(xué)現(xiàn)象，在單級模型懸臂式擋墻上進(jìn)行相似模擬，測量單級模型懸臂式擋墻中的動應(yīng)力、動位移、水平加速度響應(yīng)等物理量，再通過一定的相似關(guān)系反算到原型單級垛式懸臂式擋土墻上，這種相似關(guān)系被稱為模型的相似律。本模型試驗采用1：40比例尺的縮尺試驗，模型箱的凈尺寸為30cm×7cm×12cm(長×寬×高)。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)之一就是最小化有效荷載，以便振動臺系統(tǒng)可以提供較大的水平地基輸入運動。為了減少重量，模型箱采用0.5 cm厚木板制作，模型箱重1.3kg，模型箱與振動臺采用螺栓連接，如圖1所示。

圖1 模型箱與振動臺固定

試驗過程所用的回填土為中細(xì)砂，圖1.2給出了砂土粒徑級配累積曲線。根據(jù)室內(nèi)土工試驗結(jié)果，測得砂土的最大干密度為1.73g/cm3，填筑模型時，砂土填料的壓實度均按0.75控制。

圖2 砂土粒徑級配累積曲線

砂土分層回填的高度與水平排列的儀表對應(yīng)，每層回填整平后，加速度計和機電百分表也分別固定在特定的位置。整個模型完成過程如圖3-4。擋墻用有機玻璃制作而成，參考文獻(xiàn)資料，確定有機玻璃的楊氏模量E和泊松比υ分別是3.5×104MPa和0.25。擋墻都是由底板和立臂組成倒T字型截面。根據(jù)幾何相似關(guān)系，本文研究的單級垛式懸臂式擋土墻立臂高度為10cm。

圖3 各種儀表布置位置

圖4 模型-儀表-設(shè)備系統(tǒng)

同時由于模型尺寸限制，并考慮應(yīng)變測試線對模型振動試驗的影響，動加速度計共布置了3個，編號為①～③，其中①點對應(yīng)上墻10cm處;②點對應(yīng)上墻5cm處;③點對于上墻0cm處。動位移計和應(yīng)變計各布置了3個編號為A～C，各儀表具體位置布置如圖5所示。

圖5 各種傳感器布置圖

地震波采用振動臺自帶的汶川地震波[13]，該地震波經(jīng)過調(diào)整和校核，其峰值加速度為1.0m/s2，汶川地震波如圖6所示，并可根據(jù)不同水平地震加速度調(diào)整為本文所研究的不同水平地震加速度峰值即：0.2g、0.3g、0.4g。

圖6 汶川地震波時程曲線

2 試驗結(jié)果及動力分析

2.1 立臂水平加速度響應(yīng)

圖2.1為單級垛式懸臂式擋墻在水平地震最大加速度為0.2g、0.3g、0.4g條件下，立臂不同位置處的加速度時程曲線。

表2.1為砂土填土材料，在水平地震加速度峰值分別為0.2g、0.3g、0.4g時，單級垛式懸臂式擋墻上各個測點的加速度峰值。

圖7 加速度峰值為0.2g、0.3g、0.4g時擋墻的加速度時程曲線

表1 單級垛式懸臂式擋墻加速度峰值(m/s2)

圖8 單級垛式懸臂式擋墻加速度峰值分布

由圖7～8及表1可見：在不同水平地震加速度下，加速度時程曲線變化形狀變化規(guī)律相似，即單級垛式懸臂式擋墻隨著距底面高度的增加，加速度峰值都呈現(xiàn)逐漸遞增趨勢。當(dāng)加速度峰值從0.2g增加到0.4g時，砂土回填的擋墻墻頂?shù)募铀俣软憫?yīng)值分別增加了50.4%。

2.2 動位移

圖9為不同水平地震加速度峰值條件下，單級垛式懸臂式擋土墻墻背動位移隨墻高的分布。

不同水平地震加速度峰值下，動位移s/H（水平動位移s與墻高H的比值）隨墻高的變化如圖9所示，由圖可得：

圖9 擋墻動位移s/H隨墻高的變化

1.在不同水平地震加速度峰值作用下，單級垛式懸臂式擋墻隨著墻高的增高而逐漸增大，且最大值出現(xiàn)在墻頂處。

2.當(dāng)加速度峰值為0.2g，上墻墻頂?shù)膭游灰苨/H最大，達(dá)到0.065，且遠(yuǎn)離回填方向移動，而其墻底的動位移則較小，則基本上反映出上墻動位移是線性變化的。從擋墻上墻的總體位移變化情況可以明顯觀察到，上墻是繞墻底某點發(fā)生了轉(zhuǎn)動并同時也伴隨著擋墻下沉。從而反映出擋墻基底的承載能力對擋墻動位移的影響較大。當(dāng)峰值增加到0.4g時，其動位移s/H最大值達(dá)到0.099，約是0.2g的1.5倍。

綜上可見，單級垛式懸臂式擋墻的總體位移趨勢基本上是遠(yuǎn)離填土方向移動的。

2.3 動應(yīng)力

圖10為不同水平地震加速度峰值條件下，單級垛式懸臂式擋土墻墻背動應(yīng)力隨墻高的分布。

表2為砂土填土材料，在水平地震加速度峰值分別為0.2g、0.3g、0.4g下，單級垛式懸臂式擋墻墻后側(cè)向動應(yīng)力的最大值。

圖10 墻背動應(yīng)力分布

表2 擋墻動應(yīng)力的最大值(kPa)

1.在不同水平地震作用下的墻后側(cè)向動土壓力分布曲線類似，隨著墻高的增加逐漸的增大，近似為三角形分布，且最大動土壓力都出現(xiàn)在墻底，但與荷載作用下的靜土壓力呈線性分布有所不同的是，其所測的動土壓力分布呈非線性分布；

2.在相同水平地震作用下，地震加速度峰值為0.2g時，砂土的墻后土壓力為2.34kPa，但隨著峰值加速度的增大，土壓力非線性分布、數(shù)值也發(fā)生巨大變化。整體來看地震加速度為0.4g時，砂土的最大土壓力增加到3.31kPa，增加了41%。這說明在相同地震加速度作用下，由于砂土為無粘性土，墻后填土中出現(xiàn)了裂縫，并逐步形成了貫通的破裂面。

3 結(jié)語

3.1 單級懸臂式擋土墻水平地震加速度隨著墻高的增加而呈遞增趨勢，且加速度峰值都發(fā)生在擋墻墻頂。

3.2 在不同水平地震加速度峰值作用下，單級懸臂式擋墻的水平動位移隨著墻高的增高而逐漸增大。從振動臺模型試驗的分析得到，單級懸臂式擋土墻整體位移都較小，且擋墻都是遠(yuǎn)離填土方向移動。

3.3 地震荷載作用下，單級懸臂式擋土墻的動應(yīng)力分布類似三角形分布。則在設(shè)計單級垛式懸臂式擋土墻的時候，擋墻必須滿足局部和整體的各個方面的穩(wěn)定性要求。

3.4 從室內(nèi)模型試驗結(jié)果可知：在相同水平地震加速度峰值條件下，擋墻的水平動位移和動應(yīng)力還要受到擋墻剛度、墻背粗糙程度、填土彈模等因素的影響，當(dāng)填料一定的情況下，與擋墻高度最為密切。柔性擋墻在彈性變形范圍內(nèi)可以起到一定的卸荷作用，但介于本模型試驗中單級懸臂式擋土墻尺寸過小，擋墻剛度較大，而應(yīng)力又較小，因此其柔性特點沒有得到明顯的體現(xiàn)。

[1]張國祥.三維邊坡滑動面及穩(wěn)定性的非線性彈塑性有限元分析[D].長沙鐵道學(xué)院博士學(xué)位論文,1999.

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（責(zé)任編輯：陳 輝）

Experiment of Cantilevered Retaining Wall Shaking Table Model and Its Dynamic Analysis

FU Zhi-ming

（China Railway 24th Bureau Group Xinyu Engineering Co.,Ltd.,Xinyu 338000,China）

According to similarity theory,the similarity relations of themain physical quantities were studied in this paper，themain similarity coefficients and the simulation materials and itsmain properties of physical and mechanics for small-scale shaking tablemodel testswere determined.Shaking table testswere conducted on cantilevered retaining wall filled with sand under horizontal seismic loading to investigate the dynamic response of the wall.The horizontal acceleration,dynamic horizontal displacement,dynamic stress of cantilevered retaining wall was achieved by model tests under different peaks of horizontal earthquake incentives.Through case studies,this paper provides reference for the seismic design of cantilevered retaining wall.

cantilevered retaining wall;shaking table model test;horizontal earthquake incentives;dynamic characteristics

G741

A

123（2015）03-0030-05

2014-11-21

傅志明（1988-），男，江西新余人，中鐵二十四局集團(tuán)新余工程有限公司，助理工程師。研究方向：城市軌道設(shè)計。