李玲君，劉斯宏，徐小東，張雨灼

(1．江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇南京 210014;2．河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098)

擋土墻作為防止土體坍塌的永久或臨時性建筑物，廣泛應用于土木建筑、水利水電、鐵道橋梁交通、水土保持和礦山坑道等工程建設中。常見的擋土墻主要有兩類:一類是以混凝土或漿砌石為主要材料的重力式、懸臂式等傳統(tǒng)剛性擋土墻，該類擋土墻形式簡單、施工方便，但在受到地震荷載作用時，墻體既不能轉(zhuǎn)動，也不能產(chǎn)生相對墻后土體的位移，較易發(fā)生破壞［1-2］;另一類是采用土工合成材料的加筋土擋土墻，該類擋土墻具有一定的柔性和變形適應能力，在一定范圍內(nèi)可承受較大的地基變形，其良好的抗震性能在近幾年的多次大型地震中得到了較好的驗證［3］。

近年來，許多學者致力于加筋土柔性擋土墻的研究，尤其是加筋土擋土墻抗震性能的研究，如El-Eman等［4-10］開展了一系列加筋土擋土墻振動臺和離心模型試驗，實測了振動作用下加筋土擋土墻的動力響應;劉華北等［11-12］使用有限元方法建立了數(shù)值模擬模型，理論分析了筋材的長度、性質(zhì)、布置形式以及回填土的密實度和擋土墻尺寸等對加筋土擋土墻動力響應特性的影響。目前，加筋土技術(shù)日趨成熟，對加筋土擋土墻的受力與變形的影響研究較為深入，其在工程建設中的應用日益廣泛。劉斯宏等［13-20］對土工袋增強機理、工程特性等進行了研究，結(jié)果表明，土工袋利用袋子的張力以提高袋內(nèi)土體的強度，對土體而言是一種加筋，因而可將土工袋直接應用于構(gòu)筑擋土墻。土工袋擋土墻作為一種新型的加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)，不僅具有常規(guī)加筋土擋土墻的優(yōu)勢，如造價低廉、施工方便、地基適應性好，同時具有一定的柔性，在墻后土壓力作用下能夠產(chǎn)生一定的變形，可有效地減小墻后土壓力，有利于擋土墻的穩(wěn)定。目前，日本已有若干土工袋擋土墻的工程實例［15］，國內(nèi)也有所應用，如湖南邵陽修建了一座5級袋裝碎石重力式擋土墻(每級高4.5 m)［21-22］。但總的來說土工袋柔性擋土墻作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，其應用尚屬于起步階段，人們對其動力特性鮮有研究。

本文通過土工袋柔性擋土墻小型振動臺試驗，研究地震三要素即輸入加速度、振動頻率、振動持續(xù)時間(動力持時)，以及土工袋大小對土工袋柔性擋土墻動力特性的影響，從水平位移、動土壓力以及水平加速度三方面分析土工袋擋土墻的抗震性能。

1 試驗設計

1．1 試驗裝置

試驗在DY-600-5電動式小型振動臺上進行，振動臺主要由信號發(fā)生器、功率放大器、激勵電源、振動臺體和測量與控制系統(tǒng)5個部分組成，最大負載3kN，最大加速度490m/s2，最大速度1m/s，最大位移51mm。采集系統(tǒng)選用東華測試DH5922系列的動態(tài)信號測試分析裝置(16通道)，系統(tǒng)不確定度小于或等于0.3%，放大器頻率響應范圍為0～100kHz。

1．2 模型設計及數(shù)據(jù)采集

圖1 模型試驗裝置

試驗所采用的剛性模型箱尺寸為120 cm×45 cm×50cm(長×寬×高)，由鋼板、有機玻璃、角鋼等焊接而成，底面用螺栓固定于振動臺臺面上，如圖1所示。模型箱底面采用5mm厚的鋼板，四面采用厚度為10 mm的鋼化有機玻璃，以觀察擋土墻的破壞形式。模型箱底部鋪設3 mm厚的聚氯乙烯泡沫板以防波的反射干擾，并在泡沫板表面設置1層砂紙以減小擋土墻與底板間的滑動;在與擋土墻相反的一端側(cè)壁設置厚10 mm的海綿墊，以減少邊界條件對變形產(chǎn)生的影響;在模型箱長度方向兩側(cè)壁的內(nèi)表面涂上1層潤滑硅脂，并覆蓋1層塑料薄膜，以減小模型箱兩側(cè)壁的摩擦影響。

土工袋擋土墻長45 cm、寬40 cm、高45 cm，由2種規(guī)格(20cm×20cm×4.5cm和20cm×10cm×4.5 cm)的土工袋交錯布置、垂直堆放而成(共10層)。土工袋原材料為聚丙烯(PP)，每平方米質(zhì)量為70 g，經(jīng)、緯向拉伸強度分別為11.6 kN/m與5.2 kN/m，經(jīng)、緯向伸長率均小于25%。土工袋內(nèi)土體與墻后填土均為某一天然河砂，內(nèi)摩擦角為35.4°，黏聚力為3.25kPa，含水率為3.26%，密度為1.75g/cm3。

試驗中采集的數(shù)據(jù)包括:擋土墻水平位移、動土壓力、加速度，其模型布置見圖2。具體布置情況如下:①沿擋土墻外側(cè)高度方向布置3個拉線式位移計(精度0.01 mm，最大量程25 mm)。②在土工袋擋土墻墻后沿高度方向布置5個應變式動土壓力計(直徑25mm，高度8mm，靈敏度2.0～1.0mV/V，量程50 kPa)，以測試水平動土壓力值。試驗時用雙面膠將動土壓力計豎直固定在土工袋的側(cè)面，使得受力面保持豎直。③在墻后填土中沿高度方向布置5個DH201-100壓阻式加速度計(電荷靈敏度0.03～0.06mV/ms2，安裝諧振頻率0～3kHz，使用頻率0～1.5 kHz，工作溫度 －20～80℃，質(zhì)量約為2g，最大量程為1000 m/s2)。為減小測試誤差，將加速度計用玻璃膠固定在一個方盒中，實現(xiàn)加速度計與周邊土體協(xié)同運動。④在振動臺臺面固定一個加速度計以量測振動臺輸入加速度(振源加速度)。

圖2 模型布置示意圖 (單位:cm)

1．3 裝樣過程

首先，在模型箱內(nèi)構(gòu)筑土工袋擋土墻(土工袋上下層交錯排列，每鋪設1層，用小型平板碾壓實1次，壓實密度約為1.75 g/cm3);模型擋土墻構(gòu)筑完成后，采用與土工袋袋內(nèi)填充材料相同的天然河砂進行墻后回填，分層填筑、分層壓實。分層的高度與量測儀器(動土壓力計及加速度計)埋設高度一致，填土的壓實密度為1.75 g/cm3。河砂填至擋土墻高度后，將位移計、動土壓力計和加速度計數(shù)據(jù)清零，以消除埋設過程的影響。

1．4 加載工況

地震時地面水平向運動加速度一般比豎直向運動加速度大，而結(jié)構(gòu)物抵抗豎向荷載的能力通常比抵抗側(cè)向變形的能力強，因此，很多情況下，主要是考慮水平向地震作用的影響，本試驗也僅考慮水平向的振動作用。由于本試驗使用的小型電動振動臺無法模擬實際的地震波，故試驗采用正弦波形，臺面振動時程曲線見圖3，進行不同輸入加速度峰值(0.1g～0.4g)、振動頻率(6～12 Hz)以及動力持時(1～50 s)的振動臺試驗。

圖3 輸入振動波時程曲線

為了研究土工袋大小對擋土墻動力特性的影響，進行了相同條件下大土工袋擋土墻的振動臺試驗。大土工袋擋土墻斷面尺寸與普通土工袋擋土墻斷面尺寸相同，均為45cm×40 cm×45 cm(長×寬×高)，由40 cm×40cm×11cm的土工袋垂直堆放而成(共4層)。

2 試驗結(jié)果及分析

擋土墻的動力響應包括位移、動土壓力、動應變、速度和加速度響應等，其中位移、動土壓力和加速度響應及其分布規(guī)律是評價擋土墻地震動力特性的基本資料。擋土墻在地震作用下發(fā)生背離墻后填土方向的位移，此時擋土墻所受土壓力將減小。在試驗開始前先對動土壓力計測量值進行歸零處理，試驗中測得的土壓力值為振動引起的土壓力值的增量，稱為動土壓力。動土壓力與擋土墻的變形及測點在擋土墻內(nèi)的埋深有關，為了更好地說明動土壓力沿墻高的變化，定義動土壓力系數(shù)為動土壓力與該測點靜土壓力的比值。加速度響應以加速度放大倍數(shù)來表示，即各高程測點振動加速度最大值相對于輸入加速度的比值。

2．1 輸入加速度的影響

圖4 不同輸入加速度下?lián)跬翂Φ膭恿憫?/p>

圖4為振動頻率6 Hz、動力持時50 s時，不同輸入加速度情況下土工袋擋土墻外側(cè)水平位移、動土壓力系數(shù)及加速度放大倍數(shù)沿墻高的分布。由圖4可知:①在水平振動下，擋土墻的水平位移頂部大、底部小，類似于懸臂梁的水平晃動。這是由于輸入加速度沿墻高有放大效應，因此，擋土墻水平位移最大值出現(xiàn)在墻體頂部，而墻趾處外凸變形受到基礎限制增長緩慢，遠小于擋土墻頂部的水平位移。②隨著輸入加速度的增大，振動的強度越來越大，土工袋擋土墻的水平位移也逐漸增大。當輸入加速度不大于0.2g時，土工袋擋土墻位移較小，墻體頂部水平位移不到0.5 mm;當輸入加速度增大至0.3g時，土工袋擋土墻水平位移增大至2.2 mm，墻趾處位移依然不到1 mm;隨著輸入加速度繼續(xù)增大，位移增長幅度越來越大，當輸入加速度為0.4g時，擋土墻頂部位移迅速增大至9.3 mm，而擋土墻墻趾處位移僅約為1 mm。③墻后動土壓力系數(shù)分布總體上與擋土墻的位移分布一致，即頂部大、底部小，且動土壓力系數(shù)隨著輸入加速度的增大而增大，其原因為擋土墻上部變形較大，填土松動，動土壓力系數(shù)相應較大，而擋土墻下部位移較小，動土壓力系數(shù)增長較慢。④加速度放大倍數(shù)隨著墻高和輸入加速度的增大而增大。臺面輸入的振動波沿擋土墻向上傳播時，經(jīng)過反射、折射與疊加作用，使加速度響應在墻頂顯著增大。

2．2 振動頻率的影響

圖5為輸入加速度0.3g、動力持時50 s時，不同的振動頻率情況下土工袋擋土墻水平位移、動土壓力系數(shù)及加速度放大倍數(shù)沿墻高的分布?？梢?①土工袋擋土墻的水平位移隨著振動頻率的增大而減小，且頻率對擋土墻中上部水平位移影響較顯著，對墻趾處位移影響不大。當輸入的振動頻率較低時，振動臺來回振動的幅度相對較大，使得墻體發(fā)生較大的變形，而隨著振動頻率的增大，振幅逐漸減小，擋土墻的水平位移也隨之減小。當振動頻率為6 Hz時擋土墻頂部水平位移達2.5 mm，是頻率為12 Hz時的3倍。②動土壓力系數(shù)分布總體上與土工袋擋土墻的位移分布相對應，隨著頻率的增大而減小。其理由為土工袋擋土墻的水平位移在振動頻率低時較顯著，填土也更為松動，導致動土壓力系數(shù)相應較大，例如振動頻率為6 Hz時，擋土墻頂部動土壓力系數(shù)達0.52，約為頻率為12 Hz時的2倍。③土工袋擋土墻的加速度放大倍數(shù)隨著振動頻率的增大而增大。振動頻率較高時，加速度放大倍數(shù)增長趨勢顯著，越接近墻頂處，加速度放大倍數(shù)差距越明顯，振動頻率為12 Hz時，擋土墻頂部加速度放大倍數(shù)達1.7，而振動頻率6 Hz時，擋土墻頂部加速度放大倍數(shù)不足1.2。

2．3 動力持時的影響

圖5 不同振動頻率下?lián)跬翂Φ膭恿憫?/p>

地震動力持時是影響結(jié)構(gòu)破壞的重要參數(shù)，為了研究該參數(shù)對土工袋擋土墻動力特性的影響，對模型底部輸入水平加速度為0.3g、周期為1s的正弦波，觀測土工袋擋土墻頂部水平位移、加速度放大倍數(shù)與動力持時的關系，見圖6?？梢姡瑒恿Τ謺r對土工袋擋土墻的影響主要集中于振動初期，振動開始的10s內(nèi)土工袋擋土墻頂部位移急劇增大至2.2 mm，此后擋土墻頂部水平位移增長較小，維持在2.5 mm左右，加速度放大倍數(shù)也呈現(xiàn)相同的趨勢。這也反映出在振動過程中隨著地震動能量的增加，擋土墻損傷在不斷地累積，振動結(jié)束后墻頂位移并沒有減小，表明位移為永久性位移。

圖6 擋土墻頂部水平位移及加速度放大倍數(shù)的時程分布曲線

2．4 土工袋大小的影響

圖7 不同輸入加速度下兩種擋土墻外側(cè)水平位移沿墻高的分布

圖7為振動頻率6 Hz，動力持時50s時，不同輸入加速度情況下，由兩種不同尺寸的土工袋構(gòu)筑的擋土墻水平位移沿墻高的分布。可見，不同輸入加速度下，普通土工袋構(gòu)筑的擋土墻水平位移均小于大土工袋擋土墻。當輸入加速度不大于0.2g時，兩種擋土墻的水平位移均不超過1.2 mm，大土工袋擋土墻略大些;隨著輸入加速度增大至0.3g，兩種擋土墻的位移逐步增大，大土工袋擋土墻頂部水平位移達3.8 mm，而普通土工袋擋土墻位移不足2.5 mm;當輸入加速度達0.4g時，大土工袋擋土墻中上部位移過大，頂部土工袋開始滑落，出現(xiàn)局部倒塌，而此時普通土工袋擋土墻頂部位移不足10 mm，仍然維持穩(wěn)定。兩種擋土墻的動土壓力系數(shù)與加速度放大倍數(shù)沿墻高的分布規(guī)律與水平位移類似，均是大土工袋構(gòu)筑的擋土墻動土壓力系數(shù)與加速度放大倍數(shù)比普通土工袋擋土墻大。因此，與大土工袋構(gòu)筑的擋土墻相比，普通土工袋擋土墻抗震性能更好，主要由于以下原因:①普通土工袋擋土墻袋與袋之間、層與層之間的聯(lián)結(jié)作用比大土工袋擋土墻更緊密;②普通土工袋本身由袋發(fā)生拉伸與收縮變形而引起的能量耗散，以及由袋內(nèi)土顆粒之間的摩擦錯動而引起的能量耗散比大土工袋更多;③普通土工袋擋土墻袋與袋之間的空隙允許土工袋在水平向振動作用下發(fā)生小幅度的變形滑移。雖然大土工袋擋土墻抗震性能略差，但是其施工簡便快捷，效率較高，可以用于抗震要求較低的地區(qū)或者工期較緊的工程。

3 結(jié)論

a．輸入加速度越大，振動頻率越低，土工袋擋土墻中上部變形越顯著，而擋土墻底部變形受輸入加速度和頻率的影響較小。動力持時對土工袋擋土墻的動力特性影響不大。

b．與普通土工袋相比，采用大土工袋構(gòu)筑的擋土墻抗震性能略差，但其施工簡便，效率較高，可以用于抗震要求較低的地區(qū)或者工期較緊的工程。

［1］張建經(jīng)，韓鵬飛．重力式擋土墻基于位移的抗震設計方法研究:大型振動臺模型試驗研究［J］．巖土工程學報，2012，34(3):416-423．(ZHANG Jianjing，HAN Pengfei．Displacement-based aseismic design method for gravity retaining walls:large scale shaking table tests［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34(3):416-423．(in Chinese))

［2］朱宏偉，姚令侃，蔣良濰．考慮變形影響的重力式擋土墻地震土壓力分布［J］．巖土工程學報，2013，35(6):1035-1044．(ZHU Hongwei，YAO Lingkan，JIANG Liangwei．Distribution of seismic earth pressure on gravity retaining walls considering influence of deformation［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2013，35(6):1035-1044．(in Chinese))

［3］TATSUOTA F，TATEYAMA M，KOSEKI J． Behavior of geogrid-reinforced soil retaining walls during the Great Habshin-Awaji Earthquake ［C］/ /Proceedings of 1st International Symposium on Geotechnical Earthquake Engineering． Lewistown: ASCE， 1995: 55-60．

［4］EL-EMAN M M，BATHURSTR J．Experimental design，instrumentation and interpretation of reinforced soil wall response using a shaking table［J］．International Journal of Physical Modelling in Geotechnics，2004，4(4):13-32．

［5］EL-EMAN M M， BATHURSTR J． Influence of reinforcement parameters on the seismicresponseof reduced-scale reinforced soil retaining walls［J］．Geotextiles and Geomembranes，2007，25(1):33-49．

［6］LING H I，LIU H，MOHRI Y．Parametric studies on the behavior of reinforced soil retaining walls under earthquake loading［J］．Journal of Engineering Mechanics，ASCE，2005，131(10):1056-1065．

［7］LING H I，MOHRI Y，LESHCHINSKY D，et al．Largescale shaking table tests on modular-block reinforced-soil retaining walls［J］．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2005，131(4):465-476．

［8］楊果林，李海深，王永和．加筋土擋土墻動力特性模型試驗與動力分析［J］．土木工程學報，2003，36(6):105-110．(YANG Guolin，LI Haishen，WANG Yonghe．Model test on reinforced earth retaining wall under cyclic loading［J］．China Civil Engineering Journal，2003，36(6):105-110．(in Chinese))

［9］李海深，楊果林，鄒銀生．加筋土擋土墻動力特性分析［J］．中國公路學報，2004，17(2):28-32．(LI Haishen，YANG Guolin，ZOU Yinsheng．Analysisofdynamic character of reinforced earth retaining wall［J］．China Journal of Highway and Transport，2004，17(2):28-32．(in Chinese))

［10］王祥，周順華，顧湘生，等．路堤式加筋土擋土墻的試驗研究［J］．土木工程學報，2005，38(10):119-128．(WANG Xiang，ZHOU Shunhua，GU Xiangsheng，et al．An experimental study on the reinforced retaining wall for embankment［J］．China Civil Engineering Journal，2005，38(10):119-128．(in Chinese))

［11］劉華北． 水平與豎向地震作用下土工格柵加筋土擋土 墻動力分析［J］． 巖土工程學報， 2006， 28( 5) : 594-599． ( LIU Huabei． Analysis on seismic behavior of geogridreinforced retaining wall subjected to horizontal andvertical excitations［J］． Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2006， 28( 5) : 594-599． ( in Chinese) )

［12］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．(CHENG Huoyan，ZHOU Yitang，ZHONG Guoqiang．Study on the seismic properties of the reinforced soil retaining wall［J］．Journal of Highway and Transportation Research and Development，2004，21(9):16-20．(in Chinese))

［13］劉斯宏，松岡元．土工袋加固地基新技術(shù)［J］．巖土力學，2007，28(8):1665-1670．(LIU Sihong，MATSUOKA H．A new earth reinforcement method by soilbags［J］．Rock and Soil Mechanics，2007，28(8):1665-1670．(in Chinese))

［14］ MATSUOKA H，LIU Sihong．A new earth reinforcement method using soilbags［M］．London:Taylor＆ Francis Group，2006．

［15］劉斯宏，汪易森．土工袋技術(shù)及其應用前景［J］．水利學報，2007，38(增刊 1):644-648．(LIU Sihong，WANG Yishen．Reinforcement mechanism of soilbags and its applications［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2007，38(Sup1):644-648．(in Chinese))

［16］劉斯宏，白福青，汪易森．膨脹土土工袋浸水變形及強度特性試驗研究［J］．南水北調(diào)與水利科技，2009，7(6):54-58．(LIU Sihong，BAI Fuqing，WANG Yishen．Experimental study on wetting induced deformation and strength characteristics of soilbag filled with expansive soil［J］．South to North Water Transfers and Water Science ＆Technology，2009，7(6):54-58．(in Chinese))

［17］劉斯宏，汪易森．巖土新技術(shù)在南水北調(diào)工程中的應用研究［J］．水利水電技術(shù)，2009，40(8):61-66．(LIU Sihong，WANG Yishen．Application of new geotechnologies to South-to-North Water Diversion Project［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2009，40(8):61-66．(in Chinese))

［18］劉斯宏，王柳江，李卓．土工袋加固軟土地基現(xiàn)場荷載試驗的數(shù)值模擬［J］．水利水電科技進展，2012，32(1):78-82．(LIU Sihong，WANG Liujiang，LI Zhuo．Numerical simulation of in-situ loading tests on a soilbagreinforced soft foundation［J］．Advances in Science and Technology of Water Resources，2012，32(1):78-82．(in Chinese))

［19］劉斯宏，王艷巧，金遠征．土工袋基礎減隔震試驗［J］．水利水電科技進展，2012，32(1):87-90．(LIU Sihong，WANG Yanqiao，JIN Yuanzheng．Experimental study on vibration reduction and isolation of bases with soilbag［J］．Advances in Science and Technology of Water Resources，2012，32(1):87-90．(in Chinese))

［20］高軍軍，劉斯宏，王柳江．豎向荷載作用下土工袋的有限元數(shù)值模擬［J］．河海大學學報:自然科學版，2014，42(6):524-528．(GAO Junjun，LIU Sihong，WANG Liujiang．Numerical simulation of a soilbag under vertical loads by FEM［J］．Journal of Hohai University:Natural Sciences，2014，42(6):524-528．(in Chinese))

［21］馬石城，張勛武，李鋒．袋裝水泥土材料的力學性能試驗研究［J］．湘潭大學自然科學學報，2007，29(3):97-102．(MA Shicheng， ZHANG Xunwu， LIFeng．Experimental study of mechanical properties of sacked cemented-soil［J］．Natural Science Journal of Xiangtan University，2007，29(3):97-102．(in Chinese))

［22］孫見松．一種袋裝碎石重力式擋土墻的設計理論與應用研究［D］．湘潭:湘潭大學，2011．