董連成， 王運瑞， 徐 禛

(黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

地震作用下路基的穩(wěn)定性是巖土工程十分關(guān)心的問題之一。我國地處兩大活躍地震帶環(huán)太平洋地震帶及地中?！柴R拉雅地震帶之間，板塊構(gòu)造和動力條件決定我國是一個地震高發(fā)的國家。

盡管相似材料的選取和邊界條件處理等不足一直制約著模型實驗的發(fā)展，但振動臺模型實驗仍以其可重復(fù)性和可操作性等優(yōu)點被采用，是了解結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)和地震破壞形態(tài)的一種重要手段。邱長林等[1]開展了比例尺為1∶20的路基大型振動臺模型實驗，研究路基結(jié)構(gòu)對地震波加速度的動力放大效應(yīng)。郭興方[2]利用振動臺模型與相似級配實驗，確定了巨粒土的最大干密度與壓實度控制標(biāo)準(zhǔn)。孫發(fā)權(quán)[3]利用振動臺對路基模型施加豎直和水平雙向地震荷載，研究路基結(jié)構(gòu)不同部位的加速度和位移響應(yīng)特點，分析了重力式擋土墻的加速度動力響應(yīng)規(guī)律。M.E.ZAEI等[4]基于Rock P軟件和Morgestron-Price 穩(wěn)定性方法，分析了強震對滑坡失穩(wěn)的影響。李金貝等[5-6]以加砂30%的紅黏土為填料，分別進行了有支擋結(jié)構(gòu)和無支擋結(jié)構(gòu)路基模型的振動臺模型實驗，通過FLAC3D與振動臺實驗對照，確定路基最大加速度響應(yīng)一般發(fā)生在路基頂部和擋土墻頂部位置。 王建[7-8]利用振動臺模型實驗重現(xiàn)“大震-中震型”、“中震-大震型”不同地震序列作用下路堤模型的損傷演化過程，揭示了不同地震序列對路堤損傷的影響，為評估路堤震害模式及修復(fù)措施提供參考。G.Gazetas 等[9]采用有限元法對混凝土擋墻、預(yù)應(yīng)力錨固樁和加筋擋土墻的地震動力特性進行了數(shù)值模擬。朱宏偉[10]采用大型振動臺模型實驗與數(shù)值模擬方法，研究了地震作用下柔性擋墻和剛性擋墻的動力響應(yīng)特性和變形破壞機制。

筆者依托于試運行的哈佳高鐵，設(shè)計了地震模擬振動實驗方案，考慮地震波強度、頻率、類型因素的影響，研究路堤在地震動荷載下的動力響應(yīng)及震后路堤的破壞形態(tài)，為完善抗震設(shè)計方法、提高鐵路建設(shè)質(zhì)量提供服務(wù)。

1 實 驗

1.1 實驗設(shè)備及模型

振動臺臺面尺寸2.7 m×1.7 m，最大載重量為90 kN，最大抗傾覆力矩50 kN·m，最大加速度1 g，工作頻率范圍0.1～20 Hz，水平向最大行程±150 mm。

實驗在模型箱內(nèi)進行，選用三面固定一端開口的剛性模型箱，外觀尺寸2.2 m×1.5 m×1.8 m。利用剛性邊界固定，采用等邊角鋼和鋼板制作支撐框架。在四壁內(nèi)側(cè)貼一層厚度為4 cm的聚苯乙烯泡沫板作為減震層，泡沫板表面襯上一層聚乙烯塑料薄膜以減少土體與箱壁之間的滑動摩擦。

振動臺實驗?zāi)Ｐ吐返瘫壤邽?∶20。在模型制作時，填土逐層鋪設(shè)并壓實，地基部分每5 cm為一層，一共6層，路堤部分則每10 cm為一層，一共4層。模型示意及傳感器布置見圖1。

圖1 模型示意與傳感器布置Fig. 1 Model sketch and sensor arrangement

歸一化后的地震加速度時程曲線和其對應(yīng)的傅氏譜如圖2、3所示。

圖2 EL-centro波加速度時程曲線及傅氏譜Fig. 2 Acceleration time history curve and Fourier spectrum of EL-centro wave

圖3 南京波加速度時程曲線及傅氏譜Fig. 3 Acceleration time history curve and Fourier spectrum of Nanjing wave

1.2 相似關(guān)系及材料選擇

模型設(shè)計最關(guān)鍵的是確定模型與原型之間的相似關(guān)系。實驗以模型幾何相似比、密度相似比和加速度相似比為控制參量，按Bockingham π定理導(dǎo)出各物理量之間的相似關(guān)系，見表1。

表1 模型相似關(guān)系與相似常數(shù)Table 1 Similarity relation and constant of model

為了確保實際路堤地震響應(yīng)與模型的地震模擬相似度，提高實驗結(jié)果的說服力，路堤模型填料選用施工場地的原料土。哈佳高鐵路堤填土類型共分2種，分別為混拌的A、B組土和混拌的A、B、C組土，其中A、B、C種土料都是依據(jù)《鐵路路基施工規(guī)范》的要求進行篩選。綜合考慮實驗精度與篩配工程量的大小，選用等量替代法處理粒徑過大的問題，完成土料配置并測得不均勻系數(shù)8.72，曲率系數(shù)1.65。A、B組土最優(yōu)含水率11.2%、最大干密度1.858×103kg/m3，A、B、C組土最優(yōu)含水率10.6%、最大干密度1.847×103kg/m3。

1.3 地震波加載方式

實驗輸入的地震波為EL-centro波和南京波，按照相似關(guān)系對這兩種地震波進行歸一化處理。每次地震波輸入前先進行時長20 s的高斯白噪聲微振實驗，幅值取0.03 g。以0.1 g為幅值梯度依次輸入EL-centro波、南京波，幅值區(qū)間從0.05 g到0.60 g，時間壓縮比為9.457，直至模型出現(xiàn)破壞性損傷。每級別加速度的作用時間為30～60 s，在每級地震波加載完成后，暫停不少于5 min，觀察現(xiàn)象和采集數(shù)據(jù)，然后施加下一級的加速度，具體加載方案見表2。

表2 地震波加載方案Table 2 Seismic wave loading scheme

2 模型路堤的動力響應(yīng)

2.1 加速度響應(yīng)

表3、4為模型加載兩種地震波時，不同臺面激勵加速度峰值對應(yīng)的各監(jiān)測點實測加速度峰值，其中，A0處數(shù)據(jù)為臺面測點的實測加速度峰值。由數(shù)據(jù)比較可以看出，低強度地震波工況下路堤頂部的加速度與臺面輸入加速度相差可達(dá)1.5倍左右。加速度峰值放大系數(shù)在模型路肩附近的增長趨勢尤為劇烈，路肩處的加速度峰值是整個傳遞過程中的最大值。對于整個路堤結(jié)構(gòu)，隨著臺面輸入地震波幅值的增大，各測點的加速度峰值放大系數(shù)逐漸縮小。

表3 EL-centro波下各測點水平向加速度響應(yīng)峰值Table 3 Maximum horizontal acceleration of each measruing point under EL-centro seismic waves

表4 南京波下各測點水平向加速度響應(yīng)峰值Table 4 Maximum horizontal acceleration of each measruing point under Nanjing seismic

圖4為路堤模型在EL-centro波(Ct=9.457)水平向激勵下，各測點的加速度峰值(PGA)放大系數(shù)分布曲線。圖4a為放大系數(shù)沿路面寬度的分布，可以看出同一工況下加速度峰值放大系數(shù)差距不大。

從圖4b、c可以看出，邊坡對地震波加速度有明顯的放大作用，下邊坡路肩處增幅最大，最大處放大系數(shù)為2.411(工況3、測點4)，且同一工況下路肩加速度響應(yīng)峰值下邊坡處略大于上邊坡處。圖4d給出了路堤中心線處加速度峰值放大系數(shù)，隨著高度h的增加,加速度峰值放大系數(shù)呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的趨勢，最大處放大系數(shù)為2.318(工況3、測點5)。

圖4 模型各測點加速度峰值放大系數(shù)分布曲線Fig. 4 Acceleration amplification distribution on embankment model

2.2 土壓力響應(yīng)

地震模擬振動實驗中，在路堤模型不同高度處分別埋置了4個土壓力傳感器，EL-centro波和南京波激勵下路堤內(nèi)部土壓力峰值如表5、6所示，圖5為不同地震波下路堤模型內(nèi)部土壓力隨高度變化曲線。由圖5可知，路堤模型內(nèi)部的土壓力隨高度的增加先急速減小，在四分之三坡高處達(dá)到最小值，然后在坡肩位置附近緩慢增加。在路堤結(jié)構(gòu)中，坡底處的土壓力達(dá)到最大值，在同一地震波工況激勵下是坡頂處土壓力的3倍左右，且南京波作用下的路堤內(nèi)部土壓力要大于EL-centro波。

表5 EL-centro波下路堤不同高度土壓力峰值Table 5 Peak pressure of embankment at different height under EL-centro seismic waves

表6 南京波下路堤不同高度土壓力峰值Table 6 Peak pressure of embankment at different height under Nanjing seismic waves

圖5 路堤模型內(nèi)部土壓力沿高度變化規(guī)律Fig. 5 Change rule of soil pressure along height in embankment model

呈現(xiàn)這種分布規(guī)律的原因是，影響路堤結(jié)構(gòu)土壓力的因素是監(jiān)測點位所處位置的路堤截面幾何寬度與該點位處的水平加速度，幾何寬度較大的部位路堤填土的質(zhì)量也就越大，由于路堤底部的寬度最大，路堤上部結(jié)構(gòu)的尺寸較小，因此，路堤水平地震力主要是隨高度的增加而逐漸遞減，同時路堤頂部的加速度響應(yīng)比較強烈，所以，在路頂附近的土壓力會出現(xiàn)緩慢增長的態(tài)勢。從各地震波激勵下的路堤土壓力分布曲線可以看出，輸入地震波波形的變化對土壓力分布規(guī)律的影響有限，主要影響因素為地震波強度及路堤的空間幾何結(jié)構(gòu)。

2.3 地震波類型的影響

考慮到高強度地震波工況中地震波幅值對路堤動力響應(yīng)的影響權(quán)重較大，先期頻繁的振動也會造成實驗數(shù)據(jù)一定程度的失真，因此，以低強度的工況5、工況9為例，分析下邊坡測點在上述工況下的加速度峰值放大系數(shù)，如圖6所示。從圖6可以看出，在南京波作用下的路堤下邊坡加速度放大系數(shù)較EL波作用下的路堤下邊坡加速度放大系數(shù)大。數(shù)據(jù)表明在輸入不同的波頻譜時，引發(fā)的加速度響應(yīng)差距較為明顯。

圖6 不同類型地震波作用下各測點處PGA放大系數(shù)Fig. 6 PGA amplification coefficients of measuring points under different kinds of seismic waves

2.4 地震波幅值的影響

為了研究地震波幅值對路堤加速度響應(yīng)的影響，制定了以0.10 g為幅值梯度、幅值區(qū)間為0.05～0.60 g的地震波加載方案，并進行時間壓縮比9.457的地震模擬振動實驗。結(jié)果表明，各地震波作用下路堤加速度響應(yīng)表現(xiàn)出相似的規(guī)律。圖7為上述工況下測點4處的PGA放大系數(shù)。從圖7可以看出，臺面輸入地震波的幅值越大，路堤模型各部位的加速度峰值放大系數(shù)越小。放大系數(shù)減小的原因是隨著振動次數(shù)的累積與激勵強度的增加，路堤結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)損傷，土體的自振頻率有所降低，阻尼比逐漸增大，致使路堤加速度峰值放大系數(shù)縮小。

圖7 不同振幅地震波作用下測點4處PGA放大系數(shù)Fig. 7 PGA amplification coefficients of measuring point 4 under seismic waves with different amplitudes

2.5 地震波頻率的影響

自然釋放的地震波具有強度各異的高低頻分量，開展幅值為0.10 g，時間壓縮比分別為9.457、5.119、2.771和1.500的EL-centro波地震模擬振動實驗，研究地震波頻率對路堤加速度響應(yīng)的影響。圖8展示了測點6和測點15在不同頻率EL-centro波工況下加速度峰值放大系數(shù)變化規(guī)律。

圖8 不同頻率EL-centro波工況下路堤測點的加速度放大系數(shù)Fig. 8 Acceleration magnification coefficient of embankment measuring points under different frequency EL-centro seismic waves

由圖8可以看出，路堤測點加速度峰值放大系數(shù)并非隨頻率的增加而簡單地呈現(xiàn)單調(diào)遞增或遞減規(guī)律，而是出現(xiàn)先增大后減小的二段變化，表明高頻或是低頻地震波對路堤的加速度激勵效果并不明顯，在時間壓縮比為4～6的區(qū)間內(nèi)，路堤的加速度峰值放大系數(shù)出現(xiàn)最大值，是因為該區(qū)間內(nèi)EL-centro波的卓越頻率與路堤模型的自振頻率接近，引發(fā)一定程度的共振。

2.6 模型路堤損傷情況

當(dāng)臺面輸入不同地震波峰值加速度時，路堤模型損傷情況如圖9所示。

圖9 路堤模型損傷Fig. 9 Demage of embankment model

當(dāng)臺面輸入地震波峰值加速度為0和0.10 g的EL-centro波時，模型表面沒有裂縫出現(xiàn)，土體結(jié)構(gòu)完好。當(dāng)臺面輸入地震波峰值加速度達(dá)到0.20 g的EL-centro波時，加速度放大系數(shù)最大的模型頂部與坡肩位置附近的土體有松散和脫落現(xiàn)象，并且伴有下陷情況，震后基頂最終下降量6 mm，同時，在水平地震力作用下，下邊坡坡腳向外剪出。隨著臺面輸入地震波加載到0.30 g的EL-centro波時，路堤頂部開始產(chǎn)生細(xì)小的豎向裂縫，路肩的脫落現(xiàn)象加劇。當(dāng)臺面輸入地震波加速度峰值增加至0.40 g的EL-centro波時，原先出現(xiàn)的裂縫的深度與寬度都進一步拓展，并且發(fā)育出更多細(xì)小裂紋向周邊延伸，兩側(cè)坡肩的土體松動明顯，有小面積的淺層滑動現(xiàn)象。臺面激勵強度達(dá)到0.50 g的EL-centro波時，坡肩與三分之一坡高處的水平裂縫幾近橫穿整個路堤坡面， 水平裂縫之間通過豎向裂縫相連。當(dāng)臺面輸入地震波峰值加速度達(dá)到0.60 g的EL-centro波時，路堤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，整體性大幅度降低，上下兩側(cè)坡肩處的裂縫沿基頂寬度方向匯合，形成貫通裂縫。此時，路堤模型開始出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象，坡腳被余土覆蓋，經(jīng)測量路堤頂部的最終沉降量達(dá)到12.5 mm，路堤已經(jīng)喪失基本的使用功能。

3 結(jié) 論

通過縮尺模型振動實驗，研究哈佳高鐵典型路堤的地震動力響應(yīng)。得出以下結(jié)論：

(1)路堤對輸入地震波具有明顯的放大作用，在路肩附近急劇增大。填方路堤的路肩處在地震中相對較容易開裂，這同時與路肩處實際壓實程度有關(guān)，是抗震薄弱環(huán)節(jié)。

(2)當(dāng)臺面輸入地震波強度小于0.20 g時，路堤模型變形狀況良好，整體穩(wěn)定性較好，表面無明顯損傷，只有少量沉降。臺面輸入地震波的加速度幅值越大，路堤的位移響應(yīng)越明顯，同一加載工況下的上下兩側(cè)邊坡的破壞形式相似，路堤中上部的位移響應(yīng)較大。