不同壓實度路堤邊坡的地震殘余變形特性

林宇亮，楊果林

（中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075）

大量震害調查、研究經驗表明：由于土體橫向殘余位移和豎向沉陷引起的巖土構筑物震害占有相當大比例，很多巖土構筑物抗震設防的核心問題不再是強度問題，已逐漸轉變為以變形為控制標準。基于變形的設計方法是目前最重要的抗震設計理論之一。目前，國內外許多研究者采用振動臺模型試驗和數值模擬手段開展了土石壩[1?2]、邊坡[3?4]、垃圾填埋場[5]、加筋土擋墻[6?7]等結構的地震殘余變形特性，并獲得了大量研究成果。但關于不同壓實度路堤邊坡地震殘余變形特性的研究成果卻未見相關報道。汶川地震災害現場調研結果表明：在地震烈度8度及以上地區，鐵路路堤普遍出現下沉現象，如四川廣（漢）岳（家山）線路堤普遍下沉，下沉量一般為20～30 cm，最大下沉量約50 cm；寶（雞）成（都）鐵路路堤下沉量一般為3～30 cm，最大下沉量約50 cm；成（都）灌（都江堰）鐵路下沉量一般為20 cm左右。導致這種震害現象的原因是多方面的，其中壓實度不足是最主要的因素之一。在地震作用下，路堤邊坡可能發生的變形模式及殘余變形特性已是工程設計人員十分關心的問題，為此，本文作者以無砟軌道單線鐵路路堤為原型，填筑了路堤本體壓實度分別為95%，91%，87%和83%的4組路堤邊坡模型，采用振動臺試驗揭示和對比不同壓實度路堤邊坡的地震殘余變形特性。

1 振動臺模型試驗

1.1 模型試驗相似關系

為使模型試驗結果能盡可能真實地反映原型的變形特性，必須考慮模型與原型之間的相似率。土體材料的物理力學特性十分復雜，且其性質受填料的組分、應力狀態、荷載水平、歷時和歷史等諸多因素影響，目前尚難找到合適的模擬材料[8]。本文結合一些研究者在壩體、擋墻等結構物振動臺試驗相似設計[9?12]，采用原型填料為模型的模擬材料，以幾何尺寸、密度和重力加速度為控制量，按加速度時程輸入地震動激勵，并以地震波加速度和時間軸為臺面控制量，導出振動臺試驗主要物理量的相似關系，如表1所示。

表1 模型試驗相似關系Table 1 Similar design of model tests

1.2 試驗模型設計

試驗在模型箱內進行，模型箱內長×寬×高為3.6 m×1.5 m×2.0 m。為使模型箱自振頻率遠離土體自振頻率，通常采用提高模型箱的自振頻率或者降低模型箱的自振頻率的方法。本文選擇提高模型箱的自振頻率的方法，通過在模型箱兩側增加斜向支撐來提高模型箱剛度。經計算得到模型箱自振頻率達到120 Hz，可認為模型箱自振頻率遠高于土體自振頻率。為減小模型箱邊界振動波的反射，一方面，試驗采用大型模型箱，并將元器件布置位置盡可能遠離模型邊界；另一方面，在模型箱內側鋪墊一定厚度的聚乙烯泡沫板層[13]。

模型試驗填料為砂黏土[14]。經顆粒分析試驗可得，填料不均勻系數Cu=11.5，曲率系數Cc=1.04，可認為填料粒徑分布不均勻且級配良好，為A類填料，既可用于填筑路堤本體，也可填筑基床底層。通過擊實試驗可得填料的最佳含水量為 8.44%，最大干密度為 2.02 g/cm3。模型填筑時路堤本體壓實度分別按95%，91%，87%和83%控制夯實，基床表層均按95%來控制，共進行4組振動臺模型試驗。

路堤邊坡以下的地基為堅硬的巖石地基，試驗通過澆注約40 cm厚的混凝土來模擬；基床底層上面澆注級配碎石板，且與基床底層充分黏結。由于地震波是從模型底部往上傳播的，級配碎石板按上部結構配重設計。結合無砟軌道單線路堤結構以及模型相似率，級配碎石層厚度確定為0.1 m。

1.3 元器件布置情況

路堤邊坡地震殘余變形包括側向殘余變形和震陷變形，模型試驗分別布置水平土應變計和垂直土應變計來測試。水平和垂直土應變計結構形式為：傳感器兩端為鐵盤，采用細鐵絲連接，細鐵絲長度可根據實際情況進行調整。試驗時傳感器兩端的鐵盤隨同土顆粒一同發生變形和位移，試驗測試結果為兩端鐵盤的相對位移。每組路堤邊坡模型布置3個水平土應變計和3個垂直土應變計。水平土應變計分別布置在距混凝土基巖垂直高度0.3，0.6和1.2 m位置處，編號依次為H1，H2和H3，如圖1所示。采用垂直土應變計分別測試距混凝土基巖垂直高度0.6，1.2和1.5 m處的沉陷變形，編號依次為V1，V2和V3，如圖2所示。試驗時，在每次地震動激勵前、后分別讀數，前、后讀數之差視為該次地震動激勵產生的地震殘余變形。

1.4 試驗加載方案

圖1 水平土應變計布置示意圖Fig.1 Horizontal strain gauges layout

圖2 垂直土應變計布置示意圖Fig.2 Vertical strain gauges layout

試驗主要研究汶川波（代號 WC）激勵下路堤邊坡地震殘余變形特性。將汶川波水平加速度峰值 Axmax調整為0.1g，0.2g，0.4g，0.6g，0.8g和1.0g（1 g=9.8 m/s2），分別標識為工況 WC-1～WC-6，并按時間相似比對加速度時程曲線進行時間軸的壓縮，如圖3所示。輸入方式為X和Z雙向輸入，即豎向加速度峰值按水平向加速度峰值的2/3折減后進行疊加[15]。試驗中穿插時間長度不小于 48 s的高斯平穩白噪聲（加速度峰值為（0.03～0.05）g）激勵的微振試驗。試驗加載方法如圖4所示。4種壓實度路堤邊坡加載方法相同。

2 路堤地震殘余變形

2.1 路堤側向殘余變形

圖3 壓縮汶川波加速度時程曲線Fig.3 Acceleration versus time curves of compressed Wenchuan wave

圖4 振動臺試驗加載方法Fig.4 Loading rule of shaking table tests

圖5所示為不同壓實度路堤側向殘余變形沿路堤高度分布情況，表2所示為不同壓實度路堤在不同強度汶川波激勵下的最大側向殘余變形量及其發生位置的統計情況，圖6所示為不同壓實度路堤邊坡H3測點得到的側向殘余變形與臺面水平加速度峰值的關系曲線。從圖5和圖6及表2可以看出：

（1）不同壓實度路堤邊坡的側向殘余變形分布形狀有所差異。對于壓實度為95%和91%的路堤邊坡，當臺面水平加速度峰值小于0.6g時，最大側向變形發生在0.8H處；當地震動加速度峰值大于0.6g時，最大側向變形發生在0.4H處；對于壓實度為87%和83%的路堤邊坡，當加速度峰值大于0.4g時，最大側向變形發生在路堤0.8H處，這與試驗現象觀測到的壓實度為87%和83%路堤在路堤坡面頂部有較多土顆粒滾落的試驗結果是一致的。

（2）壓實度對路堤邊坡側向殘余變形影響顯著。當路堤邊坡壓實度小于90%時，隨著壓實度減小，側向殘余變形顯著增加；當路堤壓實度大于90%時，即使壓實度增大，側向殘余變形隨之減小趨勢也趨于緩和。因此，可定義90%為路堤側向殘余變形的界限壓實度。

圖5 不同壓實度路堤邊坡側向殘余變形沿路堤高度分布Fig 5 Lateral residual deformation distributions along height of different types of compaction embankment slopes

表2 不同壓實度路堤邊坡最大側向變形值及其位置Table 2 Maximum lateral residual deformation and its position of different types of compaction embankment slopes

（3）側向殘余變形隨臺面加速度峰值增大而增大。當水平加速度峰值大于0.6g時，路堤邊坡側向變形增幅明顯。由此可見：在地震高烈度區修建路堤結構，除了應保證填土具有較高壓實度外，還應采取措施約束和限制路堤側向變形。

2.2 路堤震陷變形

圖6 不同壓實度路堤邊坡側向變形與臺面水平加速度峰值關系（H3測點）Fig.6 Relationship between lateral residual deformation in H3 point of different types of compaction embankment slopes and peak acceleration of input seismic waves

圖7 壓實度為83%時路堤邊坡震陷變形沿路堤高度分布Fig.7 Seismic subsidence distributions along height of embankment slopes with compaction degrees of 83%

以壓實度為83%的路堤邊坡為例，圖7所示為路堤邊坡震陷變形沿路堤高度的分布情況。從圖7可見：震陷變形量沿路堤高度方向呈遞增趨勢，且震陷變形均為正值，即路堤沒有發生隆起現象。震陷變形總體較小，為毫米級，且震陷變形主要產生在0～0.8H處（即路堤本體部分）；（0.8～1.0）H 處（基床底層）產生的震陷變形量較小，這主要是由于基床底層達到了較高的壓實度，且厚度較小。

為直觀表述壓實度對路堤震陷變形的影響，給出路堤頂部震陷變形量（V3測點）隨壓實度變化的關系曲線，見圖8。從圖8可以看到：不同壓實度路堤震陷變形差別顯著，震陷變形隨壓實度增大而減小；當路堤壓實度小于90%時，隨著壓實度減小，路堤震陷變形顯著增加；當路堤壓實度大于90%時，即使壓實度增大，路堤震陷變形不再顯著減小。如：在工況WC-3（Axmax=0.4g）激勵下，壓實度為95%，91%，87%和83%路堤的震陷變形分別為0.17，0.21，0.40和1.14 mm，比值為 1:1.24:2.35:6.71。因此，可定義壓實度90%為震陷變形的界限壓實度。當路堤填筑壓實度小于該界限壓實度時，在地震作用下將可能產生相對較大的震陷變形，這對工程實體地震穩定性是不利的。

圖8 路堤邊坡震陷變形與壓實度關系曲線及三次多項式擬合結果Fig.8 Seismic subsidence and compaction degrees curves of embankment slopes and their fitting results by cubic polynomial

在不同強度汶川波激勵下，路堤震陷變形與壓實度關系曲線可采用三次多項式來擬合。假設路堤震陷變形表示為s（mm），壓實度表示為k（%），可得到路堤震陷變形s與壓實度k的關系。

當臺面激勵水平加速度峰值為1.0g時，

當臺面激勵水平加速度峰值為0.8g時，

當臺面激勵水平加速度峰值為0.6g時，

當臺面激勵水平加速度峰值為0.4g時，

當臺面激勵水平加速度峰值為0.2g時，

上述擬合結果相關系數 R均達到 1.0，擬合曲線如圖8所示。由圖8可見：采用三次多項式曲線擬合路堤震陷變形與壓實度關系是有效和可靠的。

圖9所示為不同壓實度路堤震陷變形與臺面水平加速度峰值的關系曲線。從圖9可見：臺面地震動強度對震陷變形影響顯著，隨著臺面加速度峰值的增大，震陷變形表現出明顯的遞增趨勢，尤其當加速度峰值大于0.6g時，震陷變形增幅顯著增加。路堤震陷變形主要由2部分組成：一部分是由于路堤填料震密壓實引起的震陷變形；另一部分為路堤側向變形引起的震陷變形。結合路堤邊坡殘余側向變形測試結果發現：當加速度峰值大于0.6g時，路堤震陷變形主要由側向殘余變形引起。由此可見：在地震高烈度區修建路堤結構，提高路堤壓實度以及采用措施限制路堤側向變形是提高路堤抗震性能切實、有效的方法。

圖9 不同壓實度路堤邊坡震陷變形與臺面加速度峰值關系（V3測點）Fig.9 Relationship between seismic subsidence in V3 point of different types of compaction embankment slopes and peak acceleration of input seismic waves

2.3 路堤邊坡的變形模式

路堤邊坡在地震作用下可能發生的變形模式大致可分為3種。

（1）震陷變形模式。在路基地基良好地段，地震地面變形以土體的振動壓實為主。一般而言，在地震作用下，路堤填料均會產生不同程度的振密，填料密實度越小，振密現象越明顯；另一方面，路堤斜坡面為臨空面，在水平地震力的作用下，路堤很容易產生側向變形，從而引起路基下沉。地震中，路堤填料震密與側向變形往往同時產生，二者共同作用導致路堤下沉，如圖10（a）所示。

（2）滑體變形模式。路堤結構在地震作用下可能形成滑裂面，滑體沿滑裂面下錯變形，如圖10（b）所示。

（3）滑塌模式。地震作用下路堤坡面頂面的填土可能直接滑塌，如圖10（c）所示。

上述震陷變形模式為小變形模式，其變形量可能為厘米級或毫米級。滑體變形量可達分米級或更大；滑塌模式則可能造成坡體的完全解體。

從振動臺試驗測試結果看，路堤邊坡的側向殘余變形和震陷變形都較小，如表2和表3所示。從表2和表3可見：路堤邊坡的側向殘余變形和震陷變形量均為毫米級，且震陷變形率均小于 1%，在試驗過程中也沒有發現滑裂面。路堤邊坡的變形模式為震陷變形模式。

圖10 路堤邊坡的變形模式Fig.10 Deformation mode of embankment slope

表3 不同壓實度路堤邊坡V3測點震陷變形測試結果Table 3 Test results of seismic subsidence in V3 point of different types of compaction embankment slopes

3 結論

（1）壓實度對路堤邊坡地震殘余變形影響顯著。路堤邊坡存在界限壓實度 90%。當路堤壓實度小于90%時，地震殘余變形也隨壓實度的減小而顯著增加；當路堤壓實度大于90%時，即使壓實度繼續增大，地震殘余變形不再顯著減小。路堤震陷變形與壓實度關系曲線可采用三次多項式來擬合。

（2）隨著臺面加速度峰值的增大，地震殘余變形表現出明顯的遞增趨勢，尤其是當加速度峰值大于0.6g時，地震殘余變形增幅顯著增大。而此時路堤邊坡震陷變形主要由側向殘余變形所引起，因此，在地震高烈度區，除了應保證路堤壓實度要求外，應采取措施限制路堤邊坡的側向變形。

（3）不同壓實度路堤邊坡在強震激勵下的變形模式為震陷變形模式。

致謝：

參加本次試驗的人員還有鐘正、楊果能等。試驗中還得到了重慶交通科研設計院結構動力工程所唐光武研究員、張又進高級工程師等的指導和大力支持，在此一并致謝！

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