二級支護(hù)邊坡重力式擋墻地震動力特性的振動臺試驗研究

文暢平， 江學(xué)良， 楊果林， 肖宏彬， 謝忠球

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖南 長沙 410004； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410075)

引 言

邊坡與支擋結(jié)構(gòu)在地震作用下組成一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，目前有多種方法對其動力反應(yīng)特性進(jìn)行研究。作為一種易于在試驗中操作控制的動力模型試驗方法，大型振動臺模型試驗是研究支擋結(jié)構(gòu)與邊坡系統(tǒng)地震動力反應(yīng)特性的重要手段[1]，在加筋土擋墻、土釘、樁板式擋墻及重力式擋墻等與邊坡系統(tǒng)的地震反應(yīng)性狀研究領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[2～5]，但目前在多級組合支擋結(jié)構(gòu)與邊坡的地震動力反應(yīng)特性的研究中還較少涉及。近年來，有學(xué)者開展了這方面的研究工作，取得了有價值的研究成果，如文暢平等通過大型振動臺模型試驗[6～8]，研究了與錨桿框架結(jié)構(gòu)二級支護(hù)邊坡中重力式擋墻、樁板式擋墻的地震動位移模式及地震動力響應(yīng)特性等；葉海林等通過大型振動臺模型試驗[9,10]，研究了抗滑樁與三級預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)巖質(zhì)邊坡的地震動力響應(yīng)特性等。但這方面的研究還處在探索階段，需要進(jìn)一步深入研究。

本文在相關(guān)科研課題的支撐下，以云南大理至瑞麗鐵路(簡稱大瑞鐵路)沿線支擋結(jié)構(gòu)抗震性能為研究背景，重點(diǎn)研究多級支護(hù)條件下重力式擋墻的地震動力響應(yīng)特性。處于云南滇西高烈度地震多發(fā)區(qū)的大瑞鐵路，沿線大量的厚覆蓋層和順層巖質(zhì)基巖邊坡需要采用各種支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)，其中重力式擋墻與格構(gòu)式錨桿框架護(hù)坡多級組合支護(hù)是其主要型式之一。課題組根據(jù)順層巖石傾角20°，30°和40°，設(shè)計并完成了3個相似比尺為1∶8的厚覆蓋層與順層巖石邊坡模型，通過3個大型振動臺模型試驗，對比研究了多級支護(hù)條件下，不同巖層傾角邊坡中的重力式擋墻在汶川波地震作用下的加速度、動位移、動土壓力等的響應(yīng)特性和規(guī)律，以指導(dǎo)大瑞鐵路沿線支擋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，并為相關(guān)類型支擋結(jié)構(gòu)與邊坡系統(tǒng)地震動力反應(yīng)特性的研究奠定基礎(chǔ)。

1 大型振動臺模型試驗

大型振動臺模型試驗在重慶交通科研設(shè)計院結(jié)構(gòu)動力學(xué)國家重點(diǎn)實驗室進(jìn)行，地震模擬振動臺為德國SCHENCK公司生產(chǎn)，由一個固定臺和一個移動臺組成的大型高性能三軸向六自由度寬頻域地震模擬臺陣系統(tǒng)，其主要技術(shù)參數(shù)見文獻(xiàn)[6～8]。試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為Dewetron2010動態(tài)測試儀。

1.1 模型相似關(guān)系設(shè)計

采用重力失真模型和量綱分析方法對模型的相似關(guān)系進(jìn)行設(shè)計[11～13]，并且以幾何尺寸、密度和加速度做為控制量，其相似常數(shù)分別取Cl=8，Cρ=1，Ca=1。其余物理量的相似常數(shù)見文獻(xiàn)[8]表1。

1.2 模型設(shè)計與傳感器布設(shè)

根據(jù)大瑞鐵路DK10+880～DK10+930段邊坡確定本模型試驗的原型邊坡。本試驗?zāi)M的邊坡高度為12 m，其中擋墻、護(hù)坡各6 m。模型邊坡尺寸設(shè)計為150 cm(高)×150 cm(寬)，邊坡坡率1∶1.25。3個模型中的巖層傾角α分別為20°，30°和40°，其支擋結(jié)構(gòu)都為重力式擋墻+格構(gòu)式錨桿框架結(jié)構(gòu)二級支護(hù)。3個邊坡模型見圖1，格構(gòu)式框架見圖2。

圖1 邊坡模型及測點(diǎn)位置

圖2 格構(gòu)式框架圖

試驗采用剛性模型箱，內(nèi)空尺寸為340 cm×150 cm×210 cm(長×寬×高)，其邊界處理見文獻(xiàn)[6]。模型設(shè)置加速度、動位移和動土壓力等傳感器，其型號及參數(shù)說明見文獻(xiàn)[8]表2。

所有傳感器沿模型邊坡中軸線縱剖面布設(shè)，重力式擋墻各測點(diǎn)傳感器布設(shè)說明如下：(1)在墻腳、墻中和墻頂布置水平向加速度傳感器；(2)在擋墻墻面的墻腳和墻頂處設(shè)置水平向動位移傳感器；(3)在墻背底、中和上部分別設(shè)置動土壓力傳感器。所有傳感器按類別分別進(jìn)行編號，墻腳測點(diǎn)距基座頂面5 cm。此外，在填土內(nèi)也設(shè)置了加速度傳感器以進(jìn)行模態(tài)參數(shù)分析。

1.3 試驗材料與模型制作

模型試驗采用邊坡巖土原型材料，考慮其最大粒徑的相似關(guān)系，控制試驗土石混合料最大粒徑不大于2 cm，土石質(zhì)量比為4∶6。通過土工試驗得到有關(guān)參數(shù)為：最大干密度ρdmax=2.18 g·cm-3，最佳含水量wopt=5.34%，粘聚力c=6.2 kPa，內(nèi)摩擦角φ=34°。模型底座和基巖采用C25號混凝土，支擋結(jié)構(gòu)和邊坡巖層采用加氣微?；炷?，設(shè)計抗壓強(qiáng)度為5 MPa，鋼筋和錨桿采用直徑4 mm的鍍鋅鐵絲。支擋結(jié)構(gòu)尺寸分別見圖1和2。

邊坡模型裝配完成后，總重量最大不超過300 kN，小于振動臺標(biāo)準(zhǔn)荷重，模型全貌見圖3。

那陣子，在我按市專家的處方每天上、下午到小區(qū)的西醫(yī)診所各點(diǎn)一組頭孢后，我的癥狀明顯減輕了。其中最顯著的例子就是晚上能睡個安穩(wěn)覺了。雖說睡夢中還是難免不時地咳上幾聲，但絕不會咳醒。這還是老婆告訴我的。正因如此，市專家囑我半月后回市醫(yī)院復(fù)診，我都沒去，而是聽從了小區(qū)西醫(yī)診所中那位小護(hù)士的建議，停止滴流后繼續(xù)口服頭孢及化痰藥。

圖3 模型邊坡全貌

1.4 地震波與加載制度

試驗采用汶川波作為振動臺的輸入地震波，時間壓縮比為2.83，分別采用水平向(X向)、豎向(Z向)和水平豎直雙向(XZ向)(由X向和Z向合成)三種方式加載，代號分別為：WC-X、WC-Z和WC-XZ。激振方向X向和Z向見圖1所示。汶川波加速度時程曲線及傅氏譜分別見圖4和5。

圖4 汶川波加速度時程曲線

圖5 汶川波傅氏譜

試驗研究的地震烈度為VII～X，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[14～16]，將相應(yīng)的加速度峰值調(diào)整為：0.1g，0.2g，0.4g和0.6g。試驗在此基礎(chǔ)上增加了0.8g和1.0g兩種工況。當(dāng)X向加載時，按上述加速度峰值逐級加載；當(dāng)Z向加載時，考慮到豎向地震較少與水平向同時達(dá)到加速度峰值[17]，因而按X向加速度峰值的2/3折減后逐級進(jìn)行加載[14]。除白噪聲外，共18個加載工況，具體加載制度見文獻(xiàn)[7]表3。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 加速度動力響應(yīng)特性分析

采用加速度響應(yīng)峰值和加速度響應(yīng)峰值放大系數(shù)(記為PGAA)2個指標(biāo)，對重力式擋墻加速度動力響應(yīng)特性進(jìn)行分析。分析以臺面加速度傳感器響應(yīng)峰值作為控制點(diǎn)，并且對PGAA做如下規(guī)定：X向單向激振時，PGAA為測點(diǎn)與臺面X向響應(yīng)峰值的比值；Z向單向激振時，PGAA為測點(diǎn)與臺面Z向響應(yīng)峰值的比值；XZ雙向激振時，X向PGAA為測點(diǎn)與臺面X向響應(yīng)峰值的比值，Z向PGAA為測點(diǎn)與臺面Z向響應(yīng)峰值的比值。

以汶川波XZ雙向激振、水平向激振加速度峰值0.4g為例，三組模型試驗擋墻各測點(diǎn)水平向PGAA沿墻高分布情況見圖6。

圖6 汶川波XZ雙向激振水平向PGAA沿墻高分布

(1)汶川波XZ雙向激振時，擋墻加速度動力響應(yīng)峰值最大，X向激振時次之，Z向激振時最小。說明擋墻加速度動力反應(yīng)主要受水平向地震波的影響，不受順層巖石傾角的影響。

(2)PGAA沿?fù)鯄Ω叨确植继匦允茼槍訋r石傾角的影響顯著。巖層傾角α=20°時各加載工況下，PGAA沿墻高呈現(xiàn)出近似線性增大的特征；巖層傾角α=30°時PGAA沿墻高呈現(xiàn)出非線性增大的特征；巖層傾角α=40°時PGAA沿墻高呈現(xiàn)出顯著的非線性增大的特征。

(3)巖層傾角α為20°和30°時的PGAA比較接近，而α為40°時的PGAA稍大，說明巖層傾角對PGAA值的影響較小。三個模型試驗中，當(dāng)激振加速度峰值不大于0.4g時，每個加載工況PGAA平均值為1.05～1.30。因此，當(dāng)?shù)卣鹆叶炔淮笥?度時，重力式擋墻水平向地震荷載擬靜力值的放大系數(shù)可取1.05～1.30。

(4)根據(jù)3個模型坡體內(nèi)各測點(diǎn)模態(tài)參數(shù)的均值進(jìn)行對比分析。各工況白噪聲激勵后模型X向振動的第一階模態(tài)參數(shù)變化規(guī)律見圖7和8。模態(tài)參數(shù)總的變化趨勢是：模型自振頻率逐漸降低，阻尼比逐漸增大，說明邊坡土體隨激振加速度峰值增大逐漸軟化。巖層傾角對模態(tài)參數(shù)影響較小。

圖7 模型自振頻率變化情況

圖8 模型阻尼比變化情況

2.2 動位移響應(yīng)特性

根據(jù)動位移傳感器與支擋結(jié)構(gòu)的相對位置，確定位移方向為：向土體方向移動的位移為“+”，離開土體向外側(cè)移動的位移為“-”。以動位移響應(yīng)峰值和永久位移，研究重力式擋墻水平向動位移響應(yīng)特性。以汶川波XZ雙向激振、墻頂測點(diǎn)為例，動位移響應(yīng)峰值隨激振加速度峰值變化情況，見圖9。

圖9 汶川波XZ雙向激振動位移峰值隨激振加速度峰值變化

(1)汶川波Z向激振下，各測點(diǎn)的動位移響應(yīng)峰值很小。因此可以認(rèn)為，重力式擋墻水平方向的位移是由水平向地震波所產(chǎn)生。

(2)汶川波X向激振下，擋墻動位移響應(yīng)與巖層傾角基本無關(guān)，只是總體上隨激振加速度峰值的增大而增大。XZ雙向激振下，且激振加速度峰值小于0.6g時，擋墻動位移響應(yīng)與巖層傾角無關(guān)，隨激振加速度峰值的增大而增大。

(3)通過測點(diǎn)永久位移值分析擋墻動位移模式。擋墻動位移模式不受巖層傾角的影響。汶川波X向、XZ雙向激振下，擋墻動位移模式為離開土體向邊坡外側(cè)平移與繞墻趾向土體外側(cè)轉(zhuǎn)動的耦合。

2.3 動土壓力響應(yīng)特性

地震動土壓力是指不考慮靜力作用、由地震引起的增加的土壓力。以汶川波XZ雙向激振為例，三個模型試驗動土壓力響應(yīng)峰值沿墻高分布規(guī)律，分別見圖10，11和12。

(1)各測點(diǎn)動土壓力響應(yīng)峰值總體上隨激振加速度峰值的增大而增大。汶川波X向或Z向激振下都會產(chǎn)生動土壓力，但X向激振所產(chǎn)生的動土壓力響應(yīng)峰值大于Z向激振。

(2)激振方式和巖層傾角對動土壓力響應(yīng)峰值影響較大。汶川波X向激振，巖層傾角α=20°時所產(chǎn)生的動土壓力響應(yīng)峰值最大；汶川波Z向激振時，α=40°時所產(chǎn)生的動土壓力響應(yīng)峰值最大。XZ雙向激振時，α=20°墻底動土壓力響應(yīng)峰值最大，α=30°墻底動土壓力響應(yīng)峰值最??；當(dāng)水平向激振加速度峰值A(chǔ)Xmax≥0.6g時，α=20°的墻中和墻頂?shù)膭油翂毫憫?yīng)峰值最小。

(3)巖層傾角對動土壓力分布特性影響較大。α=20°且AXmax不大于0.2g時，動土壓力響應(yīng)峰值沿墻高呈現(xiàn)出上大下小的倒三角形分布，當(dāng)AXmax≥0.2g時動土壓力響應(yīng)峰值沿墻高呈現(xiàn)出上小下大的非線性分布形式。α=30°時，AXmax不大于0.2g(豎向激振加速度峰值A(chǔ)Zmax≤0.133g)時，動土壓力響應(yīng)峰值沿墻高變化較小，當(dāng)AXmax≥0.4g(AZmax≥0.267g)時，動土壓力響應(yīng)峰值沿墻高呈現(xiàn)出上小下大的非線性分布形式。α=40°時，呈現(xiàn)出與α=20°時相似的特征。

(4)根據(jù)規(guī)范法和Mononobe-Okabe公式(M-O法)計算地震動土壓力值[16]，并且與實測值對比發(fā)現(xiàn)，M-O法計算值最大，實測值次之，規(guī)范法最小。當(dāng)激振加速度峰值不大于0.4g時，三者相差較??；而當(dāng)激振加速度峰值不小于0.6g時，實測值與規(guī)范法、M-O法計算值相差較大。

由于規(guī)范法在墻高不大于12 m時不考慮水平地震慣性力沿墻高的放大效應(yīng)[16]，故而導(dǎo)致計算結(jié)果小于試驗值。

圖10 α=20°時動土壓力響應(yīng)峰值沿墻高分布情況

圖11 α=30°時動土壓力響應(yīng)峰值沿墻高分布情況

圖12 α=40°時動土壓力響應(yīng)峰值沿墻高分布情況

(5)當(dāng)?shù)卣饎臃逯导铀俣炔淮笥?.4g時，若水平地震作用沿墻高增大系數(shù)采用1.10時[16]，按規(guī)范法計算的動土壓力值稍大于實測值。當(dāng)?shù)卣饎臃逯导铀俣炔恍∮?.6g時，若水平地震作用沿墻高增大系數(shù)采用1.15時，按規(guī)范法計算的動土壓力值與實測值接近，采用1.30時則與M-O法的計算結(jié)果接近。這與2.1節(jié)PGAA平均值為1.05～1.30相吻合。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計并完成了3個1∶8比尺的厚覆蓋層與順層巖石邊坡的大型振動臺模型試驗，對比分析了不同巖層傾角條件下，二級支護(hù)邊坡模型中重力式擋墻在汶川波不同激振加速度峰值、不同激振方式下的動力響應(yīng)特性，主要結(jié)論如下：

(1)重力式擋墻主要受水平向地震波作用的影響，產(chǎn)生水平向加速度動力反應(yīng)。順層巖石傾角對擋墻水平向加速度放大系數(shù)沿墻高分布特性的影響顯著，但對擋墻水平向加速度放大系數(shù)值的影響較小，當(dāng)激振加速度峰值不大于0.4g時，每個加載工況水平向加速度放大系數(shù)平均值為1.05～1.30。因此，當(dāng)?shù)卣鹆叶炔淮笥?度時，重力式擋墻水平向地震荷載擬靜力值的放大系數(shù)可取1.05～1.30。

(2)重力式擋墻水平向位移主要由水平向地震波的作用所產(chǎn)生。順層巖石傾角、地震波作用方式等，對擋墻的動位移響應(yīng)特性、動位移模式等的影響較小。重力式擋墻的動位移模式為離開土體向邊坡外側(cè)平移與繞墻趾向土體外側(cè)轉(zhuǎn)動的耦合。

(3)水平向和豎向地震波作用下都會產(chǎn)生動土壓力，但水平向地震波作用所產(chǎn)生的動土壓力響應(yīng)峰值大于豎向地震波。地震波作用方式和順層巖石傾角等，對動土壓力響應(yīng)峰值、及其沿墻高分布特性等的影響較大。在不同的巖層傾角和激振加速度峰值條件下，動土壓力響應(yīng)峰值沿墻高表現(xiàn)出上大下小的倒三角形分布、上小下大的非線性分布、以及上下大小基本相同的線性分布等形式。

(4)重力式擋墻與錨桿框架結(jié)構(gòu)組合支護(hù)邊坡的抗震設(shè)計中，采用現(xiàn)有抗震設(shè)計規(guī)范計算地震土壓力能夠滿足抗震要求。當(dāng)?shù)卣饎臃逯导铀俣炔淮笥?.4g(地震烈度不大于9度)時，水平地震作用沿墻高增大系數(shù)采用1.10，地震動峰值加速度不小于0.6g(地震烈度大于9度)時，水平地震作用沿墻高增大系數(shù)采用1.15～1.30是適宜的，當(dāng)然這仍需更多的試驗和理論研究進(jìn)行驗證。

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