邊坡橋梁樁基大型振動臺模型試驗研究

朱志銘,黃俊杰,李世君,劉善忠,萬軍利,李 健

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都610031； 3.成蘭鐵路有限責(zé)任公司,成都 610041； 4.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所,北京 100081)

某鐵路線路貫穿川西北三角形斷塊區(qū)，有大量的橋涵工程建立在陡坡之上[1]。沿線高原山地、高山峽谷地段，坡陡谷深、構(gòu)造復(fù)雜，切割破碎的灰?guī)r和厚層砂巖、板巖組成的峽谷河段或陡峻山坡地帶極易發(fā)生崩塌、落石，并至坡腳及緩坡地帶形成巖堆。沿線對線路有影響的巖堆體共13處，多分布在橋頭、隧道進出口。因此不良地質(zhì)問題比較嚴(yán)重，地震作用下極易發(fā)生滑坡、泥石流等災(zāi)害[2]，嚴(yán)重威脅橋涵工程安全。抗滑樁近年來在滑坡治理中得到廣泛應(yīng)用[3]。地震作用下樁土動力相互作用[4]、抗滑樁后土壓力分布形式[5]和抗滑樁支護邊坡地震作用下穩(wěn)定性計算[6]方面都在進行研究。對液化場地[7][8]橋梁樁基研究較多，但對陡坡鐵路橋梁樁基研究較少。橋梁樁基在地震作用下的損害是橋梁破壞中最不易發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重問題，因此對邊坡橋梁樁基的保護亟待解決。主要手段有數(shù)值模擬[9-11]和室內(nèi)試驗。數(shù)值模擬需要試驗驗證，現(xiàn)場試驗代價太高，一般多采用室內(nèi)模型試驗，主要是離心機試驗[12][13]和振動臺試驗[14]兩種方法。離心機試驗試件尺寸較小，試驗結(jié)果容易受邊界條件的影響，大型振動臺試驗，試樣尺寸較大，可輸入多向地震波，相對離心模型試驗，振動臺試驗得到的結(jié)果更為可靠[15][16]。因此，采用大型振動臺試驗研究陡坡上抗滑樁支護橋梁樁基的抗震性能和作用機制，為該新體系抗震設(shè)計的研究奠定良好基礎(chǔ)。

1 振動臺模型試驗設(shè)計

試驗在西南交通大學(xué)道路與鐵道工程重點試驗室的單向電液伺服驅(qū)動式的地震模擬振動臺上進行，振動臺臺面尺寸4 m×2 m，最大承載能力250 kN，最大水平向加速度1.20g，工作頻率范圍0.1～30 Hz，最大水平向位移±100 mm。振動臺配有先進的自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高性能微機及成套軟件進行數(shù)據(jù)的采集管理和處理。

1.1 相似關(guān)系設(shè)計

由于振動臺試驗設(shè)備及邊坡模型尺寸的限制，很難采用人工質(zhì)量的方法考慮重力效應(yīng)，因此釆用重力失真模型，并將幾何相似比、質(zhì)量密度相似比和加速度相似比，作為模型相似關(guān)系設(shè)計的控制量。由于原型和模型均處于同一重力場，因此確定加速度相似比為Cg=1。模型設(shè)計中，模型試驗幾何相似比，動彈性模量，要考慮對重力加速度g的近似模擬(力爭結(jié)構(gòu)重力不失真)，即要求重力加速度相似比為1。這樣，密度的相似系數(shù)可以取為Cρ=1.0。因此，本試驗采用Bockinghamπ定理導(dǎo)出了各物理量之間的相似關(guān)系。模型主要相似常數(shù)見表1。

表1 振動臺模型試驗的動力相似常數(shù)

1.2 模型測點布置

模型高2.0 m，坡頂寬0.76 m，寬1.5 m，坡角約為38°。每10 cm厚分層填筑夯實。考慮到土的重塑作用，模型靜置一段時間后再進行振動臺試驗。本次試驗采用的傳感器包括加速度傳感器、位移計及土壓力盒，分別布置在模型邊坡、抗滑樁及橋梁樁基與承臺上。在振動臺臺面上布置一個水平向加速度傳感器，作為參照。模型尺寸及測量儀器布置詳見圖1。其中38455號加速度計位于橋梁承臺，38393號加速度計位于抗滑樁樁頂，38376號、38388號、43435號和38383號加速度計于前側(cè)橋梁樁同一豎直面自下而上布置，38369號、38453號和38457號加速度計于抗滑樁前側(cè)同一豎直面自下而上布置。

1.3 模型材料

本試驗采用力學(xué)性能與混凝土極為相近的微混凝土，模擬C40原型混凝土預(yù)制橋梁樁基承臺與抗滑樁結(jié)構(gòu)，微混凝土骨料最大粒徑≤5 mm。原型混凝土為C40，為滿足原型鋼筋混凝土的強度參數(shù)要求，進行配合比試驗，經(jīng)過分析選取的微骨料混凝土最終配合比為：水灰比0.55，骨灰比3.0，砂率36%，粗細骨料比5/3。具體模型材料與原型材料見表2。模型試驗人為地在滑體與滑床間設(shè)置5 cm高的膨潤土滑動帶，配置土體材料包括膨潤土、石膏、石英砂、水等。為了滿足材料特性參數(shù)的相似要求，模型采用的膨潤土、石英砂可以有效調(diào)節(jié)內(nèi)摩擦角。膨潤土還具有一定的黏結(jié)性，石膏作為膠結(jié)劑，石英砂作為配重材料。石英砂、膨潤土還可調(diào)節(jié)彈模。模擬材料參數(shù)見表3。制作完畢的模型見圖2。

表2 模型材料與原型材料

表3 模擬材料參數(shù)

圖1 模型尺寸及測量儀器布置(單位：cm)

圖2 制作完畢的試驗?zāi)Ｐ?/p>

2 試驗過程及結(jié)果分析

2.1 試驗過程簡介

將制作完畢的抗滑樁—橋梁樁基邊坡模型置于振動臺模型箱中，選取不同頻率(1、3、5、8 Hz)正弦波及不同大小的汶川波(0.1g、0.2g、0.3g、0.4g)進行加載，根據(jù)元器件測試結(jié)果分析該模型的地震響應(yīng)規(guī)律。

2.2 加速度動力響應(yīng)特征

對于地震慣性力，目前的設(shè)計計算中考慮的主要是加速度，表4為試驗中各個測點在不同加載工況的峰值地震動加速度進行的整理結(jié)果。

表4 橋梁樁基與抗滑樁模型實測汶川波峰值地震加速度

注：相對高度即相對于樁底的高度；編號是元器件自帶的識別符號。

加速度放大比表示試驗?zāi)Ｐ椭新裨O(shè)加速度計測得的峰值加速度與樁前自由場埋設(shè)加速度計測得峰值的比值。通過選取臺面實測加速度作為自由場表面的加速度時程，以此自由場表面的加速度時程為參考計算加速度放大比。

為了解邊坡模型中橋梁樁基與抗滑樁結(jié)構(gòu)的加速度放大效應(yīng)，選取同一垂直面、由低至高的一排測點進行研究。將各測點動力響應(yīng)峰值加速度與自由場峰值加速度進行比值后作為放大比，分析各測點放大比與相對高程的關(guān)系。經(jīng)分析，不同峰值加速度地震波作用下橋梁樁基與抗滑樁的水平加速度放大比關(guān)系見圖3(WC表示汶川波；ZX表示正弦波)。

加載工況下，水平加速度放大比沿橋梁樁基高程分布如圖3(a)、圖3(b)所示，范圍為0.92～1.32。加速度放大比呈非線性增大特點，并且不同地震波加載下加速度放大比沿樁身變化趨勢相似。0.2 m處出現(xiàn)拐點，是由于該處恰好處在基巖與滑體交界層位置，因此水平加速度放大比變化比較明顯。

圖3(c)、圖3(d)所示，加載工況下，水平加速度放大比呈非線性增大特點，也在交界面0.7 m處出現(xiàn)明顯的變化；并且不同地震波加載下加速度放大比沿樁身變化趨勢相似。水平加速度放大比范圍為0.9～1.56。

圖3 地震波作用下橋梁樁基與抗滑樁的水平加速度放大比

2.3 動土壓力響應(yīng)特征

動土壓力的評價是支擋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的一個重要指標(biāo)，關(guān)系到這類結(jié)構(gòu)的選型、經(jīng)濟和安全。本試驗中抗滑樁樁背動土壓力是判斷該設(shè)計方案中邊坡是否穩(wěn)定的重要分析點，抗滑樁與橋梁樁基間動土壓力分析是判斷抗滑樁對樁基有無保護作用的關(guān)鍵因素，也是結(jié)構(gòu)體系能否安全工作的重要環(huán)節(jié)。動土壓力峰值隨埋深分布如圖4所示。

圖4 動土壓力峰值隨埋深分布曲線

通過圖4可以發(fā)現(xiàn)，在各地震波激振下，動土壓力響應(yīng)特性變化趨勢一致，抗滑樁樁前土體抗力動響應(yīng)峰值的最大值出現(xiàn)在埋深0.7 m位置，該位置是基巖與滑體交界面處，恰好也是潛在滑動面處；各測點動土壓力響應(yīng)峰值都隨激振加速度峰值的增大而增大；抗滑樁前側(cè)埋深H=-0.2 m、H=-0.45 m、H=-0.7 m處測點處于滑體中，地震土壓力峰值基本遵循“三角形”的分布規(guī)律；抗滑樁樁背土壓力沿樁身呈“R”形非線性分布，幅值與輸入地震加速度峰值成正比，且隨著加速度峰值的增大而增大。

2.4 動位移響應(yīng)特征

以動位移響應(yīng)峰值為標(biāo)準(zhǔn)，研究該結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵控制點水平向動位移響應(yīng)特性。試驗中汶川波地震荷載作用下各測點實測動位移峰值見表5，將實測數(shù)據(jù)整理，對比各工況下實測橋梁樁基承臺頂與抗滑樁樁頂動位移峰值見圖5。

圖5 承臺頂與抗滑樁樁頂動位移峰值

圖6為汶川波X向激勵下，抗滑樁與橋梁承臺頂部各測點振動位移隨地震系數(shù)的變化趨勢， 隨著地震系數(shù)增大而增大。承臺頂位移0.15 mm<抗滑樁樁頂位移0.2 mm。由此可知，說明抗滑樁對橋梁樁基有一定的支護作用。

表5 汶川波作用下實測動位移峰值 mm

圖6 汶川波作用下各測點動位移峰值

3 結(jié)論

總之，水平加速度放大比與輸入地震波加速度峰值和相對高程有關(guān)，隨輸入加速度峰值的增大而變大，隨相對高程的增大而變大，說明邊坡對加速度有放大效應(yīng)。同時橋梁樁基水平加速度放大比變化趨勢平緩，抗滑樁水平加速度放大比變化趨勢相對較大，說明因為抗滑樁阻隔作用，使得上部堆積土體對橋梁樁基水平荷載作用大大減小，即抗滑樁很好地保護了橋梁樁基。

動土壓力(曲線的形狀、變化趨勢等)與輸入地震動參數(shù)特性緊密相關(guān)，且峰值出現(xiàn)時刻與地震波加載峰值出現(xiàn)時刻基本一致。此外，各個測點的地震土壓力變化不盡相同，呈非線性分布，幅值變化與輸入地震加速度峰值成正相關(guān)變化。

隨著地震系數(shù)的增加，抗滑樁頂位移不斷增大，且增加速率加快，但承臺頂位移量小于抗滑樁頂位移量，表明抗滑樁對承臺起到了較好的支擋保護作用。

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