高速鐵路模塊式加筋土擋墻動態行為分析

黃作明

摘 要：文章以實際工程為例，開展了加筋土擋墻現場激振試驗，對加筋土擋墻路基結構進行了系統的研究，深入認識模塊式加筋土擋墻結構的動態行為，總結模塊式加筋土擋墻路基內部的加速度、動位移、動應力的分布規律，以為高速鐵路模塊式加筋土擋墻設計和施工提供重要的數據來源。

關鍵詞：高速鐵路 模塊式加筋土擋墻 現場激振試驗

1.擋墻工點概況

加筋土擋墻試驗段里程位于榮成站DK315+885～DK316+179.36斷面兩側，左、右側DK315+885～DK316+101段采用模塊式加筋土擋墻。模塊式預制塊尺寸為0.5×0.3×0.3m，模塊采用C30混凝土預制，坡率為1：0.05。

DK315+913右側斷面：擋墻高度為7.95m；自基礎頂面以上鋪設28層格柵，其中自下而上1～3層格柵型號是HDPE170R單向格柵，長8.0m，層間距0.3m；4～28層格柵型號是HDPE130R單向格柵，長8.0～10.5m，層間距0.3m。

2.試驗加載方案設計

2.1激振設備的選擇

試驗采用原位激振試驗系統（DTS-1），由電氣系統、傳動系統、激振器、振動架、油路循環和信號檢測等組成，利用兩傳動軸以一樣的速度反向轉動在水平方向產生的合力為零的原理，在垂直方向上產生的合力是即為激振力。

2.2激振頻率的確定

移動列車荷載通過鋼軌、軌枕將動荷載傳遞至路基的表面，列車荷載產生的正弦式基頻對路基面影響最大，故本次試驗應用正弦波加載。青榮城際鐵路設計時速為250km·h-1。有研究表明路基內部的動力時程曲線峰值與轉向架是相對應的，但隨著荷載向下的傳遞，荷載的影響相互疊加，路基內的動應力時程曲線一個周期與前后兩車的相鄰轉向架長度相對應，試驗時取激振頻率為13Hz。

2.3激振荷載的確定

（1）道床內部應力分布

根據我國高鐵規范中給出了時速200～250km·h-1正線有砟軌道鋪設Ⅲ型混凝土軌枕，每根軌枕長2.6m，底面寬度為0.32m。

（2）路基面設計應力幅值

根據《高速鐵路工程測量規范》（TB 10601-2009），動應力幅值計算見式（1）。

（3）激振設備混凝土板設計

為了滿足上述路基面的設計動應力，綜合考慮激振設備的穩定性、激振器的加載參數、現場設備的吊裝及混凝土板中的構造筋的鋪設等因素，最終擬定混凝土塊的尺寸為2.6×2.6×0.3m。

（4）路基面實際動應力參數

在確定激振設備及混凝土配重后，現場實際取值計算得試驗系統總靜重為1 5 0. 8 9k N。對應加載頻率1 3 H z，最大激振力為30.50k N，施加到路基面上的最大動應力為8 0. 6 2 k P a，最小動應力為5 3 . 5 0 k P a，動應力幅值13.56kPa。本試驗激振位置在加筋體的頂面，其設計上部還有基床強化層和道砟。

3.試驗結果及分析

3.1動應力分析

動應力能反映出列車通過時加筋土擋墻路基內部的動力作用大小，體現出列車動荷載在加筋體內部的傳遞機制，影響路基的穩定性和永久變形大小。

（1）豎向動土應力隨激振次數變化分析。①隨激振次數的增加靠近激振點附近的動壓力有微小的波動，中下部豎向動土壓力值大小無明顯變化，擋墻在長期循環荷載作用下表現出了較好的穩定性、適應性。②擋墻內部各層的豎向動土壓力存在一定的差異，上部受波動較大施工時要加強擋墻上部的施工質量，提高擋墻加筋填料的壓實度，提高擋墻整體剛度，保證擋墻在較高的動力下保持穩定。

（2）水平動土應力隨激振次數變化分析。①加筋土擋墻路基內部水平動土壓力隨加載次數的增加而略有減小并趨于穩定，原因是擋墻的面板因振動發生了背離土體的移動，使水平動土壓力部分得到釋放，隨著激振次數的增加筋材與土體之間的相互作用也進一步增強，加筋體逐漸達到密實，剛度逐漸增加，整體性趨于穩定，水平動土壓力保持不變。②實測最大水平動土壓力位于墻高6m處，其值約為4.96kPa，約占頂面最大豎向動土壓力的7.0%，面板實際受到的水平動土壓力已經很小，說明筋材的鋪設給路基提供了一定的側向約束，承擔了部分墻面板受到的水平動土壓力，由于筋材與土體形成復合體使動力向下的擴散角變大，影響深度減小，造成擋墻上部受水平動應力較大。

（3）豎向動土壓力沿墻高的衰減。①加筋擋墻內部的豎向動土壓力在擋墻內部距離激振頂面深度2.4m范圍內衰減較快，2.4m以下豎向動土壓力衰減緩慢。②在加筋擋墻路基內部距激振荷載作用點下2.4m處，豎向動土壓力衰減了78～81%，說明筋材與土體之間的摩擦、嵌固作用消耗了大部分動應力，同時加筋體的形成使路基的承載面積變大，弱化了剪切作用力，均化了動應力，使動應力傳播深度減小衰減速率變慢。

（4）水平動土壓力沿墻高的衰減。墻背處水平動土壓力基本呈線性衰減，從擋墻路基深2.4～3.6m處水平動土壓力衰減了約54%，表明加筋擋墻在中上部墻背處水平動土壓力較大，是較容易發生擋墻面板破壞的位置。

3.2加速度分析

路基內部的振動加速度的大小是評價振動荷載對路基結構及上部軌道結構破壞作用的重要參數，振動加速度隨加載次數的變化規律描繪了加筋土擋墻路基的穩定性。

（1）加速度隨加載次數的變化分析。隨加載次數的增加加速度響應大小無明顯波動，加筋土擋墻路基內部振動加速度均<5m·s-2，這是由于隨著激振次數的增加，筋材與土體之間的摩擦和嵌固作用增強，本身剛度較大的加筋體剛度進一步增加，擋墻整體性增強，隨著加筋體剛度的增加加速度響應會減小，加筋體擋墻的本身剛度較大，在200萬次激振荷載作用下表現出了良好的長期動力穩定性。

（2）加速度沿墻高的衰減規律。①豎向加速度峰值沿墻高呈指數型衰減，且上部衰減速率大于擋墻路基下部。這是由于加筋體的幾何效應與材料的阻尼作用使動態響應逐漸減弱，同時擋墻剛度隨深度增加逐漸增大，剛度增加使擋墻下部加速度響應變小。②從數值上來看在墻深1.8m以上豎向加速度基本呈線性衰減，衰減率為59～66%，衰減速率較快；墻深1.8m以下衰減速率變緩。這是由于筋材的存在使路基的整體增強，在動載作用下，顆粒重分布得到阻止，土體承載范圍變大，加速度值表現出衰減且衰減速率較大。

3.3動位移分析

動位移大小能反映路基系統的振動劇烈程度和路基的彈塑性變形的變化情況。

（1）動位移隨加載次數的變化。隨激振次數的增加擋墻路基內部的豎向動變形沒有明顯的變化，只在靠近激振點處有稍許的波動，但動位移變化值不大，表明在激振200萬次后，加筋土擋墻路基仍處于彈性工作狀態。

（2）動位移沿墻高的衰減。①擋墻路基內部動變形沿路基深度大致呈指數型衰減，并且衰減速率逐漸變緩。從數值來看，路基深1.8m處動位移衰減了63～65%，加筋體上部單位深度衰減率較為明顯，隨著路基深度的逐漸增加，各層的凈衰減率逐漸減小。②墻背處動彈性變形呈現先增大后減小的規律，且隨激振次數的增加動彈性變形值有減小的趨勢，這是由于動載作用前期，墻面板后的加筋土體與面板的相互耦合作用產生微小變形，隨著激振次數的增加模塊式面板的剛度大、筋材與土體相互作用，較好的限制了動變形并趨于穩定。

4.結束語

綜上所述，加筋土擋墻作為一種結構路基形式首次在高鐵上應用，不論是從動特性還是工后沉降變形角度，均能滿足動力穩定性要求。該工程工后路基頂面的單點沉降計測得沉降最大值在15mm左右，能滿足《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014）中關于有砟軌道對沉降的要求，即滿足

參考文獻：

[1]伍永勝.加筋土擋墻動力特性及抗震設計方法研究[D].長沙：湖南大學，2006.

[2]楊果林，肖宏彬，王永和.加筋土擋墻動變形特性試驗與疲勞損傷分析[J].振動工程學報， 2002（02）：53-57.

[3]王賀，楊廣慶，劉華北，等.返包式土工格柵加筋土擋墻動態行為研究[J].鐵道學報，2016， 38（02）： 131-140.