水平地震作用下綠色加筋格賓擋土墻動力特性試驗(yàn)研究

李昀，楊果林，林宇亮

(中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，湖南 長沙，410075)

我國地處環(huán)太平洋地震帶和喜瑪拉雅－地中海地震帶之間，是多震災(zāi)國家。歷史上在邢臺、唐山、通海、昭通、甘孜、海城、海原、華縣等地區(qū)發(fā)生過比較嚴(yán)重的地震[1]。最近，四川汶川發(fā)生的8.1級地震造成的生命和財(cái)產(chǎn)損失巨大，同時，造成交通幾乎全部癱瘓。為了盡量減少地震對人類帶來的損失，一個重要的方面就是進(jìn)行工程抗震。地震工程研究的根本任務(wù)是了解強(qiáng)地震對工程的破壞作用和工程結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞機(jī)制。在巖土工程方面，一些研究者就加筋土擋墻的抗震性能進(jìn)行了一系列模型試驗(yàn)及數(shù)值分析，如甘亞南等[2]研究了雙面加筋擋土墻結(jié)構(gòu)在高烈度地震區(qū)的動力行為，得出了加速度放大倍數(shù)與加筋土中筋的含量有很大關(guān)系；程火焰等[3]通過振動臺試驗(yàn)及非線性有限元法探討了加筋土擋土墻抗震動力特性，研究表明地震動力對加筋材料與土體間的摩擦因數(shù)的影響隨加速度增大而明顯減弱；劉華北[4]通過數(shù)值模擬研究了水平與豎向地震作用下各種設(shè)計(jì)參數(shù)對土工格柵加筋土擋墻動力響應(yīng)的影響。這些數(shù)值分析總結(jié)出的規(guī)律在地震發(fā)生時是否真實(shí)存在，仍有待實(shí)際震害或試驗(yàn)驗(yàn)證。目前，在綠色加筋格賓擋土墻的動力特性和動力響應(yīng)研究方面，很少有大型模型抗震試驗(yàn)的報(bào)道。為此，本文作者以潭衡(湖南湘潭—衡陽)西線高速公路及武廣(武漢—廣州)客運(yùn)專線新型支擋結(jié)構(gòu)為工程背景，設(shè)計(jì)并完成綠色加筋格賓新型支擋結(jié)構(gòu)動力特性與動力響應(yīng)的大型抗震模型試 驗(yàn)，分析地震作用下?lián)鯄恿μ匦耘c動力響應(yīng)的變化規(guī)律。

1 綠色加筋格賓擋土墻模型試驗(yàn)

試驗(yàn)在中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室的電液伺服加載系統(tǒng)上進(jìn)行。最大負(fù)載為50 t，最大加速度為1.0g(1g=9.8 m/s2)，最大速度為0.4 m/s，最大位移為±250 mm。

1.1 相似關(guān)系設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)結(jié)果的可靠性取決于試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠裾鎸?shí)地再現(xiàn)原型結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際工作狀態(tài)。由于土體材料的物理力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜，在應(yīng)變水平較低時就開始出現(xiàn)非線性，并且其性質(zhì)隨土體的組分、應(yīng)力狀態(tài)、荷載水平和加載頻率、歷時和歷史等的不同而變化，很難找到一種能全面考慮這些特性和影響因素的模擬材料。因此，本試驗(yàn)采用工程現(xiàn)場所用的紅砂巖為模型材料，以模型長度、密度和加速度為控制量，按Bockingham π定理導(dǎo)出各物理量之間的相似關(guān)系。模型主要相似常數(shù)見表1。

1.2 模型設(shè)計(jì)與測點(diǎn)布置

本試驗(yàn)所用模型箱長為3.00 m，寬為0.85 m，高為2.00 m，如圖1所示。它是1個由鋼板、角鋼、槽鋼等焊接而成的框架，底面、1個側(cè)面、1個端面用鋼板固定在角鋼上，為了減少內(nèi)壁摩擦阻力, 內(nèi)貼鍍鋅鐵皮。一個側(cè)面用鋼化有機(jī)玻璃固定在角鋼上，另一個端面用于制作新型擋墻墻面，在墻頂施加豎向荷載，在模型箱端部靠近底板水平位置制作成與作動器連接的連接件，用美國MTS(Mechanical testing system)公司生產(chǎn)的伺服作動器給綠色加筋格賓擋土墻施加水平地震荷載[5?6]。

表1 模型主要相似常數(shù)Table 1 Primary similitude coefficients of model

圖1 模型箱及模型擋墻Fig.1 Model box and model retaining wall

在模型箱內(nèi)模擬工程實(shí)際情況，按比例尺分5層填筑每層高度為0.4 m的加筋格賓擋墻。

綠色加筋格賓擋墻模型尺寸及測量儀器如圖2所示，綠色加筋格賓籠組合成型構(gòu)件如圖3所示。綠色加筋格賓網(wǎng)為意大利MACCAFERRI公司的產(chǎn)品，它是由長×寬為80 mm×100 mm的雙絞合鋼絲網(wǎng)格構(gòu)成，其鍍層鋼絲中網(wǎng)絲直徑為2.2 mm，由生物墊、焊接金屬網(wǎng)面板等組成，綠色加筋格賓的面墻形成與水平面成 70?的坡面。綠色加筋格賓作為一種生態(tài)型加筋技術(shù)，施工時，在面墻鋼絲內(nèi)側(cè)鋪椰棕植生墊，只需人工植入枝條或藤曼草種，稍加養(yǎng)護(hù)，坡面綠化即可自然形成。格賓網(wǎng)筋材試驗(yàn)[7]結(jié)果如表2所示。

圖2 模型尺寸及測量儀器Fig.2 Model sizes and distribution of measuring instrument

圖3 綠色加筋格賓籠組合成型構(gòu)件Fig.3 Green reinforced gabion combination component

表2 格賓網(wǎng)筋材試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of wire mesh

在綠色加筋格賓單元中間隔板與面板結(jié)合的上部及底部應(yīng)采用鋼環(huán)加固，其他相鄰面板結(jié)合處應(yīng)每隔200 mm使用鋼環(huán)。相鄰面板間的連接應(yīng)確保表面平整以利于填充。綠色加筋格賓單元應(yīng)按照既定要求的坡比擺放在指定位置。利用通常的緊固工具將三角形支撐鋼架旋轉(zhuǎn)至指定角度后固定在底板(絞合鋼絲或鋼環(huán))上。相鄰綠色加筋格賓單元的生物墊應(yīng)保證交疊100 mm，以保證后部的土壤不會暴露出來。當(dāng)一層土壤回填完畢后，應(yīng)采用手工鐵鏟將表面基本整平以利于壓實(shí)。綠色加筋格賓結(jié)構(gòu)最上層單元上面板在回填完成后向內(nèi)折疊時，應(yīng)埋入土中約300 mm。

填料采用潭衡西線高速公路十二標(biāo)現(xiàn)場所用的紅砂巖，其主要物理力學(xué)性性能如表3所示。填筑時，保證紅砂巖填筑時的壓實(shí)率達(dá)到95%以上。

在進(jìn)行動力特性參數(shù)測量時，在第1層、第3層和第5層墻頂面板上分別布置941B型拾震器(1個水平、1個豎向)，用DASP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動采集。為測量動應(yīng)力的分布情況，在加筋擋墻中共埋設(shè)動土壓力盒，在墻面安置百分表，用于測試其累計(jì)變形與沉降量[8?10]。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

綠色加筋格賓擋土墻模型試驗(yàn)采用美國 MTS公司生產(chǎn)的500 kN伺服激振器模擬地震荷載，試驗(yàn)時對模型箱底板面施加水平地震波激振力。輸入地震波采用ELCETRO波(即ELCE波，NS向)和HACHINOHE波(即HACHI波，EW向)，加速度峰值分別為0.342g和0.183g(其中，g為重力加速度，1g=9.8 m/s2)。地震時，地面水平運(yùn)動加速度一般比豎向地面運(yùn)動加速度大，而結(jié)構(gòu)物通常抵抗豎向荷載的能力比抵抗側(cè)向變形的能力強(qiáng)[11?14]，因此，在很多情況下，主要是考慮水平地震作用的影響。為探討水平地震荷載對加筋土擋墻動力響應(yīng)的影響，本試驗(yàn)進(jìn)行了不同峰值的水平地震激勵(ELCE＿NS地震波加速度分別為 0.17g，0.34g，0.51g和0.68g，HACHI＿EW地震波加速度分別為0.09g，0.18g，0.27g和0.36g)，參照建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[15]進(jìn)行。

表3 紅砂巖的主要物理性能指標(biāo)Table 3 Index properties of red sandstone

3 水平抗震試驗(yàn)結(jié)果及分析

綠色加筋格賓擋墻在不同峰值的水平地震激勵下的第1層、第3層和第5層墻頂面處的水平加速度、豎向加速度、水平動位移、豎向動位移響應(yīng)峰值如表4和表5所示，豎向動應(yīng)力響應(yīng)峰值如表6和表7所示，沿墻高方向動應(yīng)力響應(yīng)峰值如圖4所示。從表4～7及圖4可見：

(1) 綠色加筋格賓擋土墻具有很好的抗震性能，在加速度大于0.6g的地震激勵下，加筋土擋土墻并沒有出現(xiàn)明顯破壞。

(2) 綠色加筋格賓擋土墻對輸入加速度有明顯的放大效應(yīng)。沿墻高方向水平加速度放大倍數(shù)的曲線斜率比較平緩，隨著墻高的增大，水平加速度有增大的趨勢。各質(zhì)點(diǎn)對 ELCE＿NS地震波的放大倍數(shù)為1.00～1.86，對 HACHI＿EW 地震波的放大倍數(shù)為1.00～2.12。由此可見，在不同地震波作用下，加速度響有明顯的差異。其原因在于各種地震波的頻譜特性存在較大的差異。

(3) 墻面板的水平加速度放大倍數(shù)隨振幅增大呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢，基本上呈線性變化。一個理想的具有線彈性和線性阻尼的系統(tǒng)無論其輸入的加速度是多大，其放大曲線變化規(guī)律都是一致的，這種現(xiàn)象可能與土的剪應(yīng)變增大、剛度降低和阻尼增大有關(guān)。隨著輸入地震動強(qiáng)度的增加，土體表現(xiàn)出明顯的非線性特性，土層的濾波作用逐漸增強(qiáng)，這樣，使加速度峰值有遞減趨勢。

表4 ELCE＿NS地震波的加速度和位移響應(yīng)峰值Table 4 Peaks of acceleration and displacement response of ELCE＿NS earthquake wave

表5 HACHI＿EW地震波的加速度和位移響應(yīng)峰值Table 5 Peaks of acceleration and displacement response of HACHI＿EW earthquake wave

表6 ELCE＿NS地震波的動應(yīng)力響應(yīng)峰值Table 6 Peaks of dynamic stress response of ELCE＿NS earthquake wave

表7 HACHI＿EW地震波的動應(yīng)力響應(yīng)峰值Table 7 Peaks of dynamic stress response of HACHI＿EW earthquake wave

(4) 在水平地震激勵下，對豎向位移特性影響不大，豎向位移沿墻高慢慢變小，在墻底時最大；水平位移隨輸入加速度的增加而增加，但曲線斜率變得平緩；豎向加速度隨輸入加速度的增加而增加。

(5) 當(dāng)輸入水平ELCE＿NS地震波時，其豎向加速度峰值可達(dá)到臺面輸入水平加速度的47%～62%；當(dāng)輸入水平HACHI＿EW地震波時，其豎向加速度峰值可達(dá)到臺面輸入水平加速度的44%～69%。

圖4 沿墻高方向動應(yīng)力響應(yīng)峰值Fig.4 Peaks of dynamic stress response with the wall height

臺面輸入的地震波沿?fù)鯄ο蛏蟼鞑r，由于土體材料和擋墻臨空面的作用，擋墻內(nèi)及墻面各點(diǎn)的加速度反映時程與臺面輸入的加速度進(jìn)程不一樣。這種不同主要表現(xiàn)在如下3個方面：① 擋墻所遭受的地震動強(qiáng)度與臺面輸入地震動強(qiáng)度不同，墻面各測點(diǎn)峰值加速度響應(yīng)沿墻面向上顯著放大；② 由于墻面對輸入地震動的反射作用，產(chǎn)生了大量不同方向和不同類型的反射波；③ 墻面各點(diǎn)地震動所包含的頻譜成分與輸入地震動存在明顯的差異。

由彈性波散射理論可知：墻底垂直入射的SV波傳播到墻面時將產(chǎn)生波場分裂現(xiàn)象，分解為同類型的反射SV波和新類型的反射P波(轉(zhuǎn)換波)，各種類型的波相互疊加形成復(fù)雜的地震波場，使加速度響應(yīng)在墻面及墻頂顯著增大。

(6) 動應(yīng)力響應(yīng)峰值隨著輸入加速度的增加而增加，且曲線斜率變得越來越大；在墻高H/2以下，動應(yīng)力沿墻高方向變化不大，在墻高H/2處，動應(yīng)力最??；隨著墻高的增大，動應(yīng)力也隨之增加，在墻高3H/4處達(dá)到最大。這說明水平地震波對綠色加筋格賓擋土墻所造成的最大損傷在離墻頂H/2以內(nèi)。

4 結(jié)論

(1) 綠色加筋格賓擋土墻對ELCE＿NS地震波的放大倍數(shù)為1.00～1.86，對HACHI＿EW地震波的放大倍數(shù)為1.00～2.12。

(2) 墻面板的水平加速度放大倍數(shù)隨輸入地震波振幅增大呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢。

(3) 綠色加筋格賓結(jié)構(gòu)為優(yōu)良的抗震結(jié)構(gòu)。由于綠色加筋格賓結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)，當(dāng)遭遇強(qiáng)烈地震時，結(jié)構(gòu)能夠發(fā)生彈塑性變形，具備較強(qiáng)的抗震能力、變形能力和消耗地震能量的能力，不容易發(fā)生倒塌等工程事故，結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

(4) 綠色加筋格賓結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗振構(gòu)造。綠色格賓擋墻的上、下層網(wǎng)面之間的可靠抗震構(gòu)造滿足抗震設(shè)防的要求。

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