重復(fù)荷載作用下土工格柵包生態(tài)袋加筋土擋墻動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

劉 澤， 史克友， 雷 勇

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

重復(fù)荷載作用下土工格柵包生態(tài)袋加筋土擋墻動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

劉 澤， 史克友， 雷 勇

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

設(shè)計(jì)并制作了土工格柵包生態(tài)袋加筋土模型擋墻，測(cè)試了模型擋墻在不同幅值、不同頻率重復(fù)交通荷載作用下的加速度、動(dòng)土壓力、累積變形和土工格柵拉應(yīng)變，獲得了擋墻在重復(fù)交通荷載作用下的動(dòng)力特性和累積變形發(fā)展規(guī)律。研究表明：在交通重復(fù)荷載作用下，土工格柵包生態(tài)袋加筋擋墻頂層的加速度響應(yīng)最大，沿墻高按指數(shù)模型衰減，且水平加速度衰減較豎向加速度快；擋墻內(nèi)的動(dòng)土壓力也是在頂層最大，隨墻高降低而減??；擋墻的變形和土工格柵拉應(yīng)變?cè)隽吭诩虞d初期較大，隨加載次數(shù)的增加而增大，受荷載幅值的影響明顯，受頻率變化的影響較??；豎向累積變形主要來自擋墻上部土體的沉降；水平累積變形總體上為上部大下部小。

土工格柵包生態(tài)袋加筋擋墻；重復(fù)荷載；動(dòng)力特性；模型試驗(yàn)

隨著可持續(xù)發(fā)展思想的傳播，生態(tài)擋墻、生態(tài)護(hù)坡的概念越來越深入人心，各種生態(tài)護(hù)坡技術(shù)也相繼出現(xiàn)[1-3]。土工格柵包生態(tài)袋加筋土擋墻是一種新型生態(tài)支擋結(jié)構(gòu)。這種擋墻主要由土工格柵、生態(tài)袋和填土構(gòu)成，生態(tài)袋內(nèi)一般充以營(yíng)養(yǎng)土并碼砌在擋土墻臨空側(cè)，通過土工格柵反包構(gòu)成擋土墻的柔性面墻。施工結(jié)束后通過插技或噴播等方法可以在面墻上快速形成植生綠化，不僅可以為坡面裸露的土工格柵提供紫外線防護(hù)屏障，不斷生長(zhǎng)的根莖也可以發(fā)揮不斷深入的加筋效果。土工格柵包生態(tài)袋加筋土擋墻在電力、水利、公路、鐵路等行業(yè)均有應(yīng)用[4-6]，取得優(yōu)異的邊坡支擋和景觀營(yíng)造效果。

近年來我國(guó)各地的超長(zhǎng)超重車輛大量出現(xiàn)，作用在路面的交通荷載已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)范給定的設(shè)計(jì)取值，給道路工程帶來了嚴(yán)重危害。因此，交通荷載作用下的路基及支擋結(jié)構(gòu)的動(dòng)響應(yīng)、失穩(wěn)機(jī)理深受研究人員的重視[7-11]。交通動(dòng)載荷具有作用時(shí)間短，頻率高，載荷增加梯度大等特點(diǎn)，土工格柵是一種增阻遲緩型的柔塑性體，在動(dòng)荷載作用下增阻速度滯后，不能及時(shí)提供阻力以抵御動(dòng)荷載對(duì)土體的破壞作用[12]，而土體的動(dòng)強(qiáng)度要比靜荷載下的強(qiáng)度小很多，交通荷載作用下?lián)跬翂?nèi)原始塑性變形區(qū)極易被誘發(fā)、擴(kuò)大，隨時(shí)間積累出現(xiàn)整體和永久性的變形與破壞。國(guó)內(nèi)外的一些機(jī)構(gòu)或?qū)W者先后對(duì)交通荷載作用下加筋土擋墻的動(dòng)響應(yīng)特性開展了試驗(yàn)研究。如，德國(guó)的Claus等[13]通過模型試驗(yàn)研究了列車荷載作用下筋材配置與路基沉降量等問題；意大利國(guó)家鐵路公司通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試了加筋土擋墻在汽車荷載作用下的應(yīng)力場(chǎng)；楊果林等[14-15]、李海深等[16]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)受公路汽車荷載和鐵路列車荷載作用的加筋土擋墻動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究，并提出了加筋土擋墻的動(dòng)響應(yīng)分析方法。李昀等[17]通過模型試驗(yàn)對(duì)比分析了兩種不同形式的加筋土擋墻在交通重復(fù)荷載作用下的動(dòng)響應(yīng)特點(diǎn)。這些研究對(duì)深入理解加筋土擋墻的動(dòng)力特性有著重要作用，但與加筋土擋墻結(jié)構(gòu)形式、穩(wěn)定性分析方法等內(nèi)容的研究相比，加筋土擋墻的動(dòng)力特性研究還不夠深入。

為了深入研究加筋土擋墻的動(dòng)力特性，本文設(shè)計(jì)并制作了土工格柵包生態(tài)袋加筋土模型擋墻，測(cè)試了模型擋墻在不同幅值、不同頻率重復(fù)交通荷載作用下的加速度、動(dòng)土壓力、累積變形和筋材累積應(yīng)變等參數(shù)，獲得了土工格柵包生態(tài)袋加筋土擋墻在重復(fù)交通荷載作用下的動(dòng)力特性和累積變形發(fā)展規(guī)律。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 模型設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵越B諸(紹興至諸暨)高速公路K38+325～K38+485路段的加筋土擋墻實(shí)體工程為原型，按1∶5的比例設(shè)計(jì)，如圖1所示。模型擋墻以土工格柵為筋材，以充土生態(tài)袋構(gòu)成面墻；墻內(nèi)布設(shè)有5層筋材，層間距為0.4m；等長(zhǎng)加筋，筋長(zhǎng)1.4 m。模型以黏性土為填料，其物理力學(xué)指標(biāo)見表1。土工格柵的力學(xué)特性見表2。模型擋墻在一個(gè)內(nèi)部尺寸為3.0 m(長(zhǎng))×0.86 m(寬)×2.0 m(高)的模型箱以人工夯實(shí)方法制作，每層夯實(shí)厚度控制為10 cm，并用環(huán)力法檢測(cè)填料的壓實(shí)度，控制填料的壓實(shí)值不低于93%。圖2為安裝測(cè)試元器件后的模型擋墻。

圖1 模型設(shè)計(jì)(單位：mm)Fig.1 Model design (unit: mm)

圖2 模型擋墻Fig.2 Model wall

表1 填料的物理力學(xué)參數(shù)

表2 土工格柵的力學(xué)參數(shù)(kN·m-1)

1.2 加載方法

以加筋土擋墻作為路基支擋結(jié)構(gòu)時(shí)，作用在墻頂?shù)暮奢d包括兩部分：一是路面層及附屬結(jié)構(gòu)重力形成的靜載，二是由行駛車輛產(chǎn)生的動(dòng)荷載。實(shí)測(cè)交通動(dòng)荷載的波形接近于正弦波[18-19]。因此，本次試驗(yàn)采用式(1)所表達(dá)的荷載，其波形如圖3所示。

(1)

式中:Pmax為荷載幅值為A時(shí)的最大荷載，Pmin為荷載幅值為A時(shí)的最小荷載，f為加載頻率，t為時(shí)間。

圖3 荷載波形Fig.3 Load wave

荷載通過MTS擬動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)施加。對(duì)模型擋墻分別施加不同幅值(A=10～30 kPa，20～40 kPa，30～50 kPa)不同頻率(f=4 Hz、6 Hz、8 Hz)的豎向重復(fù)荷載，每種幅值每種頻率的荷載加載10萬次，加載次數(shù)累計(jì)為90萬次。荷載按從低幅值到高幅值，從低頻率到高頻率的次序施加。通過設(shè)置在擋墻內(nèi)部和面墻上的元器件測(cè)試擋墻的加速度、動(dòng)土壓力、面墻變形和筋材拉應(yīng)變等特征量，分析擋墻在交通荷載作用下的動(dòng)力特性。各測(cè)點(diǎn)序號(hào)見圖1。

試驗(yàn)時(shí)，加速度、動(dòng)土壓力等動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)采用IMC集成測(cè)控系統(tǒng)采集，筋材拉應(yīng)變(由柔性位移計(jì)測(cè)量)采用JMZX-3001綜合測(cè)試儀采集，擋墻的豎向和側(cè)向變形采用百分表測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擋土墻的加速度響應(yīng)特性

圖4給出了測(cè)點(diǎn)1的部分水平和豎向加速度響應(yīng)曲線(A=20～40 kPa，f=6 Hz)。對(duì)比可知，在同一荷載條件下，擋土墻同一位置的豎向和水平加速度響應(yīng)具有相同的波形和頻率，但前者的幅值要比后者大，且兩者間有一定的相位差。

圖4 加速度時(shí)程曲線(測(cè)點(diǎn)1，A=20～40 kPa，f=6 Hz)Fig.4 Acceleration time curve(Point 1, A=20～40 kPa，f=6 Hz)

取各加載條件下的加速度峰值分析擋土墻的動(dòng)響應(yīng)特性。圖5給出了不同荷載條件下的豎向加速度峰值和水平加速度峰值。分析可知，荷載頻率、幅值和加載次數(shù)均對(duì)擋土墻的動(dòng)響應(yīng)有明顯影響?？傮w而言，當(dāng)荷載幅值相同時(shí)，加速度峰值隨頻率增加而增大；當(dāng)荷載幅值增大時(shí)，相同頻率下的加速度峰值出現(xiàn)減小。加載次數(shù)的增加會(huì)使填料密實(shí)增加，路基的剛度增大。因而，在同一加載條件下(荷載幅度和頻率保持不變)，加速度峰值隨加載次數(shù)增加有所減?。挥绕涫钱?dāng)荷載幅度增加到A=30～50 kPa階段時(shí)，已經(jīng)完成60萬次振動(dòng)，擋土墻的剛度有了明顯提高，其動(dòng)響應(yīng)也相應(yīng)減小，以至3種頻率下的加速度差別也較小。

從圖5還可以看到，在同一加載條件下，兩個(gè)方向的加速度峰值均隨測(cè)點(diǎn)高度降低而減小，即呈衰減狀。以靠近荷載源的測(cè)點(diǎn)1的加速度峰值為基點(diǎn)，定義擋土墻的加速度衰減系數(shù)為：

(2)

式中:ξi為擋土墻面墻上第i測(cè)點(diǎn)的加速度衰減系數(shù)，a1max為測(cè)點(diǎn)1的加速度峰值，aimax為第i測(cè)點(diǎn)的加速度峰值。

圖6為不同加載次數(shù)下加速度衰減系數(shù)沿墻高的分布。數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明，擋土墻的加速度衰減系數(shù)沿墻高的分布符合指數(shù)函數(shù)模型：

ξ=aeb(h/H)

(3)

式中：h/H為相對(duì)墻高(H為墻高)；a、b為模型參數(shù)。

兩個(gè)方向的加速度衰減系數(shù)擬合參數(shù)見表3。各加載條件下的模型相關(guān)性系數(shù)R2都比較高，大部分條件下都達(dá)到0.9以上。從表中可以看到，各加載條件下水平方向的參數(shù)b值較豎向的參數(shù)b大，且都大于1?？梢?，水平方向的加速度衰減要快于豎向加速度。

圖5 不同加載條件下加速度峰值Fig.5 The Acceleration maximum under different loading conditions

圖6 不同加載條件下的加速度衰減系數(shù)Fig.6 The acceleration attenuation coefficient under different loading conditions

表3 加速度衰減模型擬合參數(shù)

2.3 擋土墻的動(dòng)土壓力響應(yīng)特性

試驗(yàn)時(shí)在模型擋墻的面墻生態(tài)袋后(6～8號(hào)測(cè)點(diǎn))和加筋體后(9～11號(hào)測(cè)點(diǎn))埋設(shè)了動(dòng)土壓力盒，用以測(cè)量面墻后和加筋體后的水平向動(dòng)土壓力。圖7為這兩個(gè)位置動(dòng)土壓力峰值的發(fā)展曲線。由于荷載幅值的加載順序是由低到高，因此，在整個(gè)加載過程中，兩個(gè)位置各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)土壓力峰值總體呈緩慢增加態(tài)，但受筋土變形影響，動(dòng)土壓力峰值有所波動(dòng)。影響動(dòng)土壓力峰值的主要因素是荷載幅值。

圖8為不同加載次數(shù)下動(dòng)土壓力峰值沿墻高的分布曲線。兩個(gè)位置的動(dòng)土壓力峰值分布規(guī)律基本相同，在墻高方向上隨墻高減小呈衰減狀，衰減主要發(fā)生在擋墻上部，表明交通荷載的影響主要是擋墻上部。由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛽鯄γ鎵偠容^小，易產(chǎn)生動(dòng)變形。因此，面墻后的動(dòng)土壓力峰值較加筋體后的動(dòng)土壓力峰值小。

圖7 不同加載條件下動(dòng)土壓力Fig.7 The dynamic earth pressure under different loading conditions

圖8 動(dòng)土壓力的沿墻高的分布Fig.8 The distribution of dynamic earth pressure along the wall height

圖9 擋土墻的累積變形發(fā)展曲線Fig.9 The cumulative deformation curve of retaining wall

圖10 擋土墻累積變形沿墻高的分布Fig.10 The distribution curve of retaining wall accumulative deformation along wall height

2.3 擋土墻的變形特性

圖9為擋土墻的豎向變形(沉降)和水平變形的發(fā)展曲線。圖9(b)中的負(fù)值表示面墻變形方向?yàn)橄騼?nèi)縮進(jìn)。分析可知，擋墻的變形量隨著加載次數(shù)增加而增大；當(dāng)荷載幅值增大時(shí)，變形量增加明顯。即擋土墻的累積變形受荷載幅值和加載次數(shù)的影響較大，對(duì)加載頻率的變化不敏感。實(shí)際工程中通過限載、提高路面剛度等措施減小作用在墻頂?shù)膭?dòng)力幅值對(duì)控制路基變形、保證路基支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要意義。

圖10為不同加載次數(shù)下?lián)鯄ωQ向變形和水平變形沿墻高的分布曲線。分析可知，重復(fù)荷載作用下?lián)鯄Φ呢Q向變形主要發(fā)生在擋墻上部。加載到第90萬次后，第1～3測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)豎向變形量是第3～5測(cè)點(diǎn)間相對(duì)變形量的1.73倍。擋墻的水平變形在加載初期(<30萬次)，擋墻中上部向內(nèi)縮進(jìn)，下部向外凸出。隨著加載次數(shù)增加，擋墻中上部的變形逐漸由內(nèi)縮發(fā)展為外凸。加載到80萬次、90萬次后，測(cè)點(diǎn)1、4間的水平變形沿墻高基本為線性關(guān)系，雖然測(cè)點(diǎn)5(底層)的水平變形較測(cè)點(diǎn)4有所增大，但總體上擋墻上部的變形較下部大，擋墻水平變形呈外傾式。

圖11 土工格柵累積應(yīng)變的發(fā)展曲線Fig.11 The cumulative tensile strain curve of geogrid

圖12 土工格柵累積拉應(yīng)變分布曲線Fig.12 The cumulative tensile strain distribution curve of geogrid

可見，在重復(fù)荷載作用下，擋土墻的豎向和水平變形基本上都是上部大下部小，這主要是受擋墻動(dòng)響應(yīng)分布規(guī)律的影響，擋墻上部填土顆粒在振動(dòng)作用下的重排列現(xiàn)象較下部更明顯。實(shí)際工程中通過提高路基填土的壓實(shí)度、對(duì)筋材施加預(yù)應(yīng)力等措施有助于增加填土顆粒受到約束，減小振動(dòng)時(shí)土顆粒間的相對(duì)位移，達(dá)到減小路基變形的目的。

2.4 土工格柵的累積應(yīng)變特性

圖11為擋墻內(nèi)第2～5層土工格柵的累積拉應(yīng)變發(fā)展曲線。同累積變形的發(fā)展規(guī)律非常類似，當(dāng)荷載幅值增加時(shí)土工格柵的拉應(yīng)變有較大增量；隨加載次數(shù)增加，拉應(yīng)變稍有增大；土工格柵累積拉應(yīng)變受荷載頻率變化的影響不明顯。取不同加載次數(shù)下的拉應(yīng)變進(jìn)行分析，如圖12所示。試驗(yàn)開始時(shí)，各層土工格柵的拉應(yīng)變都有較大的增加，隨著加載次數(shù)增加各層土工格柵的拉應(yīng)變相應(yīng)增大，具有明顯的累積效應(yīng)，但在筋長(zhǎng)方向上的分布模式基本不變。但當(dāng)荷載幅值增大時(shí)，筋材拉應(yīng)變有大幅增加，使不同荷載幅值下的土工格柵累積拉應(yīng)變呈分組態(tài)?？梢?，土工格柵的累積拉應(yīng)變受荷載大小的影響較加載次數(shù)更顯著?？梢?，實(shí)際工程中道路超載較車流量增大對(duì)加筋土擋墻的危害更嚴(yán)重。

3 結(jié) 論

(1) 在重復(fù)荷載作用下，擋墻頂層的加速度響應(yīng)最大，并沿墻高按指數(shù)模型衰減。加速度的大小與荷載幅值、加載頻率和加載次數(shù)都有關(guān)；同一荷載條件下，擋墻的豎向加速度和水平加速度具有相同的頻率和波形，但兩者間存在一定的相位差；豎向加速度峰值要比水平加速度大，水平加速度沿墻高的衰減速率較豎向加速度快。

(2) 在墻頂重復(fù)荷載作用下，擋墻頂層的動(dòng)土壓力最大，隨墻高降低而減??；面墻側(cè)的動(dòng)土壓力較加筋體后的動(dòng)土壓力大；動(dòng)土壓力的大小主要受荷載幅值影響。

(3) 擋墻的累積變形在加載初期較大，隨加載次數(shù)的增加而增大，受荷載幅值的影響明顯，受頻率變化影響較??；豎向累積變形主要來自擋墻上部土體的沉降；水平累積變形的分布模式總體上為上部大下部小。

(4) 筋材的累積拉應(yīng)變主要受荷載幅值影響，對(duì)荷載頻率不敏感。

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Model test on dynamic characteristics of geogrid reinforced earth retaining wall packet ecological bag under repeated loading

LIU Ze, SHI Ke-you, LEI Yong

(School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

A model of geogrid reinforced earth retaining wall packet ecological bag was designed and filled. Its vibration acceleration, earth pressure, cumulative deformation and the tensile strain of geogrids under repeated traffic loading with different frequency and amplitude were measured and the dynamic characteristics and development process of cumulative deformation were tested. The results show that: under repeated traffic loading, the acceleration response is related to load amplitude, frequency and loading times, the maximum response appears at the wall top and attenuates exponentially along with the decrease of wall height, and the horizontal acceleration attenuates faster then the vertical acceleration; the earth pressure in wall reaches its maximum at the wall top and attenuates with the decrease of wall height too; the deformation of wall and tensile strain increment of geogrids in initial stage of loading are rather large, and increase with the increase of loading times, the influence of load amplitude is significant, while that of frequency is little; the vertical cumulative deformation mainly derives from the settlement of wall upper layers; the horizontal cumulative deformation at the top is bigger than that at the bottom in general.

geogrid reinforced earth retaining wall packet ecological bag; repeated loading; dynamic characteristics; model test

國(guó)家自然科金學(xué)基金項(xiàng)目(51208195);浙江省交通科技項(xiàng)目(2013H27-4);湖南省教育廳科研項(xiàng)目(13C311);湖南科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金(E51360)

2013-11-29 修改稿收到日期：2014-04-30

劉澤 男，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，1975年生

TU471

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.09.016