土工袋擋土墻動(dòng)力特性影響因素試驗(yàn)

李玲君，劉斯宏，徐小東，張雨灼

(1．江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇南京 210014;2．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098)

擋土墻作為防止土體坍塌的永久或臨時(shí)性建筑物，廣泛應(yīng)用于土木建筑、水利水電、鐵道橋梁交通、水土保持和礦山坑道等工程建設(shè)中。常見的擋土墻主要有兩類:一類是以混凝土或漿砌石為主要材料的重力式、懸臂式等傳統(tǒng)剛性擋土墻，該類擋土墻形式簡單、施工方便，但在受到地震荷載作用時(shí)，墻體既不能轉(zhuǎn)動(dòng)，也不能產(chǎn)生相對(duì)墻后土體的位移，較易發(fā)生破壞［1-2］;另一類是采用土工合成材料的加筋土擋土墻，該類擋土墻具有一定的柔性和變形適應(yīng)能力，在一定范圍內(nèi)可承受較大的地基變形，其良好的抗震性能在近幾年的多次大型地震中得到了較好的驗(yàn)證［3］。

近年來，許多學(xué)者致力于加筋土柔性擋土墻的研究，尤其是加筋土擋土墻抗震性能的研究，如El-Eman等［4-10］開展了一系列加筋土擋土墻振動(dòng)臺(tái)和離心模型試驗(yàn)，實(shí)測了振動(dòng)作用下加筋土擋土墻的動(dòng)力響應(yīng);劉華北等［11-12］使用有限元方法建立了數(shù)值模擬模型，理論分析了筋材的長度、性質(zhì)、布置形式以及回填土的密實(shí)度和擋土墻尺寸等對(duì)加筋土擋土墻動(dòng)力響應(yīng)特性的影響。目前，加筋土技術(shù)日趨成熟，對(duì)加筋土擋土墻的受力與變形的影響研究較為深入，其在工程建設(shè)中的應(yīng)用日益廣泛。劉斯宏等［13-20］對(duì)土工袋增強(qiáng)機(jī)理、工程特性等進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，土工袋利用袋子的張力以提高袋內(nèi)土體的強(qiáng)度，對(duì)土體而言是一種加筋，因而可將土工袋直接應(yīng)用于構(gòu)筑擋土墻。土工袋擋土墻作為一種新型的加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)，不僅具有常規(guī)加筋土擋土墻的優(yōu)勢，如造價(jià)低廉、施工方便、地基適應(yīng)性好，同時(shí)具有一定的柔性，在墻后土壓力作用下能夠產(chǎn)生一定的變形，可有效地減小墻后土壓力，有利于擋土墻的穩(wěn)定。目前，日本已有若干土工袋擋土墻的工程實(shí)例［15］，國內(nèi)也有所應(yīng)用，如湖南邵陽修建了一座5級(jí)袋裝碎石重力式擋土墻(每級(jí)高4.5 m)［21-22］。但總的來說土工袋柔性擋土墻作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，其應(yīng)用尚屬于起步階段，人們對(duì)其動(dòng)力特性鮮有研究。

本文通過土工袋柔性擋土墻小型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究地震三要素即輸入加速度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間(動(dòng)力持時(shí))，以及土工袋大小對(duì)土工袋柔性擋土墻動(dòng)力特性的影響，從水平位移、動(dòng)土壓力以及水平加速度三方面分析土工袋擋土墻的抗震性能。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在DY-600-5電動(dòng)式小型振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，振動(dòng)臺(tái)主要由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、激勵(lì)電源、振動(dòng)臺(tái)體和測量與控制系統(tǒng)5個(gè)部分組成，最大負(fù)載3kN，最大加速度490m/s2，最大速度1m/s，最大位移51mm。采集系統(tǒng)選用東華測試DH5922系列的動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析裝置(16通道)，系統(tǒng)不確定度小于或等于0.3%，放大器頻率響應(yīng)范圍為0～100kHz。

1．2 模型設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)采集

圖1 模型試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所采用的剛性模型箱尺寸為120 cm×45 cm×50cm(長×寬×高)，由鋼板、有機(jī)玻璃、角鋼等焊接而成，底面用螺栓固定于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，如圖1所示。模型箱底面采用5mm厚的鋼板，四面采用厚度為10 mm的鋼化有機(jī)玻璃，以觀察擋土墻的破壞形式。模型箱底部鋪設(shè)3 mm厚的聚氯乙烯泡沫板以防波的反射干擾，并在泡沫板表面設(shè)置1層砂紙以減小擋土墻與底板間的滑動(dòng);在與擋土墻相反的一端側(cè)壁設(shè)置厚10 mm的海綿墊，以減少邊界條件對(duì)變形產(chǎn)生的影響;在模型箱長度方向兩側(cè)壁的內(nèi)表面涂上1層潤滑硅脂，并覆蓋1層塑料薄膜，以減小模型箱兩側(cè)壁的摩擦影響。

土工袋擋土墻長45 cm、寬40 cm、高45 cm，由2種規(guī)格(20cm×20cm×4.5cm和20cm×10cm×4.5 cm)的土工袋交錯(cuò)布置、垂直堆放而成(共10層)。土工袋原材料為聚丙烯(PP)，每平方米質(zhì)量為70 g，經(jīng)、緯向拉伸強(qiáng)度分別為11.6 kN/m與5.2 kN/m，經(jīng)、緯向伸長率均小于25%。土工袋內(nèi)土體與墻后填土均為某一天然河砂，內(nèi)摩擦角為35.4°，黏聚力為3.25kPa，含水率為3.26%，密度為1.75g/cm3。

試驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)包括:擋土墻水平位移、動(dòng)土壓力、加速度，其模型布置見圖2。具體布置情況如下:①沿?fù)跬翂ν鈧?cè)高度方向布置3個(gè)拉線式位移計(jì)(精度0.01 mm，最大量程25 mm)。②在土工袋擋土墻墻后沿高度方向布置5個(gè)應(yīng)變式動(dòng)土壓力計(jì)(直徑25mm，高度8mm，靈敏度2.0～1.0mV/V，量程50 kPa)，以測試水平動(dòng)土壓力值。試驗(yàn)時(shí)用雙面膠將動(dòng)土壓力計(jì)豎直固定在土工袋的側(cè)面，使得受力面保持豎直。③在墻后填土中沿高度方向布置5個(gè)DH201-100壓阻式加速度計(jì)(電荷靈敏度0.03～0.06mV/ms2，安裝諧振頻率0～3kHz，使用頻率0～1.5 kHz，工作溫度 －20～80℃，質(zhì)量約為2g，最大量程為1000 m/s2)。為減小測試誤差，將加速度計(jì)用玻璃膠固定在一個(gè)方盒中，實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)與周邊土體協(xié)同運(yùn)動(dòng)。④在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面固定一個(gè)加速度計(jì)以量測振動(dòng)臺(tái)輸入加速度(振源加速度)。

圖2 模型布置示意圖 (單位:cm)

1．3 裝樣過程

首先，在模型箱內(nèi)構(gòu)筑土工袋擋土墻(土工袋上下層交錯(cuò)排列，每鋪設(shè)1層，用小型平板碾壓實(shí)1次，壓實(shí)密度約為1.75 g/cm3);模型擋土墻構(gòu)筑完成后，采用與土工袋袋內(nèi)填充材料相同的天然河砂進(jìn)行墻后回填，分層填筑、分層壓實(shí)。分層的高度與量測儀器(動(dòng)土壓力計(jì)及加速度計(jì))埋設(shè)高度一致，填土的壓實(shí)密度為1.75 g/cm3。河砂填至擋土墻高度后，將位移計(jì)、動(dòng)土壓力計(jì)和加速度計(jì)數(shù)據(jù)清零，以消除埋設(shè)過程的影響。

1．4 加載工況

地震時(shí)地面水平向運(yùn)動(dòng)加速度一般比豎直向運(yùn)動(dòng)加速度大，而結(jié)構(gòu)物抵抗豎向荷載的能力通常比抵抗側(cè)向變形的能力強(qiáng)，因此，很多情況下，主要是考慮水平向地震作用的影響，本試驗(yàn)也僅考慮水平向的振動(dòng)作用。由于本試驗(yàn)使用的小型電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)無法模擬實(shí)際的地震波，故試驗(yàn)采用正弦波形，臺(tái)面振動(dòng)時(shí)程曲線見圖3，進(jìn)行不同輸入加速度峰值(0.1g～0.4g)、振動(dòng)頻率(6～12 Hz)以及動(dòng)力持時(shí)(1～50 s)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。

圖3 輸入振動(dòng)波時(shí)程曲線

為了研究土工袋大小對(duì)擋土墻動(dòng)力特性的影響，進(jìn)行了相同條件下大土工袋擋土墻的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。大土工袋擋土墻斷面尺寸與普通土工袋擋土墻斷面尺寸相同，均為45cm×40 cm×45 cm(長×寬×高)，由40 cm×40cm×11cm的土工袋垂直堆放而成(共4層)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

擋土墻的動(dòng)力響應(yīng)包括位移、動(dòng)土壓力、動(dòng)應(yīng)變、速度和加速度響應(yīng)等，其中位移、動(dòng)土壓力和加速度響應(yīng)及其分布規(guī)律是評(píng)價(jià)擋土墻地震動(dòng)力特性的基本資料。擋土墻在地震作用下發(fā)生背離墻后填土方向的位移，此時(shí)擋土墻所受土壓力將減小。在試驗(yàn)開始前先對(duì)動(dòng)土壓力計(jì)測量值進(jìn)行歸零處理，試驗(yàn)中測得的土壓力值為振動(dòng)引起的土壓力值的增量，稱為動(dòng)土壓力。動(dòng)土壓力與擋土墻的變形及測點(diǎn)在擋土墻內(nèi)的埋深有關(guān)，為了更好地說明動(dòng)土壓力沿墻高的變化，定義動(dòng)土壓力系數(shù)為動(dòng)土壓力與該測點(diǎn)靜土壓力的比值。加速度響應(yīng)以加速度放大倍數(shù)來表示，即各高程測點(diǎn)振動(dòng)加速度最大值相對(duì)于輸入加速度的比值。

2．1 輸入加速度的影響

圖4 不同輸入加速度下?lián)跬翂Φ膭?dòng)力響應(yīng)

圖4為振動(dòng)頻率6 Hz、動(dòng)力持時(shí)50 s時(shí)，不同輸入加速度情況下土工袋擋土墻外側(cè)水平位移、動(dòng)土壓力系數(shù)及加速度放大倍數(shù)沿墻高的分布。由圖4可知:①在水平振動(dòng)下，擋土墻的水平位移頂部大、底部小，類似于懸臂梁的水平晃動(dòng)。這是由于輸入加速度沿墻高有放大效應(yīng)，因此，擋土墻水平位移最大值出現(xiàn)在墻體頂部，而墻趾處外凸變形受到基礎(chǔ)限制增長緩慢，遠(yuǎn)小于擋土墻頂部的水平位移。②隨著輸入加速度的增大，振動(dòng)的強(qiáng)度越來越大，土工袋擋土墻的水平位移也逐漸增大。當(dāng)輸入加速度不大于0.2g時(shí)，土工袋擋土墻位移較小，墻體頂部水平位移不到0.5 mm;當(dāng)輸入加速度增大至0.3g時(shí)，土工袋擋土墻水平位移增大至2.2 mm，墻趾處位移依然不到1 mm;隨著輸入加速度繼續(xù)增大，位移增長幅度越來越大，當(dāng)輸入加速度為0.4g時(shí)，擋土墻頂部位移迅速增大至9.3 mm，而擋土墻墻趾處位移僅約為1 mm。③墻后動(dòng)土壓力系數(shù)分布總體上與擋土墻的位移分布一致，即頂部大、底部小，且動(dòng)土壓力系數(shù)隨著輸入加速度的增大而增大，其原因?yàn)閾跬翂ι喜孔冃屋^大，填土松動(dòng)，動(dòng)土壓力系數(shù)相應(yīng)較大，而擋土墻下部位移較小，動(dòng)土壓力系數(shù)增長較慢。④加速度放大倍數(shù)隨著墻高和輸入加速度的增大而增大。臺(tái)面輸入的振動(dòng)波沿?fù)跬翂ο蛏蟼鞑r(shí)，經(jīng)過反射、折射與疊加作用，使加速度響應(yīng)在墻頂顯著增大。

2．2 振動(dòng)頻率的影響

圖5為輸入加速度0.3g、動(dòng)力持時(shí)50 s時(shí)，不同的振動(dòng)頻率情況下土工袋擋土墻水平位移、動(dòng)土壓力系數(shù)及加速度放大倍數(shù)沿墻高的分布?？梢?①土工袋擋土墻的水平位移隨著振動(dòng)頻率的增大而減小，且頻率對(duì)擋土墻中上部水平位移影響較顯著，對(duì)墻趾處位移影響不大。當(dāng)輸入的振動(dòng)頻率較低時(shí)，振動(dòng)臺(tái)來回振動(dòng)的幅度相對(duì)較大，使得墻體發(fā)生較大的變形，而隨著振動(dòng)頻率的增大，振幅逐漸減小，擋土墻的水平位移也隨之減小。當(dāng)振動(dòng)頻率為6 Hz時(shí)擋土墻頂部水平位移達(dá)2.5 mm，是頻率為12 Hz時(shí)的3倍。②動(dòng)土壓力系數(shù)分布總體上與土工袋擋土墻的位移分布相對(duì)應(yīng)，隨著頻率的增大而減小。其理由為土工袋擋土墻的水平位移在振動(dòng)頻率低時(shí)較顯著，填土也更為松動(dòng)，導(dǎo)致動(dòng)土壓力系數(shù)相應(yīng)較大，例如振動(dòng)頻率為6 Hz時(shí)，擋土墻頂部動(dòng)土壓力系數(shù)達(dá)0.52，約為頻率為12 Hz時(shí)的2倍。③土工袋擋土墻的加速度放大倍數(shù)隨著振動(dòng)頻率的增大而增大。振動(dòng)頻率較高時(shí)，加速度放大倍數(shù)增長趨勢顯著，越接近墻頂處，加速度放大倍數(shù)差距越明顯，振動(dòng)頻率為12 Hz時(shí)，擋土墻頂部加速度放大倍數(shù)達(dá)1.7，而振動(dòng)頻率6 Hz時(shí)，擋土墻頂部加速度放大倍數(shù)不足1.2。

2．3 動(dòng)力持時(shí)的影響

圖5 不同振動(dòng)頻率下?lián)跬翂Φ膭?dòng)力響應(yīng)

地震動(dòng)力持時(shí)是影響結(jié)構(gòu)破壞的重要參數(shù)，為了研究該參數(shù)對(duì)土工袋擋土墻動(dòng)力特性的影響，對(duì)模型底部輸入水平加速度為0.3g、周期為1s的正弦波，觀測土工袋擋土墻頂部水平位移、加速度放大倍數(shù)與動(dòng)力持時(shí)的關(guān)系，見圖6?？梢?，動(dòng)力持時(shí)對(duì)土工袋擋土墻的影響主要集中于振動(dòng)初期，振動(dòng)開始的10s內(nèi)土工袋擋土墻頂部位移急劇增大至2.2 mm，此后擋土墻頂部水平位移增長較小，維持在2.5 mm左右，加速度放大倍數(shù)也呈現(xiàn)相同的趨勢。這也反映出在振動(dòng)過程中隨著地震動(dòng)能量的增加，擋土墻損傷在不斷地累積，振動(dòng)結(jié)束后墻頂位移并沒有減小，表明位移為永久性位移。

圖6 擋土墻頂部水平位移及加速度放大倍數(shù)的時(shí)程分布曲線

2．4 土工袋大小的影響

圖7 不同輸入加速度下兩種擋土墻外側(cè)水平位移沿墻高的分布

圖7為振動(dòng)頻率6 Hz，動(dòng)力持時(shí)50s時(shí)，不同輸入加速度情況下，由兩種不同尺寸的土工袋構(gòu)筑的擋土墻水平位移沿墻高的分布?？梢姡煌斎爰铀俣认?，普通土工袋構(gòu)筑的擋土墻水平位移均小于大土工袋擋土墻。當(dāng)輸入加速度不大于0.2g時(shí)，兩種擋土墻的水平位移均不超過1.2 mm，大土工袋擋土墻略大些;隨著輸入加速度增大至0.3g，兩種擋土墻的位移逐步增大，大土工袋擋土墻頂部水平位移達(dá)3.8 mm，而普通土工袋擋土墻位移不足2.5 mm;當(dāng)輸入加速度達(dá)0.4g時(shí)，大土工袋擋土墻中上部位移過大，頂部土工袋開始滑落，出現(xiàn)局部倒塌，而此時(shí)普通土工袋擋土墻頂部位移不足10 mm，仍然維持穩(wěn)定。兩種擋土墻的動(dòng)土壓力系數(shù)與加速度放大倍數(shù)沿墻高的分布規(guī)律與水平位移類似，均是大土工袋構(gòu)筑的擋土墻動(dòng)土壓力系數(shù)與加速度放大倍數(shù)比普通土工袋擋土墻大。因此，與大土工袋構(gòu)筑的擋土墻相比，普通土工袋擋土墻抗震性能更好，主要由于以下原因:①普通土工袋擋土墻袋與袋之間、層與層之間的聯(lián)結(jié)作用比大土工袋擋土墻更緊密;②普通土工袋本身由袋發(fā)生拉伸與收縮變形而引起的能量耗散，以及由袋內(nèi)土顆粒之間的摩擦錯(cuò)動(dòng)而引起的能量耗散比大土工袋更多;③普通土工袋擋土墻袋與袋之間的空隙允許土工袋在水平向振動(dòng)作用下發(fā)生小幅度的變形滑移。雖然大土工袋擋土墻抗震性能略差，但是其施工簡便快捷，效率較高，可以用于抗震要求較低的地區(qū)或者工期較緊的工程。

3 結(jié)論

a．輸入加速度越大，振動(dòng)頻率越低，土工袋擋土墻中上部變形越顯著，而擋土墻底部變形受輸入加速度和頻率的影響較小。動(dòng)力持時(shí)對(duì)土工袋擋土墻的動(dòng)力特性影響不大。

b．與普通土工袋相比，采用大土工袋構(gòu)筑的擋土墻抗震性能略差，但其施工簡便，效率較高，可以用于抗震要求較低的地區(qū)或者工期較緊的工程。

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