地震作用下新型反濾層減載性能及參數(shù)優(yōu)化研究

黃卿德

(閩南科技學(xué)院土木工程學(xué)院，福建泉州362300)

我國(guó)作為一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家，在規(guī)劃公路、高鐵路線(xiàn)時(shí)往往不可避免地會(huì)經(jīng)過(guò)高烈度地震區(qū)，這些以惠民為主要目標(biāo)的基礎(chǔ)工程建設(shè)，使得我國(guó)中西部的四川、云南、貴州等地方的鐵路、公路基建產(chǎn)生大量的高填深挖邊坡工程，所以地震荷載作用下支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性[1]需要著重考慮，防止給邊坡工程的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)留下安全隱患[2]。

支擋結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，為了解決墻背土體內(nèi)的積水、土體流失產(chǎn)生的滲透破壞等問(wèn)題，會(huì)在擋墻背部設(shè)置不同形式的反濾層結(jié)構(gòu)[3]。一般的擋土墻反濾層結(jié)構(gòu)通常是由2～4層級(jí)配不同的砂、碎石或卵石組成，但隨著工程技術(shù)及材料科學(xué)的發(fā)展，新型反濾層結(jié)構(gòu)的研究有了進(jìn)一步的發(fā)展。針對(duì)現(xiàn)有的碎石、片石反濾排水結(jié)構(gòu)的不足之處，提出的新型反濾墊層結(jié)構(gòu)[4]如圖1所示。

圖1 新型反濾層結(jié)構(gòu)

新型反濾墊層主要包含2部分：一部分是熱融噴絲盤(pán)繞形成的彈簧狀芯材，可以通過(guò)調(diào)整彈簧間距控制反濾層的排水能力，調(diào)整彈簧簧絲粗細(xì)、間距、簧圈直徑與彈簧間距以控制單根彈簧的環(huán)剛度與整體的壓縮模量，調(diào)整彈簧直徑以控制墊層厚度；另一部分是彈簧狀芯材上下覆蓋長(zhǎng)絲熱壓土工布，土工布的存在可以良好的過(guò)濾墻后土體積水滲流時(shí)土體顆粒流失的情況，從而防止擋土墻排水孔堵塞。

現(xiàn)有反濾層的設(shè)計(jì)僅僅考慮過(guò)濾砂石，但已有的研究成果表明墻背反濾層在地震作用下會(huì)起到一定程度的消能減震作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)理論力學(xué)研究[5-7]，室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)[8-10]以及有限元數(shù)值模擬分析[11-15]等方法，對(duì)地震作用下支擋結(jié)構(gòu)的響應(yīng)已經(jīng)有了許多研究及成果。但對(duì)于支擋結(jié)構(gòu)反濾墊層用于消能減震的研究工作較為欠缺，因此地震作用下反濾墊層參數(shù)對(duì)支擋結(jié)構(gòu)的消能減震作用的研究具有對(duì)實(shí)際工程具有重要的意義。

1 數(shù)值分析模型

1.1 幾何模型建立

由于重力式擋土墻沿線(xiàn)路延伸長(zhǎng)度方向的結(jié)構(gòu)形式完全一致，所以在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以采取平面應(yīng)變模型[16]。數(shù)值計(jì)算模型參考重力式路塹擋土墻通用圖集尺寸建立。計(jì)算模型具體尺寸為：擋土墻墻高為5 m，墻頂寬度2.35 m，墻后土體坡度1∶0.25，墻身埋于地表以下1.5 m。墻身底部為10 m厚地表黏土層，黏土層下部簡(jiǎn)化為30 m厚基巖?？紤]動(dòng)力分析中邊界對(duì)地震波的影響，墻身距兩側(cè)邊界寬度取值100 m，墻底距下邊界40 m。為滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)邊坡安全系數(shù)的要求，墻后土體設(shè)置二級(jí)邊坡，距擋土墻頂8 m高度設(shè)置平臺(tái)，坡頂高于擋土墻頂16.5 m。

由于邊界效應(yīng)的影響，在模型底部和左右兩側(cè)建立寬5 m的粘彈性邊界[17]，用于吸收地震波的反射波，計(jì)算模型如圖2所示。

1.2 本構(gòu)模型及材料參數(shù)

土體本構(gòu)模型可選取較多，其中最為常用的是M-C(摩爾-庫(kù)侖)，適用于大部分土體，因此，本文計(jì)算中采用M-C模型。土體的密度、粘聚力和內(nèi)摩擦角等可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果獲取，其余參數(shù)可參考同類(lèi)土體的通用參數(shù)，擋土墻的彈性模量和泊松比通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的混凝土材料選取。

地表黏土層采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，擋土墻和巖體均采用線(xiàn)彈性本構(gòu)梁?jiǎn)卧Ｐ?，模型邊界采用無(wú)限元單元CINPE4。擋土墻與土界面采用無(wú)厚度接觸面單元“Interface單元”進(jìn)行模擬。模型兩側(cè)采用黏彈性邊界，模型內(nèi)部采用5%局部阻尼比近似表征土體在地震波傳播過(guò)程中的阻尼作用。材料參數(shù)如表1所示。

地震波從模型底部輸入，波形選取為川西高原人工擬合地震波，根據(jù)場(chǎng)地地震反應(yīng)譜生成，并通過(guò)基線(xiàn)修正等方式對(duì)其進(jìn)行處理，地震峰值加速為0.2g，最終得到地震波形如圖3所示。

表1 各分組材料參數(shù)

圖3 模型輸入地震波

1.3 數(shù)值模擬分析工況

通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析可知反濾墊層具有減震消能作用[18]，且發(fā)現(xiàn)反濾墊層的厚度越大其減載性能越明顯。但由于室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的局限性，通過(guò)有限元方法，設(shè)計(jì)不同的反濾層厚度、模量參數(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算其對(duì)反濾墊層減震消能作用的影響。在基本參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行反濾墊層參數(shù)敏感性分析，具體有：

(1)控制反濾墊層模量0.1 MPa不變，改變反濾墊層的厚度，分別設(shè)置為：50 cm、40 cm、30 cm、20 cm、10 cm、5 cm、2 cm。

(2)控制反濾墊層厚度10 cm不變，改變反濾墊層模量，分別設(shè)置為：1 MPa、0.5 MPa、0.25 MPa、0.1 MPa、0.05 MPa、0.01 MPa。

2 重力式擋土墻新型反濾層動(dòng)力響應(yīng)

2.1 反濾層厚度敏感性分析

將1.3(1)中不同工況下數(shù)值模擬結(jié)果下的地震土壓力最大響應(yīng)統(tǒng)計(jì)于表2并作圖4、圖5。由以上圖表可以看出，隨著反濾墊層厚度增加，墻背土壓力最大值逐漸變小，減載率逐漸增大。

表2 不同反濾層厚度下墻背地震土壓力最大響應(yīng)值 單位：kPa

由圖4可以發(fā)現(xiàn)隨著反濾層厚度的增加，墻底位置處墻背土壓力逐漸降低，墻頂位置處墻背土壓力則逐漸增大，土壓力合力呈逐漸降低的趨勢(shì)。如在無(wú)反濾層工況下總土壓力為287 kN/m，反濾層厚度為50 cm時(shí)僅為160 kN/m，減載率達(dá)到了44%。呈現(xiàn)出反濾層厚度越大，土壓力減載率也逐漸增大的趨勢(shì)。

圖4 不同反濾層厚度下墻背土壓力

圖5 土壓力減載率

但從圖5可以發(fā)現(xiàn)總土壓力減載率曲線(xiàn)斜率在逐漸降低，即表明反濾墊層厚度參數(shù)對(duì)擋土墻地震作用下的減震消能作用敏感性逐漸降低。反濾墊層厚度在20 cm以上時(shí)，其對(duì)墻背土壓力的影響逐漸減小，減載效果增加不再那么顯著。

接著對(duì)擋墻及墻后填土位移響應(yīng)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3可以看出隨著反濾墊層厚度增加，墻后填土位移量在增大，但擋墻位移量卻在逐漸減小，墻土相對(duì)位移亦逐漸增大。結(jié)合減載率隨反濾墊層厚度變化規(guī)律，分析反濾墊層減震消能作用：墻后墊上反濾墊層后，在地震作用下反濾墊層通過(guò)類(lèi)似彈簧產(chǎn)生形變從而消耗部分地震波能量，故擋墻受到土壓力就相應(yīng)減小，擋墻位移也因此減小。

表3 不同反濾層厚度下墻頂處墻土相對(duì)位移計(jì)算

通過(guò)圖6可以發(fā)現(xiàn)墻土相對(duì)位移隨著反濾墊層厚度增加而增大，但增長(zhǎng)率在漸漸變小。這再次表明反濾墊層厚度增大到一個(gè)值，其對(duì)于反濾墊層減震消能作用影響將不再顯著。

圖6 墻頂位置墻土相對(duì)位移

出于減載效果與經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，反濾墊層厚度并不是越厚越好，應(yīng)該綜合考慮而定。

2.2 反濾層彈性模量敏感性分析

為了深入分析反濾墊層彈性模量參數(shù)對(duì)其消能減震作用的影響，借助有限元對(duì)不同反濾墊層模量水平細(xì)化分析，將數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)于表4中。

由圖7、圖8可知，隨反濾層模量的減小，擋墻墻背底部墻背土壓力逐漸減小，土壓力的減載率逐漸增大。但是當(dāng)反濾墊層彈性模量位于0.5 ～1.0 MPa之間時(shí)，其減載率小于10%，且減小情況不顯著，即反濾墊層在此彈性模量區(qū)間的減震消能效果不明顯，所以不建議工程中反濾墊層的彈性模量設(shè)置大于0.5 MPa。

表4 不同反濾層模量下墻背地震土壓力值 單位：kPa

圖8 不同模量下土壓力減載率

進(jìn)一步分析地震作用時(shí)不同反濾墊層模量工況下墻頂位置處墻、土的位移響應(yīng)，研究反濾層模量對(duì)減震消能作用的影響，數(shù)據(jù)如表5所示。

由表中數(shù)據(jù)繪得圖9，分析圖表可知，隨著反濾墊層模量的逐漸減小，地震作用下其形變量增大，由反濾層變形所損耗地震波能量增加，墻背土壓力降低導(dǎo)致?lián)鯄ξ灰茰p小。當(dāng)彈性模量大于0.5 MPa時(shí)，墻土相對(duì)位移量?jī)H有不到1 mm，可見(jiàn)反濾墊層并不能很好發(fā)揮其消能減震作用。當(dāng)彈性模量小于0.1 MPa時(shí)，墻土相對(duì)位移增長(zhǎng)率陡升?？梢?jiàn)這時(shí)反濾墊層盡管具有很好消能減震作用，但也因?yàn)槠鋸椥阅Ａ窟^(guò)小導(dǎo)致位移量大大增大。故綜合考慮建議工程采用彈性模量為0.1～0.5 MPa反濾墊層。

表5 不同反濾層模量下墻頂處墻土相對(duì)位移

圖9 不同模量下墻頂位置處墻—土相對(duì)位移

3 結(jié)論

借助有限元數(shù)值分析模擬軟件對(duì)反濾墊層厚度及彈性模量2個(gè)參數(shù)對(duì)其消能減震作用敏感性進(jìn)行分析。研究表明：

(1)隨著反濾墊層厚度增加，墻背土壓力最大值逐漸變小，減載率逐漸增大。當(dāng)厚度大于20 cm，反濾墊層厚度參數(shù)對(duì)其減震消能作用敏感性在降低。反濾墊層用于耗能而產(chǎn)生的形變量在增加，但增長(zhǎng)率在漸漸變小。這再次表明反濾墊層厚度增大到一個(gè)值，其對(duì)于反濾墊層減震消能作用影響將不再顯著。綜合考慮減載率、土體位移量及經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際工程中推薦使用反濾墊層厚度為4～20 cm。

(2)隨著反濾墊層模量的減小，擋墻墻背底部墻背土壓力逐漸減小，減載率增大。當(dāng)反濾墊層彈性模量大于0.5 MPa時(shí)，反濾墊層減震消能作用不佳。當(dāng)反濾墊層彈性模量小于0.2 MPa時(shí)，其對(duì)反濾墊層減載作用敏感性增大。同時(shí)反濾墊層模量減小，墻體位移逐漸變小，土體位移增大，墻體相對(duì)位移也漸漸增大。當(dāng)彈性模量大于0.5 MPa時(shí)，墻土相對(duì)位移量?jī)H有不到1 mm，可見(jiàn)反濾墊層并不能很好發(fā)揮其消能減震作用。當(dāng)彈性模量小于0.1 MPa時(shí)，墻土相對(duì)位移增長(zhǎng)率陡升。可見(jiàn)這時(shí)反濾墊層盡管具有很好消能減震作用，但也因?yàn)槠鋸椥阅Ａ窟^(guò)小導(dǎo)致位移量大大增大。故綜合考慮建議工程采用彈性模量為0.1～0.5 MPa反濾墊層。

綜合結(jié)論，地震作用下?lián)鯄Ψ礊V墊層可以通過(guò)形變消耗地震波的能量，具備一定的消能減震作用，減小墻背土壓力，但是同時(shí)也會(huì)增加土體位移。綜合考慮土壓力減載率、墻土位移及經(jīng)濟(jì)性，建議在工程中使用厚度為4～20 cm彈性模量為0.1～0.5 MPa的反濾墊層。