樁板墻加固軟弱夾層斜坡抗震性能分析

中圖分類號(hào)：U417. 1*1 1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.005

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0015-04

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，許多工程項(xiàng)自需要在復(fù)雜的地質(zhì)條件下進(jìn)行施工。其中，軟弱夾層斜坡因其土體力學(xué)性質(zhì)較差，易在外力作用下發(fā)生變形和失穩(wěn)，成為工程建設(shè)中的一大挑戰(zhàn)[1-2]。特別是在地震頻發(fā)的地區(qū)，地震對(duì)軟弱夾層斜坡的破壞尤為顯著，往往會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的滑坡和地面沉降問(wèn)題，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大威脅3]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)地震作用下含軟弱夾層斜坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。盛建龍等4通過(guò)數(shù)值計(jì)算和擬靜力法，分析了地震作用下含軟弱夾層邊坡的加速度動(dòng)力響應(yīng)特性及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；郭明珠等5通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，分析了含軟弱夾層順層巖質(zhì)斜坡在強(qiáng)震作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明軟弱夾層放大了地震波，并且不同位置對(duì)地震波頻段的敏感程度不同；杜瑞鋒等通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)爆破作用下含軟弱夾層斜坡的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究。綜上所述，針對(duì)含軟弱夾層斜坡的地震響應(yīng)已有豐富的研究成果。然而，針對(duì)地震作用下軟弱夾層斜坡加固措施地震響應(yīng)的研究較少。樁板墻是一種常用于邊坡加固的支擋結(jié)構(gòu)，其通過(guò)設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索和鋼筋混凝土樁板墻體，可以有效提高斜坡的穩(wěn)定性和抗震能力。因此，進(jìn)一步明確地震作用下樁板結(jié)構(gòu)的抗震性能，可為實(shí)際工程提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

本文以廣西欽州至北海段公路工程沿線某軟弱夾層斜坡為背景，開(kāi)展振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，獲取樁板支擋結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移、加速度和動(dòng)土壓力等響應(yīng)數(shù)據(jù)。然后，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)震后支擋結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行分析。研究結(jié)果以期為軟弱夾層斜坡支擋結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供思路。

1工程概況

本文依托廣西欽州至北海段公路工程，線路總長(zhǎng)度為111.85 k m 。沿線存在大量不良地質(zhì)工況，其中 段公路旁存在一處體量較大的軟弱夾層斜坡，斜坡高度約為 ，坡內(nèi)有一寬度約為80cm的軟弱夾層。如果發(fā)生地震，可能導(dǎo)致斜坡發(fā)生滑塌，給行車安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此，項(xiàng)目擬采用樁板墻加固的方法，對(duì)其進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。然而，樁板墻加固后斜坡的抗震性能尚不清楚，需要進(jìn)一步通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究樁板墻加固的效果。

2樁板墻加固軟弱夾層斜坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型簡(jiǎn)化

簡(jiǎn)化后的地質(zhì)模型如圖1所示。該模型主要由滑體、軟弱夾層和中一弱風(fēng)化花崗巖三部分組成。試驗(yàn)為縮尺試驗(yàn)，相似比尺為 1：40. ，模型內(nèi)部軟弱夾層厚度為 20m 。樁結(jié)構(gòu)的橫截面尺寸為6 （設(shè)計(jì)尺寸經(jīng)過(guò)相似換算后所得），樁間距為 15c m. 。擋土板厚度為20m 尺寸為 30c m×15c m ，緊靠抗滑樁布設(shè)。

2.2地震波加載方案

本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)選擇使用5Hz的正弦波進(jìn)行逐級(jí)加載，從0.1g—直增加至0.8g并且加載前后選擇白噪聲信號(hào)進(jìn)行掃頻。已有研究表明加載白噪聲可以獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)。0.1g5Hz正弦波與0.05g白噪聲時(shí)程曲線如圖2所示。

固軟弱夾層斜坡的動(dòng)力響應(yīng)提供了重要依據(jù)。

2.3儀器監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，重點(diǎn)關(guān)注樁板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和變形，因此沿著抗滑樁樁身布設(shè)6個(gè)加速度傳感器，其中 位于錨固段， 位于樁的懸臂段；在樁頂布設(shè)一個(gè)位移計(jì)，監(jiān)測(cè)樁頂位移；在樁后布設(shè)了5個(gè)土壓力計(jì) ，用于監(jiān)測(cè)地震作用下樁后土壓力的變化情況。儀器監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方式如圖3所示。

3地震響應(yīng)結(jié)果分析

3.1樁身加速度響應(yīng)

在分析樁身加速度響應(yīng)時(shí)，通過(guò) P G A （峰值加速度）放大系數(shù)進(jìn)行衡量。 P G A 放大系數(shù)定義為樁身的峰值加速度與輸入地震波的峰值加速度之比。經(jīng)過(guò)計(jì)算，樁身 P G A 放大系數(shù)響應(yīng)結(jié)果如圖4所示。由于0.8g作用時(shí)樁身發(fā)生破壞，故 P G A 放大系數(shù)僅分析至0.7g由圖4可知，隨著樁身高度的增加， P G A 放大系數(shù)表現(xiàn)出一定的變化趨勢(shì)。在大多數(shù)情況下，放大系數(shù)在樁身中上部達(dá)到較大值。在A4測(cè)點(diǎn)以下區(qū)域，樁身的 P G A 放大系數(shù)較小，均在 之間分布。在實(shí)際工程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注樁身上部的響應(yīng)的變形。隨著地震強(qiáng)度的增加，樁身加速度放大效應(yīng)更加明顯，在樁身中上部表現(xiàn)尤為突出。 P G A 放大系數(shù)分析結(jié)果為理解樁板墻加

3.2樁后土壓力分析

樁后土壓力響應(yīng)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在錨固段內(nèi)部，由P1至P2的動(dòng)土壓力逐漸減小，表明在基巖內(nèi)部越靠近錨固界面土壓力越小。在懸臂段，不同地震荷載強(qiáng)度下均在P3處的土壓力最大，表明該處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。特別是當(dāng)?shù)卣鸩ǚ?gt;0.5 g后，這種應(yīng)力集中現(xiàn)象變得顯著。當(dāng)?shù)卣鸩ǚ颠_(dá)到0.7g時(shí)，P3處的土壓力最大值達(dá)到3.15 kPa 。

3.3樁頂位移分析

樁頂位移是研究樁板墻結(jié)構(gòu)在地震作用下動(dòng)力響應(yīng)的重要參數(shù)之一。通過(guò)分析樁頂位移，可以了解樁板墻結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形情況，評(píng)估其在地震荷載下的穩(wěn)定性。樁頂位移過(guò)大會(huì)導(dǎo)致樁板墻結(jié)構(gòu)的屈曲和失穩(wěn)，分析位移數(shù)據(jù)可以提前預(yù)判這些風(fēng)險(xiǎn)。不同地震波幅值下，樁頂?shù)奈灰谱兓鐖D6所示。由圖6可知，在低強(qiáng)度地震 作用下，樁頂位移基本保持在0mm左右。當(dāng)?shù)卣鸩ǚ颠_(dá)到 g時(shí)，樁頂位移仍然較小，略有波動(dòng)。地震波幅值達(dá)到0.6g和0.7g時(shí)，位移顯著增大。綜上所述，樁頂位移隨著地震波幅值的增加而顯著變化，特別是在地震波幅值 gt;0.5 g后，樁頂位移呈現(xiàn)出非線性迅速增加的趨勢(shì)。低強(qiáng)度地震對(duì)樁板墻結(jié)構(gòu)的影響較小，結(jié)構(gòu)保持相對(duì)穩(wěn)定；中等強(qiáng)度地震開(kāi)始導(dǎo)致明顯的變形；高強(qiáng)度地震則引起顯著的位移和潛在的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

3.4樁身破壞現(xiàn)象

加載完成后，拆除模型，樁身發(fā)生破壞，如圖7所示。由圖7可知，樁身基本均沿錨固界面處發(fā)生破壞。綜合抗滑樁的加速度響應(yīng)、土壓力響應(yīng)以及位移響應(yīng)可知，由于下部基巖區(qū)域的強(qiáng)度較高，因此發(fā)生的變形較小。而上方滑體的強(qiáng)度較小，在地震作用下易向下發(fā)生滑動(dòng)，因此導(dǎo)致在錨固界面附近，樁身的彎矩較大。當(dāng)彎矩超過(guò)樁身的抗彎剛度后，樁身發(fā)生破壞。

綜上所述，通過(guò)對(duì)樁板結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的研究可知，當(dāng)?shù)卣鸩ǚ祃t;0.5g}時(shí)，樁板墻加固效果非常好。當(dāng)?shù)卣鸩ǚ? 時(shí)，樁板結(jié)構(gòu)抗震性能開(kāi)始顯著降低。但不會(huì)立即失效，仍可以提供一定的支擋能力。因此，需要對(duì)震后樁板結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4地震后樁板結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估

根據(jù)樁板結(jié)構(gòu)承載特性，其承載力主要是靠抗滑樁提供。因此，針對(duì)震后樁板結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)估可簡(jiǎn)化為針對(duì)抗滑樁的損傷評(píng)估。已有研究表明，通過(guò)固有頻率評(píng)估樁身的損傷程度是一種有效的方法。固有頻率是結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要?jiǎng)恿μ匦裕瑩p傷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度的變化，從而引起固有頻率的變化[8]。

定義樁身?yè)p傷度 H 計(jì)算方法如下：

式中： H 一 樁身?yè)p傷度 1% 一 地震后樁身的固有頻率/Hz；

——初始狀態(tài)下樁身的固有頻率/Hz。

式（1）表明，得到樁身?yè)p傷程度 H 只需計(jì)算不同等級(jí)地震荷載作用前后樁身自振頻率的變化。

根據(jù)文獻(xiàn)9所述，通過(guò)對(duì)加載白噪聲時(shí)的樁身加速度響應(yīng)做FFT變換，可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率。本文通過(guò)該方法求解不同地震波幅值下樁身的固有頻率，并將其帶入式（1）中對(duì)損傷度進(jìn)行求解，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，樁身?yè)p傷度隨著地震波幅值的增加而增加，且在高強(qiáng)度地震作用下，損傷度增加明顯。當(dāng)?shù)卣鸩ǚ禐? 時(shí)，樁身?yè)p傷度最大僅為 4.45% 0當(dāng)?shù)卣鸩ǚ颠_(dá)到0.5g時(shí)，損傷度 H 則增加至10.20% 。結(jié)合圖6可知，當(dāng)?shù)卣鸩ǚ翟?.5g時(shí)，樁頂位移仍在小范圍波動(dòng)，未見(jiàn)顯著增加，而此時(shí)損傷度已經(jīng)顯著增加，表明在進(jìn)行抗震性能研究時(shí)，應(yīng)注重多指標(biāo)共同分析，只從某一角度無(wú)法全面掌握其抗震性能的變化。當(dāng)?shù)卣鸩ǚ禐?.7g時(shí)，此時(shí)樁身?yè)p傷度已達(dá)48. 11% ，并將此時(shí)的損傷度定義為樁身破壞前的臨界損傷度。當(dāng)?shù)卣鸩ǚ颠_(dá)到0.8g時(shí)，樁身發(fā)生徹底破壞。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)樁板墻加固軟弱夾層斜坡在地震作用下的抗震性能研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)?shù)卣鸩ǚ?.5g時(shí)，樁板墻加固效果較好，當(dāng)?shù)卣鸩ǚ?.6g時(shí)，樁板結(jié)構(gòu)抗震性能開(kāi)始顯著降低。

（2）在地震作用下，錨固段內(nèi)部土壓力逐漸減小，懸臂段土壓力在不同地震荷載強(qiáng)度下均在P3處達(dá)到最大值，特別是在地震波幅值 ${gt;}0.5g后，P3處的土壓力最大值達(dá)到3.15 kPa ，表明該處應(yīng)力集中現(xiàn)象最為顯著。

（3低強(qiáng)度地震 對(duì)樁頂位移影響較小，結(jié)構(gòu)保持相對(duì)穩(wěn)定；中等強(qiáng)度地震 開(kāi)始導(dǎo)致樁頂位移略有波動(dòng)；高強(qiáng)度地震（0.6g和0.7g）引起樁頂位移顯著增大，存在潛在的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

（4）樁身?yè)p傷度隨著地震加速度峰值的增加而增加。低強(qiáng)度地震 時(shí)樁身?yè)p傷度較小，最大僅為4. 45% ；中等強(qiáng)度地震 0.5g}時(shí)損傷度增加至 10.20% .高強(qiáng)度地震（0.7g）時(shí)損傷度達(dá)到48. 11%。

本文研究結(jié)果為實(shí)際工程中樁板墻加固措施的抗震設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

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收稿日期：2024-08-06