毛海君，馬學(xué)寧

加筋土擋土墻地震響應(yīng)分析

*毛海君，馬學(xué)寧

（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅，蘭州 730070）

加筋土擋土墻是一種新型支擋結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用振動(dòng)臺(tái)對(duì)牛皮紙、硬塑料和膠帶三種筋帶的加筋土擋土墻模型進(jìn)行了不同加速度峰值下的振動(dòng)試驗(yàn)，得到了加筋土擋墻模型面板的加速度、動(dòng)位移、筋帶動(dòng)應(yīng)變?cè)隽侩S擋墻高度的變化規(guī)律。從而分析不同筋帶對(duì)加筋土擋墻抗震性能的影響。

加筋土擋土墻；模型試驗(yàn)；加速度；抗震性能

0 引言

我國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家，且地震頻繁而強(qiáng)烈[1]。在近幾年發(fā)生的多次大型地震中，加筋土擋土墻的抗震性能得到了充分的證明。加筋土擋土墻具有抗震性能好、安全、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。因此隨著我國(guó)西部大開發(fā)的開展，加筋土擋土墻則在高烈度地震區(qū)域的交通、城建及水利等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[2]。2002年云南省昆明理工大學(xué)[3]進(jìn)行了課題“土工格柵加筋材拉出特性的實(shí)驗(yàn)研究”，并進(jìn)行了小型的震動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。胡小明等人[4]在2002年做了加筋土擋墻的離心模型試驗(yàn)，他們?cè)囼?yàn)的墻后填土采用黃土，而且加筋的方式采用雙面加筋，通過(guò)離心試驗(yàn)有效地模擬了原型的應(yīng)力狀態(tài)，并且確定了黃土的壓實(shí)度對(duì)加筋土擋墻的動(dòng)力特性的影響。Hatami and Bathurst[5]采用FLAC進(jìn)行數(shù)值模擬，討論了一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)加筋擋土墻固有頻率的影響。Ling et al[6]同時(shí)考慮土體采用合適的塑性模型，土工格柵采用邊界面模型，分析加筋土擋土墻的動(dòng)力特性。但目前加筋土擋墻地震反應(yīng)特性和抗震機(jī)理仍沒(méi)有圓滿的解答，研究成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其在地震地區(qū)的應(yīng)用需要[7-8]。因此，對(duì)支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震試驗(yàn)，研究支擋結(jié)構(gòu)的抗震性能，為指導(dǎo)支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)具有重要的理論和實(shí)際意義。本文主要通過(guò)進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)來(lái)分析加筋土支擋結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1 加筋土擋土墻抗震模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型相似關(guān)系設(shè)計(jì)

表1 物理量相似關(guān)系[10]

1.2 加筋土擋墻模型制作

考慮振動(dòng)臺(tái)荷載量程，采用1.2 cm厚木板制作模型試驗(yàn)箱，模型箱如圖1(a)所示，模型箱總重2.47 kg。模型箱與振動(dòng)臺(tái)采用螺栓固定，具體固定示意圖如1(b)所示。

若假定填土最大容重為21.5 kN/m3，忽略筋帶與面板質(zhì)量，模型與模型箱最大總重量為23.97 kg，處于振動(dòng)臺(tái)量程范圍內(nèi)。

圖1模型箱

1.2.1 筋帶

模型中筋帶長(zhǎng)為16 cm，由幾何相似系數(shù)N=25，即可以模擬原型筋帶長(zhǎng)度為4 m的加筋土擋墻。筋帶采用牛皮紙帶、硬塑料帶、膠帶三種材料進(jìn)行試驗(yàn)，為得到筋帶的彈性模量和抗拉極限強(qiáng)度[11-13]，本文設(shè)計(jì)如下圖2簡(jiǎn)易裝置進(jìn)行量測(cè)。

圖2 簡(jiǎn)易拉拔試驗(yàn)裝置

如圖2，試驗(yàn)采用逐級(jí)加砝碼的方式進(jìn)行加載，通過(guò)靜態(tài)應(yīng)變采集儀對(duì)不同荷載下筋帶的應(yīng)變進(jìn)行記錄。上述簡(jiǎn)易拉拔裝置對(duì)牛皮紙帶的試驗(yàn)效果好，但因膠帶和硬塑料帶模量較低，其產(chǎn)生應(yīng)變量過(guò)大，超過(guò)應(yīng)變片量程，所以無(wú)法直接測(cè)得應(yīng)變片應(yīng)變。為此采用直接量測(cè)法測(cè)得筋帶變形量，算得筋帶應(yīng)變。

拉拔試驗(yàn)中，筋帶的長(zhǎng)度為15 cm，寬度為1 cm，牛皮紙帶、硬塑料帶、膠帶的厚度分別為0.11 mm、0.09 mm、0.05 mm。由筋帶厚度、寬度可計(jì)算得筋帶截面面積，從而將受拉荷載轉(zhuǎn)換為筋帶拉應(yīng)力。三種筋帶拉拔試驗(yàn)下，筋帶的材料的拉拔試驗(yàn)曲線如圖3所示。

圖3 拉拔試驗(yàn)曲線

由拉拔試驗(yàn)曲線可知：

1)牛皮紙帶為脆性材料，沒(méi)有明顯的塑性變形，達(dá)到極限強(qiáng)度后，突然發(fā)生斷裂；硬塑料、膠帶為塑性材料，沒(méi)有明顯的極限強(qiáng)度，且隨著荷載的增加，塑性變形逐漸增大，曲線斜率（即彈性模量）逐漸降低。

2)計(jì)算得到牛皮紙帶彈性模量為2.53 Gpa，與參考文獻(xiàn)[5-6]測(cè)試結(jié)果2.82 Gpa接近，這說(shuō)明牛皮紙拉拔試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。硬塑料帶與膠帶彈性模量分別為210.76 Mpa、51.85 Mpa。

3)硬塑料、膠帶彈性模量小于牛皮紙帶，但其應(yīng)力卻大于牛皮紙。分析原因有兩點(diǎn)：首先，膠帶截面面積小，同等荷載作用下，應(yīng)力較大；其次，硬塑料、膠帶塑性變形具有蠕變特性，其完全穩(wěn)定的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，采用目測(cè)無(wú)法準(zhǔn)確判定其變形的穩(wěn)定，故相對(duì)而言加載速率過(guò)快。以上原因可以解釋硬塑料、膠帶應(yīng)力大于牛皮紙帶。

1.2.2 傳感器布置

由于模型尺寸限制，并考慮應(yīng)變測(cè)試線對(duì)模型振動(dòng)試驗(yàn)的影響，僅考慮距底面2 cm、10 cm、18 cm處3條筋帶上的拉應(yīng)變，應(yīng)變量測(cè)筋帶從上到下編號(hào)A、B、C，筋帶上的應(yīng)變計(jì)根據(jù)距面板的距離編號(hào)為1-5，整個(gè)模型中共布置15個(gè)應(yīng)變計(jì)，具體應(yīng)變計(jì)布置和編號(hào)如圖4所示。

圖4 傳感器布置圖

由于儀器限制，地震激振方向只能為水平向。故僅分析不利工況下的擋墻地震響應(yīng)，即地震波振動(dòng)的方向垂直于加筋土擋墻面板。若假定加筋擋土墻位于甘肅省，由《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》甘肅省抗震設(shè)防烈度為6~9度，其地震設(shè)計(jì)加速度為0.2 g~0.4 g[14]。為此本文分析加速度峰值為0.2 g、0.3 g、0.4 g地震波作用下的加筋土擋墻的動(dòng)力響應(yīng)特性。

2 模型試驗(yàn)工況

為分析筋帶類型對(duì)加筋土擋墻模型振動(dòng)試驗(yàn)的影響。模型分別采用汶川地震波進(jìn)行了峰值加速度為0.2 g、0.3 g、0.4 g抗震模型試驗(yàn)。具體的模型材料和對(duì)比分組如表2所示。

其中以筋帶為牛皮紙帶的1號(hào)模型試驗(yàn)為標(biāo)準(zhǔn)，分析膠帶對(duì)其抗震性能的影響，以期對(duì)現(xiàn)實(shí)中整體柔性擋墻的抗震特性進(jìn)行分析，并得到有利的工程結(jié)論。

表2 加筋土擋墻模型抗震試驗(yàn)工況

3 模型振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)模型施加垂直于擋土墻面板的汶川地震波，進(jìn)行加速度峰值為0.2 g、0.3 g、0.4 g的模型振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用加速度計(jì)、機(jī)電百分表、應(yīng)變計(jì)測(cè)得各模型試驗(yàn)中面板加速度、動(dòng)位移，以及筋帶動(dòng)應(yīng)變的變化規(guī)律，現(xiàn)模型試驗(yàn)結(jié)果分析討論如下。

3.1 不同筋帶類型下模型地震響應(yīng)分析

以填土為砂土、面板為白卡紙、筋帶配筋率為1/10，筋帶間距為4 cm的加筋土擋墻為基準(zhǔn)，分別采用脆性牛皮紙、塑性硬塑料、透明膠帶做加筋土擋墻筋帶，制作了3個(gè)加筋土擋墻模型，以分析筋帶彈性模量對(duì)模型抗震特性的影響，其中牛皮紙的彈性模量約為硬塑料的10倍，為透明膠帶的50倍。并對(duì)3個(gè)擋墻模型進(jìn)行不同地震峰值加速度下的模型振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及分析如下：

(1)面板加速度

圖5 不同筋帶類型下，面板加速度放大系數(shù)曲線

由圖5可以看出：隨著筋帶彈性模量的減小，同等條件下，模型面板加速度放大系數(shù)不斷降低。當(dāng)筋帶為透明膠帶時(shí)，面板中部加速度放大系數(shù)近似于直線。

（2）面板動(dòng)位移不同筋帶類型下，加筋土擋墻面板位移包絡(luò)線如圖6所示，可以看出：

圖6 不同筋帶類型下，面板位移包絡(luò)曲線

1)隨著筋帶彈性模量的降低，面板的位移峰值均有所降低，隨著加速度的增大，面板位移峰值增大。筋帶為牛皮紙、硬塑料（彈性模量降低10倍）時(shí)面板位移變化比較相似，而筋帶為膠帶（彈性模量降低50倍）時(shí)面板位移峰值曲線與硬塑料相比變化較大。說(shuō)明當(dāng)筋帶彈性模量在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，其對(duì)加筋擋墻的抗震性能影響較小。故可以對(duì)現(xiàn)實(shí)中加筋擋墻的筋帶抗震界限彈性模量進(jìn)行研究。

2)牛皮紙筋帶擋墻最大位移發(fā)生在12 cm，硬塑料帶最大位移發(fā)生在10 cm，膠帶最大位移發(fā)生在6 cm，說(shuō)明隨著筋帶彈性模量的降低，面板位移峰值下移。也說(shuō)明對(duì)筋帶彈性模量較低的擋墻，其底部容易發(fā)生隆起而破壞。

對(duì)不同筋帶類型下，加筋土擋墻地震反應(yīng)后的殘余變形進(jìn)行分析，如圖7所示，由圖7可知：

圖7 地震后，不同筋帶類型擋墻面板殘余變形

總體看隨著地震加速度的增大，三種筋帶類型的加筋土擋墻面板的殘余變形逐漸增大。當(dāng)筋帶為牛皮紙、硬塑料時(shí)，面板的殘余變形曲線較為接近，但隨著筋帶變?yōu)槟z帶(筋帶彈性模量降低50倍)時(shí)，面板殘余變形曲線線型和曲線峰值發(fā)生明顯變化。面板高度12 cm處產(chǎn)生向內(nèi)的變形，面板5~10 cm則發(fā)生向外隆起。

圖8 機(jī)電百分百對(duì)位移的影響

分析原因認(rèn)為，彈性模量降低，面板底部變形增大，此時(shí)面板中部土壓力降低，故機(jī)電百分表對(duì)面板阻力使得面板發(fā)生向內(nèi)的變形。如圖8所示的機(jī)電百分表對(duì)白卡紙的變形影響。

（3）筋帶動(dòng)應(yīng)變

不同筋帶類型擋墻，在不同加速峰值下的筋帶應(yīng)變?cè)隽繄D如圖9示，由圖可知：加速度峰值越大，筋帶的應(yīng)變?cè)隽烤驮酱?。筋帶為牛皮紙、硬塑料時(shí)，除18 cm處的筋帶最大應(yīng)變?cè)隽堪l(fā)生在靠近面板處即1.6 cm處外，筋帶應(yīng)變?cè)隽恐饕性诮顜У闹胁考?.8~11.2 cm之間。膠帶應(yīng)變?cè)隽康淖畲笾稻l(fā)生在靠近面板的位置即1.6 cm。而筋帶為膠帶時(shí)，由于彈性模量比牛皮紙降低了50倍，應(yīng)變?cè)隽恐饕性诘撞拷顜?，且?yīng)變?cè)黾幼畲笾悼拷姘澹@與膠帶擋墻面板的殘余變形在底部最大相對(duì)應(yīng)。

從筋帶彈性模量降低對(duì)面板加速度、面板位移、筋帶應(yīng)變?cè)隽康姆治隹梢钥闯觯顜椥阅Ａ康倪m度降低對(duì)加筋土擋墻的面板加速度、位移、應(yīng)變?cè)隽坑绊懖惶黠@。但隨著筋帶彈性模量大幅的降低，面板底部將發(fā)生明顯的隆起，且筋帶靠近面板處的應(yīng)變?cè)隽吭龃?，如果筋帶抗拉?qiáng)度較低，則可能在靠近面板處發(fā)生筋帶拉斷現(xiàn)象，從而導(dǎo)致?lián)跬翂Φ牡卣鹌茐摹?/p>

圖9 不同筋帶類型下，擋墻筋帶應(yīng)變?cè)隽壳€

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)當(dāng)三種筋帶牛皮紙、硬塑料及膠帶施加的地震峰值加速度相同時(shí)，模型面板加速度放大系數(shù)隨著筋帶彈性摸量的減小而不斷降低。當(dāng)筋帶為透明膠帶時(shí)，面板中部加速度放大系數(shù)近似于直線。

(2)牛皮紙筋帶擋墻最大位移發(fā)生在12 cm，硬塑料帶最大位移發(fā)生在10 cm，膠帶最大位移發(fā)生在6 cm，則面板的位移峰值隨著筋帶彈性模量的降低而降低，且當(dāng)筋帶為牛皮紙、硬塑料時(shí)，面板位移變化相似。

(3)筋帶為牛皮紙、硬塑料時(shí)，面板的殘余變形曲線較為接近，但隨著筋帶變?yōu)槟z帶(筋帶彈性模量降低50倍)時(shí)，面板殘余變形曲線線型和曲線峰值發(fā)生明顯變化。

(4)筋帶的應(yīng)變?cè)隽侩S著加速度峰值提高而增加，牛皮紙、硬塑料的筋帶應(yīng)變?cè)隽恐饕性诮顜У闹胁?，?.8 ~11.2 cm之間。而膠帶的應(yīng)變?cè)隽恐饕性诮顜У牡撞俊?/p>

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[14] GB 50011-2010. 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Analysis on seismic behavior of reinforced soil retaining wall subjected to seismic loading

*MAO Hai-jun，MA Xue-ning

(School of Civil engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou,Gansu 730070, China)

Reinforced soil retaining wall is a new-block structure. We adopt vibration table to vibration test for kraft paper tape, hard plastic tape, and transparent tape of reinforced soil retaining wall models under different acceleration peak value. It is found that wall panels of the acceleration, dynamic displacement, drive the change of strain increment are related to the wall height. We also analyze different ribbon influence on seismic performance of reinforced soil retaining wall.

reinforced soil retaining wall; model test; acceleration; seismic performanc

G741

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.06.015

1674-8085(2013)06-0072-06

2013-07-07；

2013-09-11

*毛海君(1988-)，女，江西吉安人，碩士生，主要從事道路與鐵道工程研究(E-mail:mm0211319@163.com);

馬學(xué)寧(1975-)，男，甘肅蘭州人，副教授，博士，主要從事巖土工程及道路與鐵道工程研究(E-mail:xdd2007@163.com).