【摘要】土工離心模型試驗(yàn)揭示了土工材料柔性橋臺(tái)的變形特性，即未加筋橋臺(tái)產(chǎn)生的位移明顯大于土工材料柔性橋臺(tái)產(chǎn)生的位移；同時(shí)，未加筋橋臺(tái)產(chǎn)生整體滑移，而土工格室柔性橋臺(tái)因微裂縫的阻斷和錯(cuò)位，臺(tái)背未見(jiàn)破壞。進(jìn)一步分析了土工材料的加筋機(jī)理。

【關(guān)鍵詞】離心模型試驗(yàn)；土工材料；柔性橋臺(tái)；變形特性

1、引言

土工材料柔性橋臺(tái)作為一種新的土體穩(wěn)定和加固技術(shù)，其結(jié)構(gòu)類(lèi)似于一般的加筋擋土墻。由于該技術(shù)發(fā)展時(shí)間比較短，加之其構(gòu)造復(fù)雜，所以迄今為止，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)土工材料的研究主要是針對(duì)具體工程應(yīng)用而進(jìn)行的一些試驗(yàn)和一般的理論研究，并且非常有限，借助離心模型試驗(yàn)來(lái)研究土工材料柔性橋臺(tái)的變形特性更是少見(jiàn)。本文通過(guò)土工離心模型試驗(yàn)進(jìn)一步分析了土工材料柔性橋臺(tái)的變形特性和破壞機(jī)理，為相關(guān)的

設(shè)計(jì)與施工提供參考依據(jù)。

2、土工格室柔性橋臺(tái)離心模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

2.1.1 模型比尺

土工離心模型試驗(yàn)是將模型置于特制的離心機(jī)中，使1/n的模型在ng離心加速場(chǎng)中進(jìn)行試驗(yàn)。本次試驗(yàn)所用的模型比尺n=20。

2.1.2 結(jié)構(gòu)模擬

（1）地基與填料的模擬

由于本試驗(yàn)主要是針對(duì)臺(tái)背填料在交通荷載與回填材料自重作用下的變形特性與破壞機(jī)理進(jìn)行定性分析，所以在試驗(yàn)過(guò)程中假設(shè)地基是穩(wěn)定的，不產(chǎn)生下沉變形。臺(tái)背填料選用現(xiàn)場(chǎng)的紅砂巖碎石土，采用去掉大顆粒法進(jìn)行填料模擬，通過(guò)篩分使最大粒徑不超過(guò)1mm，按密實(shí)度93%控制。

（2）土工材料的模擬

土工材料的厚度較薄，彈性模量高，如按相似率將尺寸縮小，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此，必須采用替代材料。根據(jù)朗肯土壓力理論，考慮土體任意深度單元體的穩(wěn)定平衡，一個(gè)結(jié)點(diǎn)拉筋所受的拉應(yīng)力應(yīng)等于填土產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力，得出等應(yīng)變?cè)瓌t：

（St）m/（St）p=1/n （1）

εm/εp=1 （2）

公式（1）中St為單位寬度拉拔強(qiáng)度，KN/m（通過(guò)拉拔試驗(yàn)測(cè)定）；n為縮尺比率；公式（2）中ε為土工材料的應(yīng)變。上述二公式中下標(biāo)“m”、“p”分別表示模型與原型。

為此，本試驗(yàn)采用5mm×5mm×10mm的塑料網(wǎng)格代替土工材料，從上往下埋設(shè)7層，間距為30mm。

（3）臺(tái)背結(jié)構(gòu)模擬

一般用鋁板作為結(jié)構(gòu)物的替代材料，但鋁板的彈性模量與混凝土相差太遠(yuǎn)，因此，必須選用合適厚度的鋁板，即應(yīng)使兩者抗彎剛度相等。按照離心模型試驗(yàn)相似率，所需鋁板厚度為：

δm=（δp/n）×（Ep/Em）1/3 （3）

公式（3）中：Em、Ep分別為模型與原型的彈性模量，MPa；δm、δp分別為模型與原型的厚度，m。

經(jīng)計(jì)算，本次試驗(yàn)選用3mm厚的鋁板代替混凝土臺(tái)背，而鋁板的長(zhǎng)、寬按相似率設(shè)計(jì)。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程及其分析

本試驗(yàn)分加筋和未加筋2種工況。參照常規(guī)方法，在模型一側(cè)劃分網(wǎng)格，選擇觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)大頭針，考察背墻水平位移與離心加速度的關(guān)系。

本試驗(yàn)將2種工況的模型放在同一模型箱中進(jìn)行同步試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖1-2。

圖1 未加筋橋臺(tái)水平位移曲線

圖2土工材料柔性橋臺(tái)水平位移曲線

圖2曲線顯示，離心加速度 0～20g（g為重力加速度）主要為豎向沉降，20～40g之間模型中逐漸的出現(xiàn)微小裂縫，背墻頂部向前傾移承受主動(dòng)土壓力，而底部土體承受被動(dòng)土壓力，在圖中表示為負(fù)值。隨著離心加速度的增大，微裂縫變大并相互貫通，到60g時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)整體滑動(dòng)，接近100g時(shí)，模型破壞，墻體最大位移為0.73cm。

與圖1相比，圖2曲線變化平緩，墻背頂部最大位移為0.57cm，而墻腳位移幾乎為零；并且各層之間的微裂縫在加筋界面相互“錯(cuò)位”而未貫通。同時(shí)還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，加筋后使裂縫逐漸“遠(yuǎn)離”背墻，未見(jiàn)整體滑移現(xiàn)象。

3、土工材料柔性橋臺(tái)變形特性

離心模型試驗(yàn)揭示，雖然上述2種工況的背墻頂部水平位移均隨離心加速度增加而增大，變化速率也隨之增加，且沿非線性分布，但未加筋橋臺(tái)產(chǎn)生的位移明顯大于土工材料柔性橋臺(tái)產(chǎn)生的位移；同時(shí)，未加筋橋臺(tái)產(chǎn)生整體滑移，而土工材料柔性橋臺(tái)由于微裂縫的阻斷和錯(cuò)位，臺(tái)背未見(jiàn)破壞。

各種相關(guān)試驗(yàn)揭示，土工材料柔性橋臺(tái)大致呈現(xiàn)如下變形特性：

1）、 在離心模型試驗(yàn)過(guò)程中，土工材料柔性橋臺(tái)既有豎向變形，也有水平變形，但當(dāng)離心加速度較少時(shí)，以豎向變形為主，水平變形并不明顯。

2）、隨著離心加速度的增加，相當(dāng)于填土高度或車(chē)輛荷載的增加，水平位移逐漸增大，土體內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生豎向裂縫。

3）、隨著離心加速度的進(jìn)一步增加，豎向裂縫不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致在土體內(nèi)部產(chǎn)生局部塑性區(qū)，并隨之增大而擴(kuò)散，從而產(chǎn)生了局部剪切破壞，最后加速了橋臺(tái)的滑移。

4、結(jié)論

（1）通常背墻頂部水平位移均隨離心加速度增加而增大，變化速率也隨之增加，且沿非線性分布；

（2）未加筋橋臺(tái)產(chǎn)生的位移明顯大于土工材料柔性橋臺(tái)產(chǎn)生的位移，同時(shí)，未加筋橋臺(tái)產(chǎn)生整體滑移；而土工材料柔性橋臺(tái)由于微裂縫的阻斷和錯(cuò)位，臺(tái)背未見(jiàn)破壞

（3）隨著筋材的彈性伸長(zhǎng)變形，給土體內(nèi)部一個(gè)預(yù)加壓力來(lái)抵消外部荷載引起的土壓力，從而有效的減少了橋臺(tái)的側(cè)向位移，抑制了豎向裂縫的產(chǎn)生并阻斷其擴(kuò)大和貫通，大大提高了土工材料柔性橋臺(tái)的穩(wěn)定性。

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