王　賀， 楊廣慶， 劉華北， 吳連海， 劉偉超， 熊保林

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊　050043；2. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京　100044；3. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢　430074；4. 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300142)

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模塊面板式土工格柵加筋土擋墻動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究

王賀1,2， 楊廣慶1， 劉華北3， 吳連海4， 劉偉超1， 熊保林1

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊050043；2. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京100044；3. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢430074；4. 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142)

摘要：為了研究模塊面板式土工格柵加筋土擋墻在高速鐵路列車(chē)載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，分析其作用機(jī)理。結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行了包括加筋土擋墻墻面變形、墻體加速度、動(dòng)土壓力、殘余土壓力及土工格柵拉伸應(yīng)變等分布規(guī)律的研究。結(jié)果表明：墻面累積水平位移沿墻高呈單峰值分布，最大值位置靠近墻頂；擋墻內(nèi)豎向加速度受頻率影響較大，8 Hz時(shí)加速度出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，加筋體內(nèi)加速度沿墻高出現(xiàn)衰減；動(dòng)土壓力主要受載荷幅值及加載次數(shù)的影響，在加筋體內(nèi)沿墻高逐漸衰減，垂直動(dòng)土壓力的衰減速率逐漸增加，水平動(dòng)土壓力的衰減速率逐漸減小；隨加載次數(shù)的增加，殘余土壓力逐漸增大，沿墻高墻體中部的殘余土壓力稍大；筋材累積應(yīng)變隨加載次數(shù)的增加略微減小，沿筋長(zhǎng)呈單峰值分布，峰值位置距墻腳水平距離從高到低逐漸減小。

關(guān)鍵詞：模塊面板；土工格柵；加筋土擋墻；動(dòng)力載荷；模型試驗(yàn)

加筋土擋墻作為鐵路路基的一部分，不但受到軌道系統(tǒng)、列車(chē)等靜載荷作用，還承受著列車(chē)運(yùn)行帶來(lái)的重復(fù)載荷作用。重復(fù)載荷引起的擋墻內(nèi)動(dòng)應(yīng)力、加速度及墻面變形等動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)路基穩(wěn)定和線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)條件具有重要影響。尤其隨著高速鐵路的發(fā)展，加筋土擋墻動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律的研究成為該領(lǐng)域的重點(diǎn)課題。

對(duì)加筋土擋墻動(dòng)力學(xué)行為的研究，國(guó)外專(zhuān)家、學(xué)者利用各種手段(現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)、共振柱試驗(yàn)、有限元模擬等)對(duì)單(多)級(jí)加筋土擋墻在列車(chē)或地震載荷作用下的墻面位移、共振頻率、拉筋合理位置等動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究[1-3]。國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步較晚，其中楊果林[4-8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)模型試驗(yàn)較為全面地研究并總結(jié)了不同形式加筋土擋墻在動(dòng)載荷作用下的加速度、動(dòng)土壓力等動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律；其他學(xué)者，如李海深等[9-10]采用有限元模擬和室內(nèi)模型試驗(yàn)等手段研究了加筋土擋墻的彈塑性本構(gòu)模型和抗震性能等，得到了動(dòng)載荷作用下的通用數(shù)值計(jì)算程序及新型格賓加筋土擋墻的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律等。

雖然目前對(duì)于加筋土擋墻進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，但系統(tǒng)地研究加筋土擋墻在高速行車(chē)載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律的較少。本文通過(guò)模塊面板式加筋土擋墻室內(nèi)模型動(dòng)力加載試驗(yàn)，系統(tǒng)地分析了加筋土擋墻的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及形成原因。

1試驗(yàn)方案

1.1填料

試驗(yàn)填料為碎石土，其不均勻系數(shù)Cu=17.48，曲率系數(shù)Cc=0.54，為級(jí)配不良填料。

1.2土工格柵特性

筋材選用單向拉伸HDPE土工格柵。其物理特性見(jiàn)表1。

表1　土工格柵物理特性

1.3模型箱、擋墻尺寸及儀器布置

模型箱內(nèi)壁涂刷潤(rùn)滑劑來(lái)減小摩擦，以降低邊界效應(yīng)；箱體骨架用角鋼、矩形鋼及頂部橫向鋼拉條焊接牢固，試驗(yàn)過(guò)程側(cè)壁未產(chǎn)生變形，且加載位置及測(cè)試元件的埋設(shè)集中于中部，能夠保證平面應(yīng)變條件，對(duì)測(cè)試結(jié)果幾乎沒(méi)有影響。

模型箱(見(jiàn)圖1)3.5 m×1.0 m×2.0 m，加筋土擋墻模型長(zhǎng)3 m×1.0 m×1.8 m，墻面坡率為1∶0.05。土工格柵豎向間距為30 cm，鋪設(shè)長(zhǎng)度為2 m。承載部件為0.7 m×0.5 m×0.03 m鋼板。面板為模塊式，面板與土工格柵之間及模塊之間的連接見(jiàn)圖2，面板基礎(chǔ)用支撐固定形成側(cè)限，以模擬地基土體對(duì)面板基礎(chǔ)的側(cè)向限制作用。

圖1　模型箱照片F(xiàn)ig.1 Picture of model box

圖2　面板側(cè)立面簡(jiǎn)圖Fig.2 Sketch of side elevation of the panel

測(cè)試元件包括鋼弦式土壓力盒、應(yīng)變式土壓力盒、柔性位移計(jì)、百分表和加速度計(jì)，參數(shù)見(jiàn)表2。測(cè)試元件布置見(jiàn)圖3。

表2　測(cè)試元件參數(shù)

1.4填筑要求及加載方案

擋墻填料壓實(shí)采用小型手扶式?jīng)_擊夯。經(jīng)擊實(shí)試驗(yàn)和試壓測(cè)得填筑控制指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3　填料填筑控制指標(biāo)

采用正弦波式加載。三種加載幅值為：60～80 kPa、60～100 kPa、60～120 kPa。由于列車(chē)基頻(轉(zhuǎn)向架間距、輪對(duì)軸距等)對(duì)路基的影響較大，因此試驗(yàn)確定四種加載頻率為：4 Hz、6 Hz、8 Hz、10 Hz。以加載幅值和加載頻率進(jìn)行正交試驗(yàn)，每種條件下加動(dòng)載10萬(wàn)次，總計(jì)120萬(wàn)次。加載過(guò)程中采用動(dòng)態(tài)采集儀對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，每加載10萬(wàn)次(即變換頻率之前)暫停15 min對(duì)鋼弦式土壓力盒、百分表及柔性位移計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

注：(1) 各層水平放置的土壓力盒與柔性位移計(jì)位于同一層面上，為顯示清楚，在本圖中豎向錯(cuò)開(kāi)了一定距離；(2) 最上層動(dòng)土壓力盒應(yīng)位于靜土壓力盒所在位置，橫向錯(cuò)開(kāi)一定距離，為顯示出來(lái)則如圖中所畫(huà)；(3) 儀器編號(hào)中，J-加速度計(jì)，B-百分表，R-柔性位移計(jì)，H(V)-水平(豎直)放置的動(dòng)土壓力盒，HJ(VJ)-水平(豎直)放置的靜土壓力盒。圖3　加筋土擋墻尺寸及測(cè)試元件布置圖Fig.3 Size of reinforced retaining wall and arrangement of monitoring instrument

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1擋墻變形特性分析

(1) 墻面累積水平位移

墻面累積水平位移隨加載次數(shù)的變化見(jiàn)圖4。隨加載次數(shù)的增加，墻面累積水平位移基本逐漸增加；兩次加載幅值的增加都帶來(lái)了位移的突變，這主要是由于幅值的增大破壞了土體原來(lái)的平衡條件，使靠近墻面處土顆粒重新排列；加載幅值不變的情況下，由于振動(dòng)使土體逐漸達(dá)到了該載荷條件下的最大密實(shí)度，重新形成了一個(gè)更加密實(shí)、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以位移很快便趨于穩(wěn)定。同時(shí)筋材的水平限制作用加快了這種變化，無(wú)論加載頻率是否增加，位移基本不再變化?？梢?jiàn)，墻面累積水平位移的變化主要受加載幅值和載荷重復(fù)次數(shù)的影響，基本不受加載頻率的影響。

圖4　墻面累積水平位移隨加載次數(shù)的分布Fig.4 Distribution of cumulative lateral displacement with load cycle number

圖5為不同載荷和頻率作用下墻面累積水平位移沿墻高的分布。由于外載荷在土中的擴(kuò)散和衰減，墻面受其作用最大處略低，因此墻面累積水平位移沿墻高從高到低呈由小變大再減小的趨勢(shì)，最大值靠近頂端，位于高1.45 m處。此外因加筋復(fù)合體的擴(kuò)散角較大[11]，附加應(yīng)力的衰減較快，所以墻面受較大影響的區(qū)域范圍較小，位置較接近于頂端。墻面各點(diǎn)累積水平位移均較小，最大僅為0.144 mm，說(shuō)明筋材的水平限制作用效果很好。

圖5　墻面累積水平位移沿墻高的分布Fig.5 Distribution of cumulative lateral displacement along the wall height

(2) 墻頂累積豎向沉降

從圖6可知，墻頂累積豎向沉降隨加載次數(shù)的增加而增大；加載幅值的增加造成沉降的突增；幅值不變時(shí)，沉降逐漸趨于穩(wěn)定，加載幅值越大，其趨于穩(wěn)定的速度越慢，說(shuō)明較大幅值對(duì)原來(lái)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的破壞程度較大，形成新的平衡的速度也較慢。同樣，墻頂累積豎向沉降的變化主要受加載幅值和加載次數(shù)的影響，基本不受加載頻率的影響。

墻頂平均累積豎向沉降最大為1.157 mm，數(shù)值很小，主要是因?yàn)榻畈乃较拗萍柏Q向承托的雙重作用。

圖6　墻頂累積豎向沉降隨加載次數(shù)的分布Fig.6 Distribution of cumulative settlement of the top of wall with load cycle number

2.2豎向加速度分布規(guī)律

墻體豎向加速度隨加載次數(shù)的變化見(jiàn)圖7。整體來(lái)看，擋墻豎向加速度隨加載次數(shù)的增加而增大。

(1) 墻體豎向加速度受加載頻率的影響較大。頻率變換時(shí)加速度會(huì)突然增加，到下次變換前則基本不再變化(即加速度隨加載頻率的臺(tái)階式增長(zhǎng))。加速度的這種變化主要與振動(dòng)源頻率的變化有關(guān)，加載幅值不變(即行程不變)的條件下，較大頻率的振動(dòng)單位時(shí)間內(nèi)完成的循環(huán)次數(shù)更多，這必然需要更大的振動(dòng)速度，即更大的振動(dòng)加速度，而反映在墻體內(nèi)的振動(dòng)加速度亦必然有所增加。雖然墻體的加速度亦受其剛度的影響，但加筋復(fù)合體本身的剛度就較大，則受振動(dòng)影響剛度的變化較小，因此與振動(dòng)源頻率相比剛度變化對(duì)墻體加速度的影響較小。

(2) 加載頻率由6 Hz變?yōu)? Hz后，墻體豎向加速度出現(xiàn)較大幅度的增長(zhǎng)。

圖7　加速度隨加載次數(shù)的變化規(guī)律Fig.7 Distribution of acceleration with load cycle number

(3)不同加載幅值，相同加載頻率的情況下，振動(dòng)加速度隨幅值的增加而略有增長(zhǎng)；加載量和頻率均不變的情況下，隨加載次數(shù)的增加，加速度幾乎不變。說(shuō)明墻體豎向加速度受外載荷和加載次數(shù)的影響較小，這是由于在土工格柵水平限制作用下，土體在夯實(shí)功和振動(dòng)載荷作用下很快形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的整體，同時(shí)格柵變形很小，則承受疲勞載荷的能力強(qiáng)，對(duì)載荷變化的反應(yīng)靈敏度很低。

(4) 隨加載次數(shù)的增加，加速度增幅出現(xiàn)減小的趨勢(shì)是因?yàn)樵谥貜?fù)載荷作用下，加筋復(fù)合體密實(shí)度增加，剛度進(jìn)一步變大，而剛度越大則加速度響應(yīng)越小。

綜上所述，加筋土擋墻內(nèi)加速度受加載頻率的影響較大，受加載次數(shù)和加載幅值的影響很小。結(jié)合實(shí)際工程，說(shuō)明加筋土擋墻受列車(chē)速度的影響較大，而受列車(chē)軸重和運(yùn)行次數(shù)的影響很小。

此外，墻頂豎向沉降是動(dòng)位移發(fā)生后形成的永久變形，而動(dòng)位移可由加速度進(jìn)行二次積分得到，但對(duì)比豎向加速度和墻頂沉降隨加載次數(shù)的變化規(guī)律可見(jiàn)墻頂豎向沉降不與豎向加速度一樣受頻率變換的影響。分析可知，墻體動(dòng)位移包括彈性變形和塑性變形兩個(gè)部分(彈性變形占主要部分)，而墻頂沉降是由動(dòng)位移所引起的塑性變形形成的。在壓實(shí)度較高的情況下塑性變形的發(fā)展是微小、緩慢、平穩(wěn)的，基本不會(huì)隨頻率變換發(fā)生較大的突變。

圖8為距墻面不同距離斷面豎向加速度沿墻高的變化情況。從圖8可知，沿墻高從高到低靠近墻面處和非加筋區(qū)加速度衰減并不明顯。這是由于這兩個(gè)位置處距加載位置較遠(yuǎn)，上下兩端受振動(dòng)影響小，同時(shí)中、下部剛度較大。同時(shí)由于靠近墻面位置處壓實(shí)度不足，墻面位移的原因，該處剛度較小，因此加速度較非加筋區(qū)稍大。

加載位置處加速度略有衰減是因上部距振動(dòng)源較近受振動(dòng)影響大且剛度小，而越向下土體剛度越大同時(shí)受振動(dòng)影響越來(lái)越小。

加筋區(qū)與非加筋區(qū)加速度大小與分布沒(méi)有明顯差異，只與振動(dòng)源頻率及從加載位置向四周逐漸衰減的振動(dòng)影響程度有關(guān)，說(shuō)明除非墻體剛度差異較大，否則墻體加速度受剛度的影響很小。

圖8　不同位置處加速度沿墻高的分布Fig.8 Distribution of acceleration along the wall height on different positions

筋材的水平限制和豎向承托作用使墻體整體的剛度更大且更為均勻，因此從加速度值來(lái)看，最大為0.18 g，整體加速度值較小，且變化不大。

2.3動(dòng)土壓力分布規(guī)律

2.3.1垂直動(dòng)土壓力分布規(guī)律

圖9為不同高度層位處垂直動(dòng)土壓力峰值平均值隨加載次數(shù)的變化情況。

整體來(lái)看，因擋墻墻面從低到高逐漸增加的水平位移釋放了部分應(yīng)力，所以隨著加載次數(shù)的增加，除靠近墻面中、上部垂直動(dòng)土壓力基本不變或略有減小外，其它位置均逐漸增大，其中p-2和h1-2在加載幅值變大后出現(xiàn)突增，其它則變化平緩，同時(shí)從動(dòng)土應(yīng)力的增長(zhǎng)速率來(lái)看，越靠近加載位置越大，層高越低越平均，如h=0.6 m層位處各點(diǎn)動(dòng)土應(yīng)力增長(zhǎng)速率幾乎相同，這是由于附加動(dòng)土應(yīng)力擴(kuò)散和衰減的緣故。

同一加載幅值下，動(dòng)土壓力隨加載次數(shù)的增加略有增大后逐漸趨于穩(wěn)定，不隨加載頻率的變化而變化。這主要是因?yàn)榧咏钤鰪?qiáng)體在振動(dòng)作用下很快便達(dá)到了該幅值水平下所能達(dá)到的最大密實(shí)度，之后動(dòng)土應(yīng)力則不再增加。

圖9　垂直動(dòng)土壓力隨加載次數(shù)的分布Fig.9 Distribution of vertical dynamic earth pressure with load cycle number

此外，沿筋長(zhǎng)方向，垂直動(dòng)土壓力最大值出現(xiàn)在加載點(diǎn)附近，分別向墻面和筋材末端方向逐漸減小，層高越高減小速率越大，非加筋區(qū)動(dòng)土應(yīng)力又有所增加，尤其層位較低處。出現(xiàn)上述情況一是因?yàn)閴γ娴乃轿灰?，二是由于非加筋區(qū)沒(méi)有筋材的承托作用。

圖10為距墻面不同距離處斷面垂直動(dòng)土壓力沿墻高的變化?？梢钥闯?，不同位置的分布趨勢(shì)有所不同。

靠近墻面處垂直動(dòng)土壓力沿墻高的分布(見(jiàn)圖10(a))呈由小變大再減小的趨勢(shì)，上部較下部略大，最大值位于高1.2 m(約為墻高的2/3)處，各點(diǎn)隨加載幅值的增加略有增長(zhǎng)。這一方面是由于墻面的水平位移釋放了部分動(dòng)應(yīng)力；另一方面雖然該處受墻面位移的影響但較水平應(yīng)力受影響較小，主要還是因動(dòng)土應(yīng)力在加筋復(fù)合體中的衰減和擴(kuò)散較為迅速，且加筋使擴(kuò)散角變大，這就提高了最大值出現(xiàn)的位置。

加載位置處垂直動(dòng)土應(yīng)力沿墻高的分布(見(jiàn)圖10(b))因不受墻面變形及面板摩擦的影響而較好地展現(xiàn)了加筋復(fù)合體受動(dòng)載作用的情況下墻體內(nèi)垂直動(dòng)土應(yīng)力的豎向衰減情況，由圖可見(jiàn)從高到低動(dòng)土應(yīng)力的衰減速率是逐漸增加的，高1.2 m以上范圍內(nèi)應(yīng)力衰減很小，最多僅約為8.5%，而該高度以下應(yīng)力的衰減程度達(dá)到了50%～55%。這是由于墻體上部靠近振動(dòng)源，且加筋層數(shù)少，效果較差，越向下筋材層數(shù)越多，且在載荷作用下充分發(fā)揮了其抗拉性能，因此加筋效果較好。由此可見(jiàn)，動(dòng)載作用下加筋土擋墻上部一定范圍內(nèi)為重點(diǎn)控制區(qū)域；要得到較好的加筋效果是需要一定的載荷作用的，因此墻體上部筋材間距可以適當(dāng)增大。

非加筋區(qū)垂直動(dòng)土壓力沿墻高的分布(見(jiàn)圖10(c))呈上小下大的趨勢(shì)，與自重載荷的分布類(lèi)似，且下部具有一定的增幅，中、上部變化不大。①由于附加動(dòng)土應(yīng)力的擴(kuò)散和衰減；②因該處遠(yuǎn)離振動(dòng)源，受外載荷影響小，主要受自重載荷控制。

圖10　垂直動(dòng)土壓力沿墻高的分布Fig.10 Distribution of vertical dynamic earth pressure along the wall height

2.3.2水平動(dòng)土壓力分布規(guī)律

圖11為水平動(dòng)土壓力峰值平均值隨加載次數(shù)的變化情況。整體來(lái)看，由于加筋對(duì)土體水平位移的限制，加筋體結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，僅距加載位置最近的V3-2出現(xiàn)略大的增長(zhǎng)幅度，同時(shí)幅值變換時(shí)出現(xiàn)了突增；各點(diǎn)水平動(dòng)土壓力的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸趨穩(wěn)。出現(xiàn)上述情況主要是因振動(dòng)使土顆粒很好的與筋材形成嵌擠，密實(shí)度迅速提高，較快地形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

此外，沿筋材方向，水平動(dòng)土壓力最大值出現(xiàn)在加載點(diǎn)附近，分別向筋材末端和墻面兩個(gè)方向遞減，層高越高減小的速率越大；非加筋區(qū)水平動(dòng)土壓力較高，尤其層位較低處;出現(xiàn)以上情況:① 墻面水平位移釋放了部分應(yīng)力;② 附加動(dòng)應(yīng)力的衰減和擴(kuò)散;③ 非加筋區(qū)缺少了筋材的水平限制和豎向承托作用，層位越低影響越大。

水平動(dòng)土壓力沿墻高的分布除非加筋區(qū)外基本與垂直動(dòng)土壓力的分布一致(見(jiàn)圖12)。

圖11　水平動(dòng)土壓力隨加載次數(shù)的分布Fig.11 Distribution of horizontal dynamic earth pressure with load cycle number

圖12　水平動(dòng)土壓力沿墻高的分布Fig.12 Distribution of horizontal dynamic earth pressure along the wall height

靠近墻面位置處水平動(dòng)土壓力沿墻高呈由小變大再減小的趨勢(shì)，下部減小較小；隨加載幅值的增加上部基本不變，中、下部略有增長(zhǎng)，但增幅不超過(guò)1 kPa。一方面是由于墻面從低到高逐漸增加的位移釋放了部分應(yīng)力，另一方面由于動(dòng)應(yīng)力的擴(kuò)散和衰減，中部位移雖不算小但受動(dòng)應(yīng)力影響較大，而底部雖受動(dòng)應(yīng)力影響小但位移較小，且該處壓實(shí)度較低土顆粒與格柵的嵌擠作用較弱。

同垂直動(dòng)土壓力，加載位置處斷面水平動(dòng)土壓力沿墻高的分布代表了加筋復(fù)合體在外加動(dòng)載作用下水平動(dòng)土壓力的衰減狀況。與垂直動(dòng)土壓力不同的是，其衰減速率從高到低是逐漸減小的，可見(jiàn)整體較小的水平動(dòng)應(yīng)力因筋材作用衰減速度較快。隨加載幅值的增加僅上部動(dòng)土應(yīng)力有所增長(zhǎng)，中、下部幾乎不變，這正是由附加動(dòng)應(yīng)力的衰減所造成的。

非加筋區(qū)水平動(dòng)土壓力沿墻高的分布呈兩端小中間大的趨勢(shì)，隨加載幅值沒(méi)有明顯變化。這是由于中部受外加動(dòng)載影響較大，而兩端較小的緣故。

2.4殘余土壓力分布規(guī)律

殘余土壓力定義為擋墻經(jīng)過(guò)動(dòng)載荷作用后，擋墻內(nèi)各處?kù)o土壓力的變化值。為得到擋墻內(nèi)殘余土壓力的分布規(guī)律，研究不同大小和頻率的動(dòng)載荷對(duì)擋墻內(nèi)靜土壓力的影響，本試驗(yàn)專(zhuān)門(mén)采集了經(jīng)歷動(dòng)載荷后的靜土壓力值并分析如下。

(1) 豎向殘余土壓力分布

圖13為豎向殘余土壓力隨加載次數(shù)、載荷大小和頻率的變化情況。從圖中可見(jiàn)：

豎向殘余土壓力隨加載次數(shù)增加而增大，幅值變換時(shí)基本都會(huì)出現(xiàn)土壓力的突增或相對(duì)較大幅度的增加；從高到低豎向殘余土壓力的增長(zhǎng)幅度逐漸減小，這主要是因?yàn)楦郊觿?dòng)土應(yīng)力的擴(kuò)散和衰減。

加載幅值不變時(shí)，豎向殘余土壓力在剛開(kāi)始增加后便基本不再變化，這是因?yàn)榧咏顝?fù)合體本身密實(shí)度就較高，結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，幅值變換后很快就達(dá)到了該載荷條件下所能達(dá)到的最大密實(shí)度。同樣整體來(lái)看，豎向殘余土壓力變化較小，也是因?yàn)榇嗽颉?/p>

圖13　豎向殘余土壓力分布Fig.13 Distribution of vertical residual soil pressure

靠近墻面處的豎向殘余土壓力由于受到墻面水平位移的影響而增長(zhǎng)較慢、較小，甚至在頂部(HJ3-1)出現(xiàn)了減小。此外由于非加筋區(qū)沒(méi)有筋材的加強(qiáng)作用，豎向殘余土壓力也具有一定水平。

(2) 側(cè)向殘余土壓力分布

圖14為側(cè)向殘余土壓力在加載過(guò)程中的分布。

從圖14可知，由于筋材的加強(qiáng)側(cè)向殘余土壓力整體變化不大，只是靠近加載位置處有略微增長(zhǎng)；靠近墻面處的側(cè)向殘余土壓力因墻面水平位移的影響而基本沒(méi)有變化。

不管是豎向殘余土壓力還是側(cè)向殘余土壓力，沿墻高墻體中部殘余土壓力的值稍大:① 因?yàn)榧咏铙w密實(shí)度較高，剛度較大，外加動(dòng)載引起的塑性變形很??；② 因?yàn)橹胁客馏w同時(shí)受到較大的振動(dòng)和自重的影響導(dǎo)致塑性變形較大。

綜合豎向和側(cè)向殘余土壓力的變化規(guī)律，加筋土擋墻墻體內(nèi)殘余土壓力基本不受加載頻率的影響而主要受到加載幅值和加載次數(shù)的影響。

圖14　側(cè)向殘余土壓力分布Fig.14 Distribution of horizontal residual soil pressure

2.5筋材應(yīng)變分布規(guī)律

圖15為土工格柵累積應(yīng)變隨加載次數(shù)增加而變化的情況。

從圖15可知?jiǎng)虞d荷加載期間筋材累積應(yīng)變隨加載次數(shù)的增加基本沒(méi)變化，甚至出現(xiàn)了略微的減小，可見(jiàn)筋材累積應(yīng)變的增長(zhǎng)全部出現(xiàn)在了填筑期間:① 由于壓實(shí)功能和土重力作用的影響；② 因?yàn)榻畈牡目估芰?qiáng)，變形小，除非施加很大的載荷否則在筋材充分發(fā)揮其抗拉性能的情況下很難形成較大的變形，說(shuō)明土工格柵對(duì)載荷變化的反應(yīng)靈敏度很低；③ 因?yàn)檎駝?dòng)使土顆粒重新排列的同時(shí)，給了筋材一定的空間產(chǎn)生回彈收縮。隨著密實(shí)程度的增加加筋復(fù)合體重新形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而使筋材應(yīng)變?cè)诮档秃笥种饾u趨于穩(wěn)定。

拉筋應(yīng)變?cè)谒椒较蛏匣境蕟畏逯捣植?，但在靠近墻面處同時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大變形，這是因?yàn)榭拷鼔γ嫣幫馏w難以壓實(shí)，所以壓實(shí)度不高，土顆粒與筋材之間的嵌擠作用較弱，而限制作用是相互的，同時(shí)由于筋材與面板連接牢固，面板不會(huì)產(chǎn)生沉降，則容易在該處形成筋材與下層土體的脫離，所以筋材容易在該處產(chǎn)生較大剪應(yīng)力和拉應(yīng)力集中，而出現(xiàn)較大應(yīng)變。峰值的出現(xiàn)同樣是因?yàn)闈撛诨衙媸乖撎幥稊D作用減弱而出現(xiàn)拉應(yīng)力集中和較大剪應(yīng)力?？梢?jiàn)土顆粒與筋材之間的嵌擠作用可以起到均衡筋材拉應(yīng)力的效果，因此加筋土擋墻施工中壓實(shí)度與筋材鋪設(shè)的平整度是控制要點(diǎn)之一。

圖15　筋材累積應(yīng)變隨加載次數(shù)的分布Fig.15 Distribution of cumulative strain of geogrids with load cycle number

從應(yīng)變值來(lái)看，穩(wěn)定后土工格柵最大累積應(yīng)變?yōu)?.9%，占峰值應(yīng)變的9%，最大拉應(yīng)力為拉伸強(qiáng)度的21.4%。拉筋實(shí)際受力遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度值，土工格柵在低于設(shè)計(jì)值的拉力下變形很小。實(shí)際上，實(shí)體工程中土工格柵發(fā)生的拉伸變形很小，一般均遠(yuǎn)小于其本身的抗拉強(qiáng)度值。就此來(lái)看，土工格柵的選取需以試驗(yàn)為依據(jù)，避免造成浪費(fèi)。

同時(shí)可以看出峰值位置從高到低距墻腳水平距離逐漸減小(見(jiàn)表4)。

表4　峰值應(yīng)變位置距墻腳的水平距離

3結(jié)論

(1) 墻面水平位移主要受加載幅值和載荷重復(fù)次數(shù)的影響，峰值位于約4/5墻高處，加載幅值變換時(shí)出現(xiàn)突增。墻頂豎向沉降主要受加載幅值和載荷重復(fù)次數(shù)的影響，加載幅值變換時(shí)出現(xiàn)突增，幅值不變時(shí)沉降逐漸趨穩(wěn)。

(2) 擋墻內(nèi)豎向加速度主要受加載頻率的影響，載荷幅值不變時(shí)加速度隨頻率的增加呈臺(tái)階式增長(zhǎng)；頻率變?yōu)? Hz后加速度出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。加載位置處加速度沿墻高從高到低逐漸衰減，其它位置衰減不明顯。

(3) 隨加載次數(shù)而增加的垂直動(dòng)土壓力主要受加載幅值和加載次數(shù)的影響，載荷變換時(shí)靠近加載位置處應(yīng)力出現(xiàn)突增但很快趨于穩(wěn)定。沿筋長(zhǎng)其最大值位于加載位置附近。沿墻高，靠近墻面處垂直動(dòng)土壓力最大值位于約2/3墻高處，加載位置處垂直動(dòng)土壓力逐漸衰減，2/3墻高之上衰減幅度較小(約8.5%)，之下衰減幅度較大(約50%～55%)，非加筋區(qū)是逐漸增大的。

(4) 隨加載次數(shù)略有增長(zhǎng)的水平動(dòng)土壓力整體值很小，主要受加載次數(shù)和加載幅值的影響，十分靠近加載位置處的應(yīng)力在幅值變換時(shí)出現(xiàn)突增但很快趨于穩(wěn)定。沿筋長(zhǎng)其最大值位于加載位置附近。沿墻高水平動(dòng)土壓力在靠近墻面位置處呈先增后減的趨勢(shì)，加載位置處呈衰減趨勢(shì)(衰減速率逐漸減小)，非加筋區(qū)亦呈先增后減的趨勢(shì)。

(5) 殘余土壓力主要受加載大小和加載次數(shù)的影響。豎向和側(cè)向殘余土壓力均隨加載次數(shù)的增加而增大(增長(zhǎng)速率逐漸減小)，幅值變換時(shí)出現(xiàn)突增。受墻面位移的影響，靠近墻面位置處殘余土壓力增長(zhǎng)很小，甚至出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。沿墻高墻體中部的殘余土壓力稍大。

(6) 土工格柵應(yīng)變主要受加載次數(shù)的影響，其沿筋長(zhǎng)呈單峰值分布，單峰值出現(xiàn)位置從高到低逐漸接近墻腳?？拷鼔γ嫣幐駯乓渤霈F(xiàn)較大應(yīng)變。隨加載次數(shù)的增加筋材累積應(yīng)變反而略有減小，穩(wěn)定后土工格柵最大累積應(yīng)變?yōu)?.9%(占峰值應(yīng)變的9%)，最大拉應(yīng)力為拉伸強(qiáng)度的21.4%，遠(yuǎn)小于筋材的抗拉強(qiáng)度。

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Test for dynamic characteristics of a geogrid reinforced soil retaining wall with concrete-block panels

WANGHe1,2,YANGGuang-qing1,LIUHua-bei3,WULian-hai4,LIUWei-chao1,XIONGBao-lin1(1. School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China; 2. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 3. School of Civil Engineering & Mechanics, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China; 4. The Third Survey & Design Institute of China Railway, Tianjin 300142, China)

Abstract:In order to study dynamic behaviors of a geogrid reinforced soil retaining wall with concrete-block panels under train loads of high speed railway and analyze their mechanism, a series of tests involving deformation of wall face, wall body acceleration, dynamic soil pressure, residual soil pressure and tension strain of geogrids, were conducted with model tests in laboratory. Test results showed that the cumulative horizontal displacements of the wall face reveal a distribution of single-peak, and the max-value position is close to the wall top; the vertical acceleration of the wall is affected by load frequency and increases obviously when the load frequency is 8 Hz, and the acceleration decreases along the wall height in the reinforcement body; the dynamic soil pressure is mainly affected by load amplitude and load cycle number and decreases gradually along the height wall; the attenuation rate of the vertical dynamic soil pressure gradually increases and that of the horizontal dynamic soil pressure gradually decreases; with increase in load cycle number, the residual soil pressure increases gradually, and it is bigger in the middle portion along the wall height; the cumulative strain of the geogrid decreases slightly with increase in load cycle number, and reveals a distribution of single-peak along the geogrid length; the horizontal distance between the position of peak and the wall foot gradually decreases from higher position to lower one.

Key words:concrete-block panel; geogrid; reinforced soil retaining wall; dynamic load; model test

中圖分類(lèi)號(hào):TU411.93

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.07.001

通信作者楊廣慶 男，教授，博士生導(dǎo)師，，1971年生

收稿日期：2015-01-08修改稿收到日期：2015-05-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178280，51378322)；河北省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)領(lǐng)軍人才培育計(jì)劃資助項(xiàng)目(LJRC023)；中國(guó)鐵路總公司科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013G010-C)

第一作者 王賀 男，博士生，1987年生

E-mail：gtsyang@vip.163.com