陳瑋
(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司,重慶 400067)
根據(jù)試驗(yàn)要求并結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)陣的實(shí)際情況設(shè)計(jì)和加工模型箱,具體尺寸為3.2 m×2.8 m×2.45 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型箱外觀照片見圖1。
圖1 模型箱外觀照片
本試驗(yàn)主要針對(duì)地震相對(duì)敏感的斜坡地基上的高填路基建立模型。
由于是模型試驗(yàn),因此,模型材料及試驗(yàn)過程必須滿足一定的相似關(guān)系。本次以西南地區(qū)分布廣泛的紅層軟巖路基填料為對(duì)象,以斜坡地基上高填路基為原型,將1∶20 的幾何相似關(guān)系作為基礎(chǔ),并根據(jù)量綱分析法確定其他各相似關(guān)系并制作模型[1]。另外,本試驗(yàn)在模型箱內(nèi)壁粘貼了一層防水海綿作為減震層內(nèi)襯材料,以此來降低模型箱邊界對(duì)試驗(yàn)過程地震波出現(xiàn)的反射等影響。
模型材料選用紅層軟巖地區(qū)實(shí)際路基填料與石英砂組合,并通過大量室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn),結(jié)合各物理參數(shù)的相似關(guān)系,分別確定出了地基及路基模型材料中石英砂的百分含量及模型壓實(shí)度。完成上述步驟后,采用分層填筑的方式制作模型。其中,對(duì)于重力式擋墻采用預(yù)制混凝土,選擇在模型制作過程中埋設(shè)。
在試驗(yàn)過程中,主要采集的是路基在不同地震動(dòng)荷載作用其內(nèi)部不同部位的加速度及位移變化規(guī)律[2],故試驗(yàn)用傳感器主要為加速度傳感器、位移傳感器。模型尺寸及傳感器布置如圖2 所示。
圖2 模型尺寸及傳感器布置(單位:cm)
本文主要針對(duì)試驗(yàn)過程中采用的汶川地震波(WCB)作為激震波,按照相似率確定的時(shí)間壓縮比對(duì)地震波形進(jìn)行壓縮處理。通過改變地震波的峰值加速度(0.05 g,0.1 g,0.2 g,0.3 g和0.4 g)逐級(jí)進(jìn)行加載。每級(jí)別施加完成之后大約停止5 min,期間主要進(jìn)行試驗(yàn)效果的觀測(cè),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一級(jí)的加載。
對(duì)于路基內(nèi)部與路基坡面來說,隨著高度的不斷增加,路基的水平及豎直加速度響應(yīng)峰值均成增大趨勢(shì),并在路基頂面達(dá)到最大。在路基頂面,因本工程是斜坡地基的緣故,所以填筑路基的厚度較容易受原地基控制。
試驗(yàn)表明,在該模型所示的路基結(jié)構(gòu)中,水平及豎直加速度響應(yīng)峰值也均隨路基填筑厚度的增大而增大。這說明,與原始地基對(duì)比,新填路基對(duì)地震加速度的響應(yīng)相對(duì)較大,反應(yīng)也較敏感。
就路基坡面而言,路基會(huì)隨高度的不斷增加,水平及豎直向位移響應(yīng)峰值均成增大趨勢(shì),并在路基頂面達(dá)到最大。在路基頂面,該模型所示的路基結(jié)構(gòu)中,水平向位移響應(yīng)峰值會(huì)隨路基填筑厚度的增大而增大。這說明,新填路基相對(duì)原始地基更易產(chǎn)生水平向變形,反應(yīng)也較為敏感。豎直向位移響應(yīng)峰值方面,試驗(yàn)結(jié)果表明,豎直向位移峰值在路基中心線達(dá)到最大,向兩側(cè)逐漸減小,這說明對(duì)豎直向位移峰值的變化主要受控于路基形狀,而受新填與原始地基的影響微弱。
為研究路基對(duì)不同地震動(dòng)荷載的響應(yīng)特點(diǎn)與規(guī)律,本文針對(duì)所建模型進(jìn)行了多種地震工況的試驗(yàn),包括WCB-0.05 g,WCB-0.1 g,WCB-0.2 g 和WCB-0.4 g 等。為研究方便,WCB-0.1 g 相對(duì)于WCB-0.05 g 的動(dòng)力放大效應(yīng)為1 級(jí)響應(yīng),WCB-0.2 g 相對(duì)于WCB-0.1g為2級(jí)響應(yīng),WCB-0.4g相對(duì)于WCB-0.2g為4級(jí)響應(yīng),正弦波類似。圖3為模型I水平加速度響應(yīng)趨勢(shì)圖。
圖3 模型水平加速度響應(yīng)趨勢(shì)
根據(jù)圖3 可知,無論在路基內(nèi)部還是在路基坡面,其呈現(xiàn)的規(guī)律有:(1)隨高度的不斷增加,水平加速度峰值增大倍數(shù)均成增大趨勢(shì),在路基頂面達(dá)到最大;(2)在路基頂面,由于本模型是斜坡地基上的填筑路基,其水平加速度峰值增大倍數(shù)隨路基填筑厚度的增大而增大;(3)隨震級(jí)的增大,路基各點(diǎn)水平加速度峰值雖然隨之增大,但其增大倍數(shù)呈減小趨勢(shì)。
此外,隨地震動(dòng)荷載的增加,相關(guān)趨勢(shì)主要有:(1)路基坡面上各點(diǎn)的水平位移增大倍數(shù)(相對(duì)前一級(jí)動(dòng)荷載)隨路基高度的增加而增大;(2)在路基頂面上,隨地震動(dòng)荷載的增加,與頂面各點(diǎn)位移峰值的變化規(guī)律相反,且頂面上各點(diǎn)水平位移增大倍數(shù)隨新填路基厚度的增大而減小,但這種變化趨勢(shì)相對(duì)較?。唬?)值得注意的是,對(duì)于地震荷載的響應(yīng),水平加速度峰值增大倍數(shù)隨地震動(dòng)荷載的增加呈減小趨勢(shì),但水平位移峰值增大倍數(shù)則相反,隨地震動(dòng)荷載的增加而增加。
通過對(duì)斜坡地基上高填路基進(jìn)行的大型地震臺(tái)試驗(yàn),明確了地震荷載作用下路基動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)與規(guī)律,分析了不同參數(shù)的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)路基的動(dòng)力穩(wěn)定計(jì)算方法的研究具有一定的借鑒意義,同時(shí)可為減小路基震害的措施提供重要的理論依據(jù)。