姚寶寬， 王麗艷， 吉文煒， 鞏文雪

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊， 江蘇 鎮(zhèn)江 212001； 2.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院； 3.江蘇筑森建筑設(shè)計有限公司)

數(shù)量龐大的廢舊輪胎無處存放是中國乃至世界面臨的嚴重問題。從全球來看，廢舊輪胎作為土建材料在美國尤為盛行，其次是歐洲、加拿大、日本，中國則正在起步。針對廢舊輪胎在工程中的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者研究的內(nèi)容主要為兩個方面：① 將廢舊輪胎磨成橡膠顆粒，再摻入其他材料中，形成物理力學(xué)性能優(yōu)良的復(fù)合材料；② 將輪胎加工成條狀作為加筋材料置于土體中形成加筋土體。

從廢舊輪胎的循環(huán)利用解決途徑來看，廢舊輪胎胎面擋土墻是有效利用廢舊輪胎的一種理想途徑。廢舊輪胎胎面擋土墻的工作性能研究成果目前相對較少，才處于起步階段，基本集中在靜力性能方面的研究。其中，Garga和O’Shaughnessy研究廢舊輪胎擋墻的工作性能，塞土輪胎間用聚丙烯繩索連接在一起進行現(xiàn)場測試；Taya給出了廢舊輪胎擋墻的各種類型及其設(shè)計方法；馬源以Taya給出的廢舊輪胎胎面重力式擋墻中的“梯形”墻型為研究對象，開展了力學(xué)性能的二維數(shù)值計算；李春強通過有限元數(shù)值分析軟件對廢舊輪胎復(fù)合單元體擋土墻的最大水平位移、垂直位移進行了模擬計算。但是，目前還未查找到關(guān)于廢舊輪胎擋土墻抗震性能方面的研究。而作為一種交錯疊放的模塊式擋土墻結(jié)構(gòu)，輪胎模塊作為擋土墻面板在地震動載荷下極易不穩(wěn)定，會引起輪胎脫落，因此，研究廢舊輪胎擋墻的抗震性能具有重要意義。該文將針對靜力最穩(wěn)定工況，通過FLCA3D數(shù)值計算的方法，考慮地震強度和外荷載的影響對廢舊輪胎胎面擋土墻的抗震性能進行研究。

1 數(shù)值計算模型

1.1 幾何模型

廢舊輪胎胎面擋土墻由廢舊輪胎、胎內(nèi)塞土、回填料、基礎(chǔ)和地基組成。廢舊輪胎橫向水平鋪設(shè)，縱向交錯疊放，形成輪胎墻，每鋪設(shè)一層輪胎后，在輪胎內(nèi)和輪胎墻后回填土，并振搗碾壓密實，基礎(chǔ)為預(yù)制鋼筋混凝土底板。計算斷面和FLAC3D三維數(shù)值幾何模型如圖1所示。模型網(wǎng)格中“基礎(chǔ)”網(wǎng)格組被遮擋住是由于有輪胎的周邊多建了一層單元，這樣可以包住輪胎，計算模型才可以不收斂。

圖1 廢舊輪胎擋墻計算模型

1.2 接觸面參數(shù)

輪胎內(nèi)和輪胎墻后的回填料使用同一種材料，材料和接觸面參數(shù)見文獻[13]。一般土工格柵的抗拉強度遠大于其在土體中所受的拉應(yīng)力，因此，可以將土工格柵視為各向同性的線彈性材料，不存在破壞極限。土工格柵單元采用FLAC3D內(nèi)嵌的Geogrid單元，可以抵抗薄膜應(yīng)力，但不能抵抗彎曲應(yīng)力。土工格柵參數(shù)如表1所示。根據(jù)相關(guān)工程項目、查閱文獻以軟件自帶的用戶手冊確定各個接觸面的參數(shù)，接觸面參數(shù)如表2所示。

表1 土工格柵參數(shù)

表2 接觸面參數(shù)

1.3 邊界條件

在動力計算之前需要對模型進行初始地應(yīng)力計算，靜力計算中的邊界條件：模型底部平面固定，約束模型底部的位移，約束模型四周所對應(yīng)的法向位移。地基為彈性模量較大的巖土，動力計算中模型底部不設(shè)置靜態(tài)邊界條件，模型的四周采用自由場邊界條件。

1.4 濾波及最大網(wǎng)格尺寸

輸入的地震波為El-centro波，El-centro波的加速度時程曲線如圖2所示。地震波在離散介質(zhì)中傳播時受傳播上限頻率的限制，只有當輸入的地震波頻率小于上限頻率時，數(shù)值模擬的計算結(jié)果才有意義。而且為滿足地震波傳播的精度，網(wǎng)格尺寸Δl必須小于與輸入波的最高頻率f相對應(yīng)的波長λ的1/10～1/8，即滿足下式：Δl≤λ(1/10～1/8)。地震波的頻率f越大，則對應(yīng)的波長λ越小，從而導(dǎo)致網(wǎng)格尺寸Δl過小，勢必會導(dǎo)致模型計算時間過長，甚至不收斂。為避免上述情況發(fā)生，需過濾掉原有地震波中的高頻分量，過濾后的加速度頻率與幅值關(guān)系如圖3所示，簡稱為加速度幅值譜(Acceleration Amplitude Spectrum)。將頻率較高的地震波波段進行過濾后，若對輸入的加速度積分得到的最終速度和最終位移不為零，需要對加速度時程進行基線修正。

圖2 El-centro波加速度時程曲線

圖3 過濾后的加速度頻率與幅值關(guān)系

最大網(wǎng)格尺寸的計算結(jié)果如表3所示，由表3可知網(wǎng)格尺寸Δl滿足要求。

表3 最大網(wǎng)格尺寸

1.5 力學(xué)阻尼

材料的內(nèi)部摩擦以及接觸面的滑動是產(chǎn)生阻尼的主要原因，F(xiàn)LAC3D動力計算中提供了3種形式的阻尼：瑞利阻尼、局部阻尼和滯后阻尼。該文采用局部阻尼，在振動循環(huán)中，局部阻尼通過在節(jié)點或者結(jié)構(gòu)單元節(jié)點上增加或者減小質(zhì)量的方法達到收斂，由于增加的單元質(zhì)量和減小的單元質(zhì)量相等，因此系統(tǒng)保持質(zhì)量守恒。

2 數(shù)值計算結(jié)果

2.1 考慮地震強度影響

廢舊輪胎擋墻作為一種新型支擋結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)重力式擋墻相比，其墻面板占地面積小，對地基承載力要求低，廢舊輪胎具有抗拉強度高、耐久性強及施工方便等優(yōu)點，使其可以作為一種優(yōu)良的土工材料而被廣泛地應(yīng)用于土建工程中以改善其力學(xué)性能。該文主要考慮不同峰值加速度對廢舊輪胎擋墻的動力響應(yīng)的影響，采用El-centro地震波，加速度峰值分別設(shè)置為0.1g、0.2g和0.4g，以分析在不同地震強度下廢舊輪胎擋墻的動力響應(yīng)。

2.1.1 殘余水平變形

在擋墻的抗震設(shè)計中，在不影響擋墻正常使用功能和美觀的前提下，必須控制震后擋墻變形量在合理范圍內(nèi)，位移指數(shù)為震后擋墻最大水平變形與墻高的比值，可作為反映擋墻抗震性能狀態(tài)的重要指標。

在不同加速度峰值大小作用下，廢舊輪胎擋墻的殘余水平變形曲線如圖4所示。當?shù)卣鸩铀俣确逯禐?.4g時，模型不收斂，但為了分析廢舊輪胎擋墻的殘余水平變形特性，仍記錄了模型不收斂時的殘余水平變形。

由圖4可知：殘余水平變形沿墻高的分布曲線呈鋸齒狀逐漸增加，最大殘余水平變形位于墻頂；加速度峰值越大，擋墻的殘余水平變形越大，當峰值加速度為0.1g、0.2g和0.4g時，擋墻的最大殘余水平變形分別為1.39%H(H為墻高)、2.02%H和計算不收斂，這是由于在動荷載作用下，廢舊輪胎擋墻內(nèi)部沒有筋-土之間的摩擦力，不能平衡動土壓力，導(dǎo)致原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，擋墻產(chǎn)生較大的殘余水平變形。

注：h/H為擋墻高度位置；DX/H為殘余水平變形圖4 不同地震強度下廢舊輪胎擋墻的殘余水平變形曲線

2.1.2 殘余沉降

因廢舊輪胎擋墻墻后回填料表面的殘余沉降較大，因此著重分析墻后回填料表面的殘余沉降。當峰值加速度不同時，墻后回填料表面的殘余沉降如圖5所示。

圖5 不同地震強度下廢舊輪胎擋墻墻后回填料表面的殘余沉降

由圖5可知：輪胎墻附近的土體發(fā)生較大的殘余沉降，距輪胎墻越遠，殘余沉降越小，且趨于平穩(wěn)；峰值加速度越大，土體的殘余沉降越大，當峰值加速度為0.1g和0.2g時，最大殘余沉降分別為0.083、0.114 m，當峰值加速度為0.4g時，計算模型發(fā)生了破壞，可見峰值加速度對廢舊輪胎擋墻的殘余沉降影響較大,這是由于廢舊輪胎擋墻的上部結(jié)構(gòu)僅由廢舊輪胎和回填料組成，墻后回填料內(nèi)部沒有加筋材料，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的剛度不高，在強震作用下，由于回填料的壓縮變形以及輪胎墻與墻后回填料的連接強度低，造成輪胎墻與回填料之間發(fā)生較大的沉降差。

2.1.3 墻背動土壓力

在不同峰值加速度作用下，廢舊輪胎擋墻墻背的水平土壓力曲線如圖6所示。

圖6 不同地震強度下廢舊輪胎擋墻墻背動土壓力

由圖6可知：在地震作用下墻背水平動土壓力大于水平靜土壓力，且距墻底越近，水平動土壓力與水平靜土壓力的差別越大；水平動土壓力呈鋸齒狀分布，較大動土壓力集中在廢舊輪胎擋墻的中下部，這是由于廢舊輪胎擋墻的中下部水平變形較小，上部水平變形較大，上部土體應(yīng)力得以釋放。

2.2 考慮外荷載影響

擋墻的水平變形大小是衡量擋土墻性能穩(wěn)定的首要指標，這里主要考慮外荷載對地震作用下廢舊輪胎擋墻的殘余水平變形的影響。當外荷載為0、10和30 kPa時，在不同峰值加速度作用下廢舊輪胎擋墻的殘余水平變形曲線如圖7所示。

由圖7可知：墻頂以下部位，在同一水平高度處，擋墻的殘余水平變形隨外荷載的增大而增大；墻頂殘余水平變形(即最大殘余水平變形)隨外荷載的增大而減?。划敺逯导铀俣葹?.1g時，隨外荷載的增大，擋墻的最大殘余水平變形依次減小了5.1%和4.4%，當峰值加速度為0.2g時，隨外荷載的增大，擋墻的最大殘余水平變形依次減小了5.2%和1%，當峰值加速度為0.4g時，在外荷載10、30 kPa作用下殘余水平變形曲線幾乎重合(擋墻已破壞)。可見，在擋墻頂部施加一定的外荷載有利于減小最大地震殘余水平變形，卻會增大擋墻其他部位的殘余水平變形。

圖7 不同外荷載強度下廢舊輪胎擋墻的殘余水平變形曲線

3 設(shè)防標準

因該文提出的廢舊輪胎擋墻為新型支擋結(jié)構(gòu)，未曾有相關(guān)的規(guī)范，該文基于張建經(jīng)所提出的支擋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的三級設(shè)防標準，并結(jié)合大量數(shù)值模擬結(jié)果，將位移指標折減0.7，提出廢舊輪胎擋墻抗震設(shè)計的三級設(shè)防標準，如表4所示。

表4 廢舊輪胎擋墻抗震設(shè)計的三級設(shè)防標準

由表4可知：當?shù)卣鹆叶葹棰鞫?峰值加速度為0.1g)和地震烈度為Ⅷ度(峰值加速度為0.2g)時，擋墻的最大殘余水平變形為0.7%H～2.45%H，該擋墻在地震后可能損壞，經(jīng)修補能在短期內(nèi)恢復(fù)正常使用功能；當?shù)卣鹆叶葹棰?地震波峰值加速度為0.4g)時，模型計算不收斂，廢舊輪胎擋墻發(fā)生破壞?？梢姡敺逯导铀俣容^小時，擋墻可以通過廢舊輪胎對土體的“套箍”作用來維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，此時擋墻的殘余水平變形較小，當峰值加速度較大時，廢舊輪胎對土體的“套箍”作用不足以維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，擋墻的殘余水平變形超過設(shè)計允許值，因此廢舊輪胎擋墻結(jié)構(gòu)僅適用于地震烈度不大于Ⅷ度的區(qū)域。

4 結(jié)論

基于目前廢舊輪胎胎面擋土墻抗震性能方面研究的空白，分析了在不同峰值加速度和外荷載作用下廢舊輪胎擋墻的抗震性能，得到以下結(jié)論。

(1) 廢舊輪胎胎面擋土墻地震殘余水平變形沿墻身向上逐漸增加，最大殘余水平變形位于墻頂；墻頂回填土殘余沉降距輪胎墻背越遠，殘余沉降越小，緊靠墻背的回填土沉降最大。

(2) 墻背水平動土壓力沿墻身向下逐漸增大，呈鋸齒狀分布，較大動土壓力集中在廢舊輪胎擋墻的中下部，且大于靜土壓力，距墻底越近，水平動土壓力與水平靜土壓力的差別越大。

(3) 墻頂殘余水平變形(即墻體最大殘余變形)隨外荷載的增大而減小，在擋墻頂部施加一定的外荷載有利于減小最大地震殘余水平變形，卻會增大墻身其他部位的殘余水平變形。

(4) 擋墻的水平變形大小是衡量擋土墻性能穩(wěn)定的首要指標，基于廢舊輪胎胎面擋土墻的地震殘余水平變形，提出廢舊輪胎擋墻抗震設(shè)計的三級設(shè)防標準，胎面擋墻可在地震烈度不超過Ⅷ度的區(qū)域推廣，不適用于地震烈度大于Ⅷ度的區(qū)域。