重复荷载作用下绿色加筋格宾挡土墙的动力特性

李 昀,杨果林,林宇亮

(中南大学土木建筑学院,湖南长沙 410075)

随着我国经济的迅速发展,红砂岩地区高速公路和高速铁路建设也迅猛增长。对于修建在红砂岩地区的路堤高速公路和高速铁路,由于红砂岩浸水易软化、脱水易干裂,对红砂岩填筑路基的动态特性认识不清,引发了许多岩土工程新问题。路基的稳定性尤其是高填方地段如何保证?在大力倡导节约型社会的今天,这些问题的解决显得尤为重要。

随着加筋土结构的不断推广使用,国内外学者还相继开展了动荷载对加筋土的作用与影响的试验研究。Mohamam(1990)等人[1]利用共振柱试验测量了加筋砂的动力反应;Richardson(1992)[2]报道了美国加利福尼亚大学利用爆炸作为振动源,对一座 6.1 m高的加筋土挡墙进行了遭受随机激励荷载的现场试验,测量了加速度-时间历程和动应力-时间历程;Futaki(1996)等人[3]通过足尺振动台试验(长9. 5m,宽3.0m,高6.0m),研究挡墙在不同墙高下的共振频率及响应特性。兰州铁道学院梁波等人(1998)[4]利用室内动三轴试验,建立了加筋强度的等效约束力模型,分析了粉煤灰静、动强度在拉力破坏和粘着破坏两种情况下的强度指标,用窗纱和硬塑料板作模拟材料,作振动三轴试验测得动内摩擦角和动粘聚力两个强度指标;杨果林(2002,2003)等人[5-6]利用室内模型试验,研究了列车荷载作用下加筋土挡墙的动态响应,并开展对加筋土挡墙在动力荷载作用下的理论分析、解析方法和动力参数的研究。邵生俊等人(2003)[7]通过 1∶20几何比尺的直立挡板加筋高路堤振动台模型试验,输入不同幅值的地震波加速度里程,研究分析了不同加筋土结构的动力反应特性;但均未涉及绿色加筋格宾挡墙的动力特性问题。

作者以潭衡西线高速公路及武广客运专线新型支挡结构为工程背景,设计并完成了绿色加筋格宾新型支挡结构动力特性与动力响应的大型模型试验,分析了重复荷载作用下挡墙动力特性与动力响应的变化规律。

1 绿色加筋格宾挡土墙模型试验简介

试验在中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室的电液伺服加载系统上进行。最大负载 50 t,最大加速度1.0g(1g=9.8 m/s2),最大速度为0.4m/s,最大位移为±250mm。

本试验所用模型箱为长3.0m,宽0.85 m,高2.0m。它是由钢板、角钢、槽钢等焊接而成的框架,底面、一个侧面、一个端面用钢板固定在角钢上,为了减少内壁摩擦阻力,内贴镀锌铁皮。另一个侧面用钢化有机玻璃固定在角钢上,一个端面用于制作新型挡墙墙面,顶面用美国 MTS公司生产的伺服作动器给绿色加筋格宾挡土墙施加竖向重复荷载。

在模型箱内模拟工程实际情况,按比例尺寸分5层填筑每层高度为 0.4 m的绿色加筋格宾挡墙。

绿色加筋格宾挡墙及元器件布置如图 1所示。绿色加筋格宾组合成型构件如图 2所示。绿色加筋格宾网是采用意大利MACCAFERRI公司的产品,它是由规格为80 mm×100 mm的双绞合钢丝网面构成,其镀层钢丝中网丝直径为2.2 mm,加上生物垫、焊接金属网面板等组成,绿色加筋格宾的面墙形成与水平面成 70°的坡面。绿色加筋格宾作为一种生态型加筋技术,施工时,在面墙钢丝内侧铺垫有椰棕植生垫,只需人工植入枝条或藤曼草种,稍加养护,坡面绿化即可自然形成。格宾网筋材试验结果如表 1所示。

图1 模型尺寸及测量仪器Fig.1 Model sizes and distribution ofmeasuring instrument

图2 绿色加筋格宾组合成型构件Fig.2 Green reinforced gabion combination component

表1 格宾网筋材试验结果Table 1 Test results ofwiremesh

表2 红砂岩的主要物理性能指标Tab le 2 Index properties of red sandstone

填料采用潭衡西线高速公路 12标现场所用的红砂岩,其主要物理力学性性能如表 2所示。填筑时保证红砂岩填筑时的压实率达到 95%以上。

在进行动力特性参数测量时,在第 1层、第 3层、第5层墙顶面板上分别布置两个加速度、位移941B型拾震器(一个水平、一个竖向),用DASP数据采集系统进行数据的自动采集。为测得动应力的分布情况,在加筋挡墙中共埋设动土压力盒,在墙面安排了百分表,用于测试其累计变形与沉降值。为测得筋材在荷载作用时的应力状态,在筋材上布置了柔性位移计。

本模型用MTS伺服激振器模拟列车荷载。列车荷载的大小和运行速度通过伺服激振器的荷载输出与频率来反映。施加到加筋土路基顶面的荷载频率(Hz)分别为4,6,8,10,用以模拟不同的列车车速。动应力(kPa)范围为30～60,40～80,50～100, 60～120,施加的重复荷载动应力幅值与大秦线、成昆线、宝成线实测的动应力基本对应,如表 3。

表3 路基动应力分布范围Tab le 3 Distributed scope of dynamic stress in the roadbed

2 模型试验结果及分析

本次模型试验共做了4种动应力幅值水平(A1=30～60 kPa、A2=40～80 kPa、A3=50～100 kPa、A4=60～120 kPa)和4种频率(f1=4 Hz、f2=6 Hz、f3=8Hz、f4=10 Hz)的正交试验。试验加载顺序如图 3所示。

图3 试验加载顺序Fig.3 Order of test loading

分别测试了第1层、第3层、第5层墙面板顶端处在各种振次下的稳定振动时的水平加速度、竖向加速度、水平位移、竖向位移峰值和在H/4、2H/4、3H/4处动应力值,加速度反应、动位移反应、动应力反应如图4～图12所示。由图4～图12知[8-16]:

(1)由图 4可得,挡墙从下到上,墙面板上的竖向加速度峰值从小变大,第五层墙面板顶端处最大。当振动频率小于 8 Hz时,随着振动次数的增加竖向加速度峰值有变大的趋势;当振动频率大于8 Hz时,随着振动次数的增加竖向加速度峰值有变小的趋势。当幅值为 A1、A2、A3时,随着振动次数的增加竖向加速度峰值有变大的趋势;当幅值为A4=60～120 kPa时,随着振动次数的增加竖向加速度峰值有变小的趋势。竖向加速度峰值随着振动频率和幅值的增加而增大。

图4 竖向加速度反应Fig.4 Vertical acceleration response

(2)由图 5可知,水平加速度峰值随着挡墙高度、振动频率的增加而增大。在振动幅值、振动频率不变的情况下,水平加速度峰值随着振动次数的增加而增大。当幅值水平为A2=40～80 kPa,水平加速度峰值达到最大值。

图5 水平加速度反应Fig.5 Horizontal acceleration response

(3)从图 6可知,竖向加速度峰值和水平加速度峰值沿深度方向逐渐衰减。动应力幅值水平为A2、A3、A4时,水平加速度峰值变化不大,故曲线交叉偶合。墙高 1.2 m以上竖向加速度峰值衰减比较快,而墙高 1.2m以下衰减速度比较慢;从第五层到第一层,竖向加速度峰值衰减率为 46.4%左右,水平加速度峰值衰减率为88.1%左右。

图6 沿墙高方向加速度响应峰值Fig.6 Peaks of acceleration response with the wall height

(4)从图 7可知,绿色加筋格宾挡土墙从下到上,其墙面板上的竖向位移峰值有从小变大的趋势,在挡墙顶端处最大。振动频率和振动次数对竖向位移峰值没有明显的影响;当幅值水平为A4= 60～120 kPa,竖向位移峰值达到最大值。当幅值水平为A1、A2、A3时,动位移峰值数值差不多,可能是因为在试验之前进行了 100 kPa的预压,由此可得出,在工程施工时可对加筋挡土墙进行超密压实,从而可以降低工后沉降。

(5)从图 8可知,水平位移峰值随着挡墙高度、振动频率、振动幅值的增加而增大;随着振动次数的增加水平位移峰值变化不明显;当振动频率小于8 Hz时,水平位移峰值随振动频率的增加而缓慢增大;当振动频率大于8Hz时,水平位移峰值随振动频率的增加其增大率变大。当幅值水平为 A4=60～120 kPa,水平位移峰值达到最大值。

图7 竖向动位移反应Fig.7 Vertical dynamic displacement response

图8 水平动位移反应Fig.8 Horizontal dynamic displacement response

图9 沿墙高方向动位移响应峰值Fig.9 Peaks of dynamic displacement response with the

(6)从图 9可知,竖向位移峰值和水平位移峰值沿深度方向逐渐衰减。从墙高 2.0～1.2 m处,竖向位移峰值衰减率为 35.3%,水平位移峰值衰减率为25.0%;从墙高1.2～0.4m处,竖向位移峰值衰减率为9.0%,水平位移峰值衰减率为5.0%。由此可得,竖向位移峰值在墙高1.2m以上衰减比墙高1.2m以下要快很多;水平位移峰值沿深度方向的衰减速度基本一致。

(7)从图 10可知,绿色加筋格宾挡土墙从下到上,加筋体内动应力峰值从小变大;在振动幅值和振动频率一定的情况下,随着振动次数的增加,加筋体内动应力峰值有变小的趋势。从图 11可知,动应力沿墙高的衰减率基本上是线性的,墙高从1.5～0.5m处动应力衰减率为 46.8%左右。由图12可知,动应力峰值随振动频率的增大而没有明显的变化,只与振动频率和振动幅值有关。

图10 竖向动应力反应Fig.10 Vertical dynamic stress response

图11 沿墙高方向动应力响应峰值Fig.11 Peaks of dynam ic stress response with the wall height

3 结 论

图12 动应力响应与振动频率的关系Fig.12 Relationship of dynamic stress response and vibration frequency

(1)绿色加筋格宾挡墙在活荷载重复作用200万次下,挡墙内外部未出现明显的局部和整体破坏,说明绿色加筋格宾结构具有良好的稳定性和抗破坏性,其结构寿命能满足使用要求。

(2)绿色加筋格宾挡土墙从下到上,墙面板上的竖向加速度峰值从小变大,水平加速度峰值随着挡墙高度、振动频率的增加而增大。竖向加速度峰值和水平加速度峰值沿深度方向都有一定的衰减。

(3)绿色加筋格宾挡土墙从下到上,其墙面板上的竖向位移峰值有从小变大的趋势,在挡墙顶端处最大;水平位移峰值随着挡墙高度、振动频率、振动幅值的增加而增大;随着振动次数的增加水平位移峰值变化不明显。

(4)动应力峰值沿挡墙墙高方向逐渐增大;动应力峰值随振动频率的增大而没有明显的变化,只与振动频率和振动幅值有关。

(5)由于版幅有限,本次试验所得到的其它试验结果,如随振动次数、频率、幅值变化的侧向累计变形、土压力值、格宾网应变值,另文发表。

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