重复荷载作用下土工格栅包生态袋加筋土挡墙动力特性试验研究

刘 泽， 史克友， 雷 勇

(湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

重复荷载作用下土工格栅包生态袋加筋土挡墙动力特性试验研究

刘 泽， 史克友， 雷 勇

(湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

设计并制作了土工格栅包生态袋加筋土模型挡墙，测试了模型挡墙在不同幅值、不同频率重复交通荷载作用下的加速度、动土压力、累积变形和土工格栅拉应变，获得了挡墙在重复交通荷载作用下的动力特性和累积变形发展规律。研究表明：在交通重复荷载作用下，土工格栅包生态袋加筋挡墙顶层的加速度响应最大，沿墙高按指数模型衰减，且水平加速度衰减较竖向加速度快；挡墙内的动土压力也是在顶层最大，随墙高降低而减小；挡墙的变形和土工格栅拉应变增量在加载初期较大，随加载次数的增加而增大，受荷载幅值的影响明显，受频率变化的影响较小；竖向累积变形主要来自挡墙上部土体的沉降；水平累积变形总体上为上部大下部小。

土工格栅包生态袋加筋挡墙；重复荷载；动力特性；模型试验

随着可持续发展思想的传播，生态挡墙、生态护坡的概念越来越深入人心，各种生态护坡技术也相继出现[1-3]。土工格栅包生态袋加筋土挡墙是一种新型生态支挡结构。这种挡墙主要由土工格栅、生态袋和填土构成，生态袋内一般充以营养土并码砌在挡土墙临空侧，通过土工格栅反包构成挡土墙的柔性面墙。施工结束后通过插技或喷播等方法可以在面墙上快速形成植生绿化，不仅可以为坡面裸露的土工格栅提供紫外线防护屏障，不断生长的根茎也可以发挥不断深入的加筋效果。土工格栅包生态袋加筋土挡墙在电力、水利、公路、铁路等行业均有应用[4-6]，取得优异的边坡支挡和景观营造效果。

近年来我国各地的超长超重车辆大量出现，作用在路面的交通荷载已远远超出了规范给定的设计取值，给道路工程带来了严重危害。因此，交通荷载作用下的路基及支挡结构的动响应、失稳机理深受研究人员的重视[7-11]。交通动载荷具有作用时间短，频率高，载荷增加梯度大等特点，土工格栅是一种增阻迟缓型的柔塑性体，在动荷载作用下增阻速度滞后，不能及时提供阻力以抵御动荷载对土体的破坏作用[12]，而土体的动强度要比静荷载下的强度小很多，交通荷载作用下挡土墙内原始塑性变形区极易被诱发、扩大，随时间积累出现整体和永久性的变形与破坏。国内外的一些机构或学者先后对交通荷载作用下加筋土挡墙的动响应特性开展了试验研究。如，德国的Claus等[13]通过模型试验研究了列车荷载作用下筋材配置与路基沉降量等问题；意大利国家铁路公司通过现场试验测试了加筋土挡墙在汽车荷载作用下的应力场；杨果林等[14-15]、李海深等[16]通过室内模型试验，对受公路汽车荷载和铁路列车荷载作用的加筋土挡墙动响应进行了研究，并提出了加筋土挡墙的动响应分析方法。李昀等[17]通过模型试验对比分析了两种不同形式的加筋土挡墙在交通重复荷载作用下的动响应特点。这些研究对深入理解加筋土挡墙的动力特性有着重要作用，但与加筋土挡墙结构形式、稳定性分析方法等内容的研究相比，加筋土挡墙的动力特性研究还不够深入。

为了深入研究加筋土挡墙的动力特性，本文设计并制作了土工格栅包生态袋加筋土模型挡墙，测试了模型挡墙在不同幅值、不同频率重复交通荷载作用下的加速度、动土压力、累积变形和筋材累积应变等参数，获得了土工格栅包生态袋加筋土挡墙在重复交通荷载作用下的动力特性和累积变形发展规律。

1 模型设计

1.1 模型设计与制作

试验模型以绍诸(绍兴至诸暨)高速公路K38+325～K38+485路段的加筋土挡墙实体工程为原型，按1∶5的比例设计，如图1所示。模型挡墙以土工格栅为筋材，以充土生态袋构成面墙；墙内布设有5层筋材，层间距为0.4m；等长加筋，筋长1.4 m。模型以黏性土为填料，其物理力学指标见表1。土工格栅的力学特性见表2。模型挡墙在一个内部尺寸为3.0 m(长)×0.86 m(宽)×2.0 m(高)的模型箱以人工夯实方法制作，每层夯实厚度控制为10 cm，并用环力法检测填料的压实度，控制填料的压实值不低于93%。图2为安装测试元器件后的模型挡墙。

图1 模型设计(单位：mm)Fig.1 Model design (unit: mm)

图2 模型挡墙Fig.2 Model wall

表1 填料的物理力学参数

表2 土工格栅的力学参数(kN·m-1)

1.2 加载方法

以加筋土挡墙作为路基支挡结构时，作用在墙顶的荷载包括两部分：一是路面层及附属结构重力形成的静载，二是由行驶车辆产生的动荷载。实测交通动荷载的波形接近于正弦波[18-19]。因此，本次试验采用式(1)所表达的荷载，其波形如图3所示。

(1)

式中:Pmax为荷载幅值为A时的最大荷载，Pmin为荷载幅值为A时的最小荷载，f为加载频率，t为时间。

图3 荷载波形Fig.3 Load wave

荷载通过MTS拟动力试验系统施加。对模型挡墙分别施加不同幅值(A=10～30 kPa，20～40 kPa，30～50 kPa)不同频率(f=4 Hz、6 Hz、8 Hz)的竖向重复荷载，每种幅值每种频率的荷载加载10万次，加载次数累计为90万次。荷载按从低幅值到高幅值，从低频率到高频率的次序施加。通过设置在挡墙内部和面墙上的元器件测试挡墙的加速度、动土压力、面墙变形和筋材拉应变等特征量，分析挡墙在交通荷载作用下的动力特性。各测点序号见图1。

试验时，加速度、动土压力等动响应数据采用IMC集成测控系统采集，筋材拉应变(由柔性位移计测量)采用JMZX-3001综合测试仪采集，挡墙的竖向和侧向变形采用百分表测量。

2 试验结果与分析

2.1 挡土墙的加速度响应特性

图4给出了测点1的部分水平和竖向加速度响应曲线(A=20～40 kPa，f=6 Hz)。对比可知，在同一荷载条件下，挡土墙同一位置的竖向和水平加速度响应具有相同的波形和频率，但前者的幅值要比后者大，且两者间有一定的相位差。

图4 加速度时程曲线(测点1，A=20～40 kPa，f=6 Hz)Fig.4 Acceleration time curve(Point 1, A=20～40 kPa，f=6 Hz)

取各加载条件下的加速度峰值分析挡土墙的动响应特性。图5给出了不同荷载条件下的竖向加速度峰值和水平加速度峰值。分析可知，荷载频率、幅值和加载次数均对挡土墙的动响应有明显影响。总体而言，当荷载幅值相同时，加速度峰值随频率增加而增大；当荷载幅值增大时，相同频率下的加速度峰值出现减小。加载次数的增加会使填料密实增加，路基的刚度增大。因而，在同一加载条件下(荷载幅度和频率保持不变)，加速度峰值随加载次数增加有所减小；尤其是当荷载幅度增加到A=30～50 kPa阶段时，已经完成60万次振动，挡土墙的刚度有了明显提高，其动响应也相应减小，以至3种频率下的加速度差别也较小。

从图5还可以看到，在同一加载条件下，两个方向的加速度峰值均随测点高度降低而减小，即呈衰减状。以靠近荷载源的测点1的加速度峰值为基点，定义挡土墙的加速度衰减系数为：

(2)

式中:ξi为挡土墙面墙上第i测点的加速度衰减系数，a1max为测点1的加速度峰值，aimax为第i测点的加速度峰值。

图6为不同加载次数下加速度衰减系数沿墙高的分布。数据拟合结果表明，挡土墙的加速度衰减系数沿墙高的分布符合指数函数模型：

ξ=aeb(h/H)

(3)

式中：h/H为相对墙高(H为墙高)；a、b为模型参数。

两个方向的加速度衰减系数拟合参数见表3。各加载条件下的模型相关性系数R2都比较高，大部分条件下都达到0.9以上。从表中可以看到，各加载条件下水平方向的参数b值较竖向的参数b大，且都大于1。可见，水平方向的加速度衰减要快于竖向加速度。

图5 不同加载条件下加速度峰值Fig.5 The Acceleration maximum under different loading conditions

图6 不同加载条件下的加速度衰减系数Fig.6 The acceleration attenuation coefficient under different loading conditions

表3 加速度衰减模型拟合参数

2.3 挡土墙的动土压力响应特性

试验时在模型挡墙的面墙生态袋后(6～8号测点)和加筋体后(9～11号测点)埋设了动土压力盒，用以测量面墙后和加筋体后的水平向动土压力。图7为这两个位置动土压力峰值的发展曲线。由于荷载幅值的加载顺序是由低到高，因此，在整个加载过程中，两个位置各测点的动土压力峰值总体呈缓慢增加态，但受筋土变形影响，动土压力峰值有所波动。影响动土压力峰值的主要因素是荷载幅值。

图8为不同加载次数下动土压力峰值沿墙高的分布曲线。两个位置的动土压力峰值分布规律基本相同，在墙高方向上随墙高减小呈衰减状，衰减主要发生在挡墙上部，表明交通荷载的影响主要是挡墙上部。由于试验模型挡墙面墙刚度较小，易产生动变形。因此，面墙后的动土压力峰值较加筋体后的动土压力峰值小。

图7 不同加载条件下动土压力Fig.7 The dynamic earth pressure under different loading conditions

图8 动土压力的沿墙高的分布Fig.8 The distribution of dynamic earth pressure along the wall height

图9 挡土墙的累积变形发展曲线Fig.9 The cumulative deformation curve of retaining wall

图10 挡土墙累积变形沿墙高的分布Fig.10 The distribution curve of retaining wall accumulative deformation along wall height

2.3 挡土墙的变形特性

图9为挡土墙的竖向变形(沉降)和水平变形的发展曲线。图9(b)中的负值表示面墙变形方向为向内缩进。分析可知，挡墙的变形量随着加载次数增加而增大；当荷载幅值增大时，变形量增加明显。即挡土墙的累积变形受荷载幅值和加载次数的影响较大，对加载频率的变化不敏感。实际工程中通过限载、提高路面刚度等措施减小作用在墙顶的动力幅值对控制路基变形、保证路基支挡结构的稳定性有重要意义。

图10为不同加载次数下挡墙竖向变形和水平变形沿墙高的分布曲线。分析可知，重复荷载作用下挡墙的竖向变形主要发生在挡墙上部。加载到第90万次后，第1～3测点间的相对竖向变形量是第3～5测点间相对变形量的1.73倍。挡墙的水平变形在加载初期(<30万次)，挡墙中上部向内缩进，下部向外凸出。随着加载次数增加，挡墙中上部的变形逐渐由内缩发展为外凸。加载到80万次、90万次后，测点1、4间的水平变形沿墙高基本为线性关系，虽然测点5(底层)的水平变形较测点4有所增大，但总体上挡墙上部的变形较下部大，挡墙水平变形呈外倾式。

图11 土工格栅累积应变的发展曲线Fig.11 The cumulative tensile strain curve of geogrid

图12 土工格栅累积拉应变分布曲线Fig.12 The cumulative tensile strain distribution curve of geogrid

可见，在重复荷载作用下，挡土墙的竖向和水平变形基本上都是上部大下部小，这主要是受挡墙动响应分布规律的影响，挡墙上部填土颗粒在振动作用下的重排列现象较下部更明显。实际工程中通过提高路基填土的压实度、对筋材施加预应力等措施有助于增加填土颗粒受到约束，减小振动时土颗粒间的相对位移，达到减小路基变形的目的。

2.4 土工格栅的累积应变特性

图11为挡墙内第2～5层土工格栅的累积拉应变发展曲线。同累积变形的发展规律非常类似，当荷载幅值增加时土工格栅的拉应变有较大增量；随加载次数增加，拉应变稍有增大；土工格栅累积拉应变受荷载频率变化的影响不明显。取不同加载次数下的拉应变进行分析，如图12所示。试验开始时，各层土工格栅的拉应变都有较大的增加，随着加载次数增加各层土工格栅的拉应变相应增大，具有明显的累积效应，但在筋长方向上的分布模式基本不变。但当荷载幅值增大时，筋材拉应变有大幅增加，使不同荷载幅值下的土工格栅累积拉应变呈分组态。可见，土工格栅的累积拉应变受荷载大小的影响较加载次数更显著。可见，实际工程中道路超载较车流量增大对加筋土挡墙的危害更严重。

3 结 论

(1) 在重复荷载作用下，挡墙顶层的加速度响应最大，并沿墙高按指数模型衰减。加速度的大小与荷载幅值、加载频率和加载次数都有关；同一荷载条件下，挡墙的竖向加速度和水平加速度具有相同的频率和波形，但两者间存在一定的相位差；竖向加速度峰值要比水平加速度大，水平加速度沿墙高的衰减速率较竖向加速度快。

(2) 在墙顶重复荷载作用下，挡墙顶层的动土压力最大，随墙高降低而减小；面墙侧的动土压力较加筋体后的动土压力大；动土压力的大小主要受荷载幅值影响。

(3) 挡墙的累积变形在加载初期较大，随加载次数的增加而增大，受荷载幅值的影响明显，受频率变化影响较小；竖向累积变形主要来自挡墙上部土体的沉降；水平累积变形的分布模式总体上为上部大下部小。

(4) 筋材的累积拉应变主要受荷载幅值影响，对荷载频率不敏感。

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Model test on dynamic characteristics of geogrid reinforced earth retaining wall packet ecological bag under repeated loading

LIU Ze, SHI Ke-you, LEI Yong

(School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

A model of geogrid reinforced earth retaining wall packet ecological bag was designed and filled. Its vibration acceleration, earth pressure, cumulative deformation and the tensile strain of geogrids under repeated traffic loading with different frequency and amplitude were measured and the dynamic characteristics and development process of cumulative deformation were tested. The results show that: under repeated traffic loading, the acceleration response is related to load amplitude, frequency and loading times, the maximum response appears at the wall top and attenuates exponentially along with the decrease of wall height, and the horizontal acceleration attenuates faster then the vertical acceleration; the earth pressure in wall reaches its maximum at the wall top and attenuates with the decrease of wall height too; the deformation of wall and tensile strain increment of geogrids in initial stage of loading are rather large, and increase with the increase of loading times, the influence of load amplitude is significant, while that of frequency is little; the vertical cumulative deformation mainly derives from the settlement of wall upper layers; the horizontal cumulative deformation at the top is bigger than that at the bottom in general.

geogrid reinforced earth retaining wall packet ecological bag; repeated loading; dynamic characteristics; model test

国家自然科金学基金项目(51208195);浙江省交通科技项目(2013H27-4);湖南省教育厅科研项目(13C311);湖南科技大学博士科研启动基金(E51360)

2013-11-29 修改稿收到日期：2014-04-30

刘泽 男，博士，讲师，硕士生导师，1975年生

TU471

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.09.016