边坡条件对重力式挡墙地震位移模式的影响*

2017-09-12文畅平江学良孙广臣

振动、测试与诊断 2017年4期

关键词：顺层振动台挡墙

文畅平，江学良，杨慧，孙广臣

(1．中南林业科技大学现代木结构工程材制造及应用技术湖南省工程实验室长沙，410018)(2．中南林业科技大学土木工程学院长沙,410018)

边坡条件对重力式挡墙地震位移模式的影响*

文畅平1，2，江学良1，2，杨慧1，2，孙广臣1，2

(1．中南林业科技大学现代木结构工程材制造及应用技术湖南省工程实验室长沙，410018)(2．中南林业科技大学土木工程学院长沙,410018)

基于大型振动台模型试验，研究边坡条件对重力式挡墙地震位移模式及其变化方式的影响。振动台模型试验采用2个比尺1∶8的基覆边坡和顺层边坡模型，支挡结构为重力式挡墙与格构式锚杆框架二级组合式结构，地震波选用大瑞人工波和Kobe波。研究表明，基覆边坡中重力式挡墙地震位移模式主要有4类，即绕墙趾向边坡外侧转动、以滑动为主的向边坡外侧滑动与绕墙趾向边坡外侧转动的耦合、以转动为主的绕墙趾向边坡外侧转动与向边坡外侧滑动的耦合以及以滑动为主的向边坡外侧滑动与绕墙踵向边坡方向转动的耦合。顺层边坡中重力式挡墙地震位移模式主要有2类：绕墙趾向边坡外侧转动，绕墙趾向边坡外侧转动与离开边坡土体向外侧滑动的耦合。当地震烈度大于VII度时，重力式挡墙才产生动位移模式。边坡条件、地震波类型及烈度对重力式挡墙地震位移模式及其变化方式的影响较大，对相对位移的影响较小。

重力式挡墙；边坡条件；地震位移模式；大型振动台模型试验；地震永久位移

引言

相关研究认为[1-4]，挡墙的地震动位移模式及其变化方式影响地震土压力及其分布形式，但到目前为止，有关挡墙地震位移模式的研究还处在探索阶段，相关的文献也较少。一般认为，刚性挡墙的地震位移模式为转动或平移[5-9]。文献[10]认为，挡墙在地震作用下产生3种位移模式：平移、转动和弯曲。文献[11-12]认为，重力式挡墙、桩板式挡墙以及格构式锚杆框架结构等的位移模式主要有4种：滑动、转动、以滑动为主的滑动与转动的耦合以及以转动为主的转动与滑动的耦合等。张建经等[13]、曲宏略等[14]分别研究了重力式挡墙、预应力锚索桩板墙等地震作用下的位移模式。重力式挡墙主要产生转动以及转动与滑动的耦合2种位移模式；而桩板墙由于锚索的限制，其位移模式为绕嵌固段某点的转动。

支挡结构与边坡岩土体在地震作用下构成一个复杂的非线性动力系统，其位移模式及其变化特性非常复杂。关于边坡条件对挡墙地震位移模式的影响还鲜有报道，因此开展边坡条件对挡墙地震位移模式影响的研究则显得尤为重要。现有研究方法中，大型振动台模型试验能很好再现结构在地震作用下的响应特性[15]，是结构动力特性和抗震性能研究的重要手段[16]。为此，笔者设计2个大型振动台模型试验，对比研究基覆边坡、顺层边坡等边坡条件对重力式挡墙地震位移模式的影响及其变化特性。

1 大型振动台模型试验

大型振动台模型试验在招商局重庆交通科研设计院有限公司桥梁结构动力学国家重点实验室进行。大型地震模拟振动台台阵系统由德国SCHENCK公司生产，由一个固定台和一个移动台组成，主要技术参数见文献[11-12]。数据采集为Dewetron2010动态测试系统。

1.1 原型边坡

从大理至瑞丽铁路DK10+400～DK11+535段[11,17]、DK10+880～DK10+930段[18]选择确定2种类型的原型边坡：厚覆盖层与基岩边坡(简称基覆边坡)，厚覆盖层与顺层岩石边坡(简称顺层边坡)。基覆边坡覆盖层土性及其主要物理力学参数、边坡高度、支挡结构形式及支护方式等参见文献[11]和[17]。顺层边坡覆盖层土性及其主要物理力学参数、边坡高度、支挡结构形式及支护方式等与基覆边坡相同，顺层岩石为混合岩夹花岗片麻岩，重度γ=27 kN/m3，黏聚力c=0，内摩擦角φ=65°，层间指标为c=95 kPa，φ=22°。

1.2 相似关系

模型试验以几何尺寸、密度和加速度作为控制量，其相似常数分别取Cl=8，Cρ=1，Ca=1，模型与原型尺寸的相似比为1∶8。按照相似理论[19-20]确定其余物理量的相似常数，分别参见文献[11]， [17]和[18]。

1.3 模型制作

根据相似关系，2个边坡模型尺寸设计为150 cm(高)×150 cm(宽)，护坡坡率为1∶1.25，护坡道宽度为25 cm。基覆边坡和顺层边坡模型尺寸和重力式挡墙尺寸如图1和图2所示。试验采用刚性模型箱，其制作材料、方法、内空尺寸和边界处理等参见文献[11-12]以及[21]。基覆边坡、顺层边坡模型制作方法参见文献[11]，[17-18]。边坡模型完成后，总重量都小于300 kN且小于振动台标准荷重。两个边坡模型全貌相同，如图3所示。

图1 基覆边坡模型及测点位置(单位:cm)Fig.1 Base rock slope model and its transducers′ locations(unit:cm)

图2 顺层边坡模型及测点位置(单位:cm)Fig.2 Consequent bedding rock slope model and its transducers′ locations(unit:cm)

图3 边坡模型全貌图Fig.3 Overall perspective of slope model

为便于比较分析，两个边坡模型都沿中轴线相同位置布设动位移计，布设位置及编号如图1，2所示。其中：水平向(x向)、竖直向(z向)动位移计分别为4个和2个。动位移计为德国米依公司生产的ILD1401-200(000) 型激光位移传感器，采样频率为1 kHz，线性为±0.2%。试验以台面水平向和竖向加速度计为控制点。

1.4 地震波及加载方式

选用大瑞波和Kobe波作为振动台的输入波，时间压缩比为2.83。其中，大瑞波是根据大瑞铁路沿线土层特性构造的人工合成地震波。两种地震波都采用xz双向(x向和z向合成)加载，代号分别为DR_xz和K_xz。激振方向x向和z向如图1，2所示。图4，5分别为这两种地震波压缩后的加速度时程曲线及傅氏谱。根据相关规范[22-23]，将x向加速度峰值调整为0.1,0.2,0.4和0.6g，与地震烈度VII～X相对应。z向加载的加速度峰值按x向的2/3折减[22,24]。具体加载制度如表1所示。

图4 压缩大瑞波加速度时程曲线及其傅氏谱Fig.4 Acceleration time-history and Fourier spectra of compressed Darui synthetic seismic wave

图5 压缩Kobe波加速度时程曲线及其傅氏谱Fig.5 Acceleration time-history and Fourier spectra of compressed Kobe seismic wave

表1 振动台模型试验加载制度Tab.1 Loading rule of shaking table test

WN_xz为时间长度不小于48 s的高斯平稳白噪声激振的微震试验[25]，加速度峰值约0.03g～0.05g

2 试验结果与分析

根据动位移计与边坡模型的相对位置确定位移方向。位移为“+”时表示挡墙向边坡土体方向移动；位移为“-”时表示挡墙离开土体向边坡外侧移动。根据测点DH1和DH2的永久位移实测结果，计算滑动位移DH、墙顶位移DT、转动位移DR、相对位移(∑DT/H，H为墙高)和动位移比(包括滑动位移比和转动位移比)。上述参数中，DH和DT反映挡墙位移模式，动位移比反映挡墙地震位移模式的变化方式，相对位移反映挡墙震后位移幅度和方向等[11-12]。

2.1 大瑞波作用下地震位移模式分析

挡墙地震位移模式计算结果如表2所示。图6为在大瑞波xz双向激振下，基覆边坡、顺层边坡中挡墙动位移模式的变化情况。

1) 当激振加速度峰值AXmax≤0.1g时，基覆边坡、顺层边坡中挡墙的相对位移分别小于0.052%和0.008%。当AXmax不小于0.1g时，基覆边坡挡墙相对位移分别是顺层边坡的1.50，1.59和0.84倍。试验结果表明：地震波烈度不大于VII度时，挡墙位移量可忽略不计；地震波烈度大于VIII度时，挡墙产生动位移，且两类边坡中的挡墙相对位移变化趋势较为接近。

2) 基覆边坡中，当AXmax≥0.2g时，挡墙滑动位移量分别为-0.672，-0.984和-14.432 mm，DH和DR都为负值，滑动位移比分别为转动位移比的0.16，0.17和2.77倍。当AXmax≤0.4g时，重力式挡墙离开边坡土体的滑移量较小，表明其位移模式为绕墙趾向边坡外侧转动；当AXmax = 0.6g时，挡墙位移模式为离开边坡土体向外侧滑动与绕墙趾向边坡外侧转动的耦合，且以滑动为主。

3) 顺层边坡中，当AXmax≥0.2g时，挡墙滑动位移量分别为-0.616，-1.840 和-19.584 mm，DH和DR都为负值，滑动位移比分别为转动位移比的0.14，0.25和0.91倍。当AXmax≤0.2g时，挡墙离开边坡土体的滑移量较小，表明其位移模式为绕墙趾向边坡外侧转动；当AXmax≥0.4g时，挡墙位移模式为由绕墙趾向边坡外侧转动，逐渐转变为绕墙趾向边坡外侧转动与离开边坡土体向外侧滑动的耦合。

上述分析表明，边坡岩土体特性不同，挡墙地震动位移模式及其变化特性不同。

表2 大瑞波作用下挡墙地震位移模式分析Tab.2 Analysis of seismic displacement mode of gravity retaining wall

图6 大瑞波激振下挡墙位移模式变化机制Fig.6 Change mechanism of seismic displacement modes under DR_xz

2.2 Kobe波作用下地震位移模式分析

挡墙地震位移模式计算结果如表3所示。图7为在Kobe波xz双向激振下，基覆边坡、顺层边坡中挡墙动位移模式变化机制。

1) 当激振加速度峰值AXmax≤0.1g时，基覆边坡、顺层边坡中挡墙的相对位移分别小于0.085%和0.046%。当AXmax不小于0.1g时，基覆边坡挡墙相对位移分别为顺层边坡的1.47，1.86和1.84倍。试验结果表明：地震波烈度不大于VII度时，挡墙位移量可忽略不计；地震波烈度大于VIII度时，挡墙产生动位移且两类边坡中的挡墙相对位移变化趋势一致。

2) 基覆边坡中，当AXmax分别为0.2g和0.4g时，挡墙滑动位移量分别为-1.760 mm和-2.680 mm，DH和DR都为负值，滑动位移比分别为转动位移比的0.61和1.80倍。当AXmax≤0.4g时，挡墙位移模式为以转动为主的绕墙趾向边坡外侧转动与向边坡外侧滑动的耦合的位移模式，逐渐转变为以滑动为主的向边坡外侧滑动与绕墙趾向边坡外侧转动的耦合的位移模式。当AXmax = 0.6g时，滑动位移量为-15.072 mm，DH<0，DR>0，滑动位移比为转动位移比的1.30倍，此时重力式挡墙的位移模式为离开边坡土体向外侧滑动与绕墙踵向边坡土体方向转动的耦合，且以滑动为主。

3) 顺层边坡中，当AXmax≥0.2g时，DH>0，DR<0，滑动位移比不大于8.08%，滑动位移可忽略不计，此时重力式挡墙的位移模式为绕墙趾向边坡外侧转动。

上述分析表明，边坡岩土体特性不同，挡墙地震动位移模式及其变化特性同样是不同的，且地震波类型对挡墙动位移模式也产生较大影响。

表3 Kobe波作用下挡墙地震位移模式分析Tab.3 Analysis of seismic displacement mode of gravity retaining wall of bedding rock slope

图7 Kobe波激振下挡墙位移模式变化机制Fig.7 Change mechanism of seismic displacement modes under K_xz

3 结论

1) 大型振动台模型试验研究表明，重力式挡墙的地震位移模式主要有5类：绕墙趾向边坡外侧转动，绕墙趾向边坡外侧转动与向边坡外侧滑动的耦合，以滑动为主的向边坡外侧滑动与绕墙趾向边坡外侧转动的耦合，以滑动为主的向边坡外侧滑动与绕墙踵向边坡方向转动的耦合，以转动为主的绕墙趾向边坡外侧转动与向边坡外侧滑动的耦合。

2) 当地震烈度大于VII度时，重力式挡墙产生动位移模式，且随地震烈度增大，地震位移模式发生变化，地震位移模式的变化方式也发生变化。

3) 重力式挡墙地震位移模式及其变化方式随边坡条件、地震波类型的变化而变化。但是，边坡条件、地震波类型对重力式挡墙相对位移的影响较小。

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