地震力作用下单排与双排桩支挡结构性状试验对比分析

2021-03-30康景文刘昌清邓夷明王君红胡建宗

地震工程学报 2021年1期

康景文, 刘昌清, 邓夷明, 王君红, 胡建宗

(1. 中国建筑西南勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610051;2. 西南交通大学土木学院, 四川成都 610031)

0 引言

汶川地震是继唐山大地震之后我国又一个毁灭性地震,重灾区内几乎所有山体斜坡发生了不同程度的滑移甚至垮塌,给生产活动带来了严重的影响和危害。由半埋式单桩或两桩及其之间挡土板组成的桩板式支挡结构作为治理边坡的有效工程措施占有重要的地位。其利用桩身嵌固段的嵌固作用维护挡土结构的稳定以及补偿地基强度的不足,能够迅速、安全、经济地解决一些较困难的工程问题[1-2]。

针对地震作用下桩板墙的桩-土相互作用问题,本文以实际工程为背景,选取桩板支挡结构边坡原型横断面作为参考(由于受条件限制,除模型箱按几何相似比1∶20设计外,土体材料参数和地震时间压缩比均未完全按相应的相似比设计),通过振动台模型试验,分析边坡土体的动力特性、桩板墙支挡结构及边坡在地震过程中产生的破坏形式、土-结构相互作用力与结构位移关系以及单排桩、双排桩板结构应力分布差异等,研究地震力作用下边坡支挡结构受力、位移特征及其变化规律,以期为以后类似工程的科研、设计及施工等提供参考。

1 振动台模型试验

模拟地震效应的振动台作为地震工程研究中的一种强有力的工具,可以确定工程结构的动力特性及其在地震力作用下的破坏机理,从而可以完善抗震设计理论及方法。

本次试验的振动台尺寸为6 m×6 m,水平最大位移为±150 mm、垂直最大位移为±100 mm,水平最大加速度为1g、垂直最大加速度为0.8g,频率范围为0.1～80 Hz。

1.1 试验模型设计

(1) 钢板+型钢+有机玻璃制作封闭式刚性模型箱(图1),内空尺寸为3.7 m×1.5 m×2.1 m(长×宽×高)。

(2) 选用边坡土体为黏土、石膏和标准石英砂按不同比例配制,测得相关性能参数见表1。

(3) 前排桩1 m (高)×0.15 m(长)×0.1 m (宽)和后排桩1.25 m(高)×0.15 m(长)×0.1 m (宽);测试桩为两块钢板加两块2 cm厚PVC板(中间留有土压力计孔位)铆接而成(图2),非测试桩采用槽钢对焊;5根桩的间距为0.3 m,挡土板为2.5 cm厚木板。

图1 模型箱示意图Fig.1 Diagram of model casing

表1 滑体、滑床土体材料性能参数

图2 测试桩示意图Fig.2 Diagram of testing pile

1.2 试验类型及量测

图3为单排桩板结构模型,桩嵌固段为桩长的50%,测试中间部位桩,沿桩身布置6个土压力传感器量测不同深度位置的土压力;桩顶和桩前坡脚处各设一个位移传感器,桩顶安装加速度传感器;为减小振动波反射,在振动方向的填土前、后壁均内衬50 mm厚泡沫板垫层;桩后坡体内等距离安装4个加速度计;模型箱底部安装1个加速度计量测输入振动台的实际加速度。

图4为双排桩板结构模型,试验仪器布置与单排桩板结构模型试验仪器布置基本一致。

图3 单排桩板结构试验模型和测试仪器布置图Fig.3 Test model and instrument arrangement ofsingle-row pile-plank structure

图4 双排桩板结构模型尺寸及测试仪器布置图Fig.4 Test model and instrument arrangement ofdouble-row pile-plank structure

1.3 试验加载

试验采用经压缩过的实测汶川地震波,按相似律进行相似处理后依次输入,方向为X(水平)、Z(竖直)双向输入。试验输入加速度峰值0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.7g、0.9g地震波实时采集不同波次加载后的数据,以Xgxz对应,其中Xg为地震加速度峰值,x、z分别为加速度输入方向。

2 试验结果分析

2.1 单排桩试验分析

(1) 桩后土动压力、总土压力

土动压力分布沿桩身从上到下为反S形分布(图5)。悬臂段各振次地震力作用下土动压力从1.44 kPa增至42.94 kPa,较0.1gx状态下土动压力增幅95.83%～2 881.95%;嵌固段各振次地震力作用下土动压力从2.73 kPa增至65.66 kPa,较0.1gx状态下土动压力增加67.4%～2 305.12%。

图5 单排桩桩后土动压力Fig.5 Dynamic pressure of soil behind single-row pile

总土压力沿桩身从上到下为也呈反S形分布(图6)。悬臂段各振次地震力作用下总动土压力从4.02 kPa增至67.42 kPa,较静力状态下总土压力增幅51%～1 577.11%。嵌固段各振次地震力作用下的总动土压力从4.19 kPa增至115.14 kPa,较静力状态下总土压力增加了95.47%～2 647.97%。

图6 单排桩桩后土总压力Fig.6 Total pressure of soil behind single-row pile

(2) 桩前土动压力、总土压力

桩前土动压力沿桩身中部从上到下为倒三角形分布(图7)。各加速度峰值地震力作用下从6.16 kPa增至89.64 kPa,较0.1gx状态下土动压力增加45.78%～1 355.2%。

图7 单排桩桩前土动压力Fig.7 Dynamic pressure of soil before single-row pile

总土压力沿桩身中部从上到下为倒三角形分布(图8)。悬臂段各振次地震力作用下总动土压力从6.06 kPa增至139.52 kPa,较静力状态下总土压力增加127.4%～2 202.31%。

图8 单排桩桩前总土压力Fig.8 Total pressure of soil before single-row pile

(3) 桩后土体加速度

通过对桩后0.45 m、1.5 m处的土体实测加速度峰值进行比较分析土体对地震波的放大效应。

①桩后0.45 m土体加速度分布。除了0.7gxz、0.9gxz两个振次外,其他各个振次加速度峰值曲线近似呈线性分布(图9),且均随着高度增加而增加。0.1gx～0.5gxz振次中水平加速度峰值增加速率分别为0.58～18.57。0.7gxz、0.9gxz振次滑面下0.265 m、滑面、滑面上0.265 m处水平加速度峰值增加趋势明显,滑面上0.265 m和0.530 m处加速度接近,说明上部土体出现整体滑动。

图9 桩后0.45 m土体水平加速度峰值分布图Fig.9 Peak horizontal acceleration of soil at 0.45 m depth

② 桩后1.5 m土体加速度分布。0.1gx～0.3gxz三个振次土体水平加速度峰值均随着高度增加而增加且近似呈线性(图10),增加速率为0.84～5.07;0.4gxz、0.5gxz两个振次中,滑移面处土体竖直加速度峰值发生突变,说明此处滑体和滑床间发生了较大的相对滑移,其增加速率为12.58、20.72;0.7gxz振次的加速度峰值与0.5gxz振次的加速度峰值变化相似;0.9gxz振次滑面处的加速度峰值比0.4gxz～0.7gxz三个振次的值小,说明土体前期的滑移已很充分;从滑面向上的三个点处的土体加速度峰值相近可以看出,坡体发生了较大的整体滑移。

图10 桩后1.5 m土体水平加速度峰值分布图Fig.10 Peak horizontal acceleration of soil at 1.5 m depth

(4) 桩顶位移

七个振次下桩顶位移分别为0.45、1.23、2.85、5.26、10.55、17.35、28.67(单位:mm),见图11。根据《铁路路基支挡结构设计规范》(TB10025-2006)[3]:“桩板墙顶位移应小于桩悬臂段长度1/100且不宜大于10 cm”及工程经验判断,按抗弯等效计算桩顶位移20 cm时已处于破坏状态。

加速度峰值0.4g的地震力作用下桩顶位移5.26 mm,折算实际位移为10.52 cm,已达到极限状态;加速度峰值0.5g的地震力作用下桩顶位移10.55 mm,折算实际位移为21.10 cm,已发生破坏;加速度峰值0.9g的地震力作用下桩顶位移28.67 mm,折算实际位移为57.34 cm,已发生严重破坏(图12和图13)。

图11 不同振次下的桩顶位移图Fig.11 Displacement at pile top under different vibration cycles

图12 0.5gxz振次破坏示意图Fig.12 Failure photograph at 0.5gxz

图13 0.9gxz振次破坏示意图Fig.13 Failure photograph at 0.9gxz

2.2 双排桩试验结果

(1) 后排桩土动压力、总土压力

①桩前。桩后土动压力沿桩身分布见图14。悬臂段各加速度峰值地震力作用下的土压力从1.02 kPa增至24.75 kPa,较0.1gx状态下土动压力增加79.41%～2 326.47%;嵌固段各加速度峰值地震力作用下的土动压力从1.57 kPa增至49.98 kPa,较0.1gx状态下土动压力增加59.87%～3 083.44%。

图14 后排桩桩后土动压力Fig.14 Dynamic pressure of soil behind back-row pile

静力状态下和小于0.5gxz振次下的桩后总土压力沿桩身分布见图16。各加速度峰值地震力作用下的总土压力从3.01 kPa增至36.38 kPa,较静力状态下总土压力增加40.53%～1 108.64%;嵌固段各加速度峰值地震力作用下的总土压力分别从3.17 kPa增至77.29 kPa,较静力状态下总土压力增加了107.89%～2 338.17%。

图15 后排桩桩后总土压力Fig.15 Total pressure of soil behind back-row pile

②桩后。桩前土动压力在从桩顶到-0.425 m之间均较小,但在嵌固段处(-0.625 m处)土压力突然变大,从-0.625 m处往下土压力迅速减小(图17)。各振次土压力从1.83 kPa增至69.59 kPa,较0.1gx状态下土动压力增加43.17%～3 702.73%。

桩前总土压力在从桩顶到-0.425 m之间均较小,但在嵌固段处(-0.625 m处)土压力突然变大,从-0.625 m处往下土压力迅速减小,近似呈倒三角形分布(图17)。各振次的总土压力从4.14 kPa增至127.35 kPa,较静力状态下总土压力增加115.94%～2 976.09%。

图16 后排桩桩前土动压力Fig.16 Dynamic pressure of soil before back-row pile

图17 后排桩桩前总土压力Fig.17 Total pressure of soil before back-row pile

(2) 前排桩总土压力、土动压力

①桩后。如图18,悬臂段各加速度峰值地震力作用下的土压力从1.23 kPa增至25.88 kPa,较0.1gx状态下土压力增加48.78%～2 004.07%;嵌固段在峰值地震力作用下为1.05～39.36 kPa,较0.1gx状态下土动压力分别增加了100.95%～3 648.57%。

图18 前排桩桩后土动压力Fig.18 Dynamic pressure of soil behind front-row pile

从图19可见,悬臂段静力和加速度峰值地震力作用下的总土压力从1.99 kPa增至43.72 kPa,较静力状态下总土压力增加116.58%～2 096.98%;嵌固段各振次地震力作用下的总土压力较静力状态下总土压力分别增加了259.22%～6 660.20%。

图19 前排桩桩后总土压力Fig.19 Total pressure of soil behind front-row pile

②桩前。与单排桩类似,桩前土动压力从上到下呈倒三角形分布(图20),其加速度峰值地震力作用下为2.34～69.67 kPa;各振次地震力作用下的土动压力较0.1gx状态下土动压力增加了184.62%～2 877.35%。

图20 前排桩桩前土动压力Fig.20 Dynamic pressure of soil before front-row pile

与单排桩类似,桩前总土压力从上到下呈倒三角形分布(图21),各加速度峰值地震力作用下为3.84～95.57 kPa,较静力状态下总土压力分别增加了117.71%～2 388.80%。

图21 后排桩桩前总土压力Fig.21 Total pressure of soil before front-row pile

(3) 桩后土体加速度

通过对前排桩桩后0.45 m和1.5 m处土体的实测加速度峰值进行比较,分析土体对于地震波的放大效应。

① 前排桩桩后0.45 m土体加速度分布

除了0.1gx振次中滑面处的水平加速度峰值略小于滑面下0.265 m处的水平加速度峰值之外,其他振次中的水平加速度峰值均随着高度增加而增大。0.1gx、0.2gx两个振次的水平加速度峰值曲线近似呈线性分布(图22),其增加速率分别为0.40、0.82;0.3gxz、0.4gxz两个振次中滑面处的加速度均发生不同程度的突变,滑面下0.265 m和滑面上0.265 m的水平加速度峰值增加速率分别为3.48、5.70;0.5gxz振次中,土体水平加速度峰值增加速率为11.40;0.7gxz、0.9gxz两个振次,加速度峰值增加速率也较0.1gx～0.5gxz五个振次增加很大,滑面处的土体加速度峰值较大说明土体在地震力作用下滑面处土体发生较大的滑动。

图22 前排桩桩后0.45 m土体水平加速度峰值分布图Fig.22 Distribution of peak horizontal acceleration of soil at 0.45 m behind the front-row pile

② 前排桩桩后1.5 m土体加速度分布

0.1gx～0.5gxz振次中的土体水平加速度峰值均随高度增加而增加,其增加速率为0.57～11.15,且呈随震级提高而急剧增大趋势(图23)。0.1gx、0.2gx、0.3gxz三个振次的水平加速度峰值曲线近似呈线性,而0.4gxz、0.5gxz两个振次中,其水平加速度峰值增加速率越来越大;0.7gxz、0.9gxz两个振次,加速度峰值虽未出现随着高度增加而增加的趋势,但是滑面处土体加速度峰值较大,说明土体发生了较大的相对滑动。

图23 前排桩桩后1.5 m土体水平加速度峰值分布图Fig.23 Distribution of peak horizontal acceleration of soil at 1.5 m behind the front-row pile

(4) 桩顶位移

由图24可见,在加速度峰值为0.5g的地震力作用下,前排桩桩顶发生位移5.57 mm,折算实际工程位移为11.14 cm,已处于极限状态;而后排桩在加速度峰值为0.7g的地震力作用下,桩顶发生位移6.75 mm,折算实际工程位移为13.50 cm,达到了极限状态。后、前排桩在加速度峰值达到0.9g时,两者桩顶位移分别为13.42 mm和10.73 mm,折算实际工程位移为26.84 cm、21.46 cm,达到破坏状态(图25、图26)。

图24 后、前排桩桩顶位移Fig.24 Displacement at the top of front and back piles

3 单排桩、双排桩试验对比分析

鉴于边坡工程抗震设计中对0.7gxz、0.9gxz两个振次地震力涉及很少,因此对其不做比较。

3.1 桩后土动压力、总土压力对比

(1)桩后土动压力

两个模型各点的土压力均呈反S形分布(表2)。悬臂段的最大土压力出现在-0.34 m处,约为悬臂段长度的2/3处;嵌固段的最大土压力出现在接近桩底的-0.98 m处。

图25 0.5gxz振次桩顶位移形态Fig.25 Displacement of pile top at 0.5gxz

图26 0.9gxz振次桩顶位移形态Fig.26 Displacement of pile top at 0.9gxz

表2 单排桩、双排桩前桩桩后土动压力对比表

对比单排桩、双排桩前桩桩后-0.34 m处和-0.98 m处的土动压力,0.1gx～0.5gxz地震力作用下单排桩与双排桩前桩桩后-0.34 m处的土动压力比值分别为1.40、1.54、1.69、1.88、1.88,单排桩约为双排桩前桩的1.5～2倍;单排桩与双排桩前桩桩后-0.98 m处的土动压力比值为2.60、2.17、2.02、2.16、2.08,单排桩桩后约为双排桩前桩的土动压力的2～3倍。

(2) 桩后总土压力

两个模型各点的土压力均呈反S形分布(参见表3)。悬臂段的最大土压力出现在-0.34 m处,约为悬臂段长度的2/3处;嵌固段的最大土压力出现在接近桩底的-0.98 m处。

对比单排桩、双排桩前桩桩后-0.34 m处和-0.98 m处的总土压力,静力状态和加速度峰值为0.1gx～0.5gxz地震力作用下,单排桩与双排桩前桩桩后-0.34 m处的总土压力比值分别为2.02、1.41、1.50、1.43、1.47、1.54,单排桩桩约为双排桩前桩的1.5～2倍;单排桩与双排桩前桩桩后-0.98 m处的总土压力比值分别为3.07、2.21、2.02、1.94、2.02、1.95,单排桩桩约为双排桩的总土压力的2～3倍。

表3 单排桩、双排桩前桩桩后总土压力对比表

3.2 桩前土动压力、总土压力对比

(1) 桩前土动压力

两个模型的桩前土动压力均呈倒三角形分布(表4),最大土压力也出现在桩前-0.66 m处。

对比单排桩、双排桩前桩桩前-0.66 m处的土动压力,可以发现加速度峰值为0.1gx～0.5gxz地震力作用下,单排桩与双排桩前桩桩前-0.66 m处的土动压力比值分别为2.63、1.35、1.15、1.16、1.21,单排桩约为双排桩前桩桩前土动压力的1.7～2倍。

表4 单排桩、双排桩前桩桩前土动压力对比表Table 4 Comparison between dynamic pressure of soil before the single-row pile and the front pile in double row震次

(2) 桩前总土压力

两个模型的桩前总土压力均呈倒三角形分布(表5),最大土压力出现在桩前-0.66 m处。对比单排桩、双排桩前桩桩前-0.66 m处的总土压力,可以发现静力状态和加速度峰值为0.1gx～0.5gxz地震力作用下,单排桩与双排桩前桩桩前-0.66 m处的总土压力比值分别为1.58、1.64、1.31、1.26、1.23、1.29,单排桩约为双排桩前桩桩前总土压力的1.2～1.6倍。

表5 单排桩、双排桩前桩桩前总土压力对比表

3.3 桩后土体加速度对比

(1)单排桩、双排桩前桩后0.45 m土体水平加速度峰值对比

两个结构各个振次的水平加速度峰值均随着高度增加而逐渐增大(表6),且都呈现随着震级增加,峰值增速也相应急剧增加的趋势。除在0.3gxz振次下,单排桩的滑面处土体加速度峰值比双排桩同样位置处小之外,其余振次双排桩土体水平加速度峰值增速比单排桩土体水平加速度峰值增速要小。

表6 单排桩、双排桩前桩后0.45 m土体水平加速度峰值对比表

(2) 单排桩、双排桩前桩后1.5 m水平加速度峰值对比

两个结构各振次的水平加速度峰值均随着高度增加而逐渐增大(表7)且单排桩、双排桩板都呈现随着震级增加,峰值增速也相应急剧增加的趋势。双排桩土体水平加速度峰值比单排桩相同振次下相同位置处的土体水平加速度峰值小,而且相同振次下,双排桩土体水平加速度峰值增速比土体水平加速度峰值增速也要小。

3.4 桩顶位移对比

从0.1gx～0.5gxz五个振次下的单排桩、双排桩桩顶位移(图27)可见,单排桩在加速度峰值为0.4g地震力作用下桩顶发生位移5.26 mm,折算实际工程位移为10.52 cm,达到极限状态;在加速度峰值为0.5g地震力作用下桩顶发生位移10.55 mm,折算实际工程位移为21.10 cm,已发生破坏;双排桩在加速度峰值为0.5g的地震力作用下前排桩桩顶才发生位移5.57 mm,折算实际工程位移为11.14 cm,达到极限状态,前排桩桩顶发生位移3.78 mm还远未达到极限状态。