李 昀,楊果林,林宇亮

(中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南長沙 410075)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,紅砂巖地區(qū)高速公路和高速鐵路建設(shè)也迅猛增長。對(duì)于修建在紅砂巖地區(qū)的路堤高速公路和高速鐵路,由于紅砂巖浸水易軟化、脫水易干裂,對(duì)紅砂巖填筑路基的動(dòng)態(tài)特性認(rèn)識(shí)不清,引發(fā)了許多巖土工程新問題。路基的穩(wěn)定性尤其是高填方地段如何保證?在大力倡導(dǎo)節(jié)約型社會(huì)的今天,這些問題的解決顯得尤為重要。

隨著加筋土結(jié)構(gòu)的不斷推廣使用,國內(nèi)外學(xué)者還相繼開展了動(dòng)荷載對(duì)加筋土的作用與影響的試驗(yàn)研究。Mohamam(1990)等人[1]利用共振柱試驗(yàn)測量了加筋砂的動(dòng)力反應(yīng);Richardson(1992)[2]報(bào)道了美國加利福尼亞大學(xué)利用爆炸作為振動(dòng)源,對(duì)一座 6.1 m高的加筋土擋墻進(jìn)行了遭受隨機(jī)激勵(lì)荷載的現(xiàn)場試驗(yàn),測量了加速度-時(shí)間歷程和動(dòng)應(yīng)力-時(shí)間歷程;Futaki(1996)等人[3]通過足尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)(長9. 5m,寬3.0m,高6.0m),研究擋墻在不同墻高下的共振頻率及響應(yīng)特性。蘭州鐵道學(xué)院梁波等人(1998)[4]利用室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn),建立了加筋強(qiáng)度的等效約束力模型,分析了粉煤灰靜、動(dòng)強(qiáng)度在拉力破壞和粘著破壞兩種情況下的強(qiáng)度指標(biāo),用窗紗和硬塑料板作模擬材料,作振動(dòng)三軸試驗(yàn)測得動(dòng)內(nèi)摩擦角和動(dòng)粘聚力兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo);楊果林(2002,2003)等人[5-6]利用室內(nèi)模型試驗(yàn),研究了列車荷載作用下加筋土擋墻的動(dòng)態(tài)響應(yīng),并開展對(duì)加筋土擋墻在動(dòng)力荷載作用下的理論分析、解析方法和動(dòng)力參數(shù)的研究。邵生俊等人(2003)[7]通過 1∶20幾何比尺的直立擋板加筋高路堤振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),輸入不同幅值的地震波加速度里程,研究分析了不同加筋土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)特性;但均未涉及綠色加筋格賓擋墻的動(dòng)力特性問題。

作者以潭衡西線高速公路及武廣客運(yùn)專線新型支擋結(jié)構(gòu)為工程背景,設(shè)計(jì)并完成了綠色加筋格賓新型支擋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與動(dòng)力響應(yīng)的大型模型試驗(yàn),分析了重復(fù)荷載作用下?lián)鯄?dòng)力特性與動(dòng)力響應(yīng)的變化規(guī)律。

1 綠色加筋格賓擋土墻模型試驗(yàn)簡介

試驗(yàn)在中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室的電液伺服加載系統(tǒng)上進(jìn)行。最大負(fù)載 50 t,最大加速度1.0g(1g=9.8 m/s2),最大速度為0.4m/s,最大位移為±250mm。

本試驗(yàn)所用模型箱為長3.0m,寬0.85 m,高2.0m。它是由鋼板、角鋼、槽鋼等焊接而成的框架,底面、一個(gè)側(cè)面、一個(gè)端面用鋼板固定在角鋼上,為了減少內(nèi)壁摩擦阻力,內(nèi)貼鍍鋅鐵皮。另一個(gè)側(cè)面用鋼化有機(jī)玻璃固定在角鋼上,一個(gè)端面用于制作新型擋墻墻面,頂面用美國 MTS公司生產(chǎn)的伺服作動(dòng)器給綠色加筋格賓擋土墻施加豎向重復(fù)荷載。

在模型箱內(nèi)模擬工程實(shí)際情況,按比例尺寸分5層填筑每層高度為 0.4 m的綠色加筋格賓擋墻。

綠色加筋格賓擋墻及元器件布置如圖 1所示。綠色加筋格賓組合成型構(gòu)件如圖 2所示。綠色加筋格賓網(wǎng)是采用意大利MACCAFERRI公司的產(chǎn)品,它是由規(guī)格為80 mm×100 mm的雙絞合鋼絲網(wǎng)面構(gòu)成,其鍍層鋼絲中網(wǎng)絲直徑為2.2 mm,加上生物墊、焊接金屬網(wǎng)面板等組成,綠色加筋格賓的面墻形成與水平面成 70°的坡面。綠色加筋格賓作為一種生態(tài)型加筋技術(shù),施工時(shí),在面墻鋼絲內(nèi)側(cè)鋪墊有椰棕植生墊,只需人工植入枝條或藤曼草種,稍加養(yǎng)護(hù),坡面綠化即可自然形成。格賓網(wǎng)筋材試驗(yàn)結(jié)果如表 1所示。

圖1 模型尺寸及測量儀器Fig.1 Model sizes and distribution ofmeasuring instrument

圖2 綠色加筋格賓組合成型構(gòu)件Fig.2 Green reinforced gabion combination component

表1 格賓網(wǎng)筋材試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results ofwiremesh

表2 紅砂巖的主要物理性能指標(biāo)Tab le 2 Index properties of red sandstone

填料采用潭衡西線高速公路 12標(biāo)現(xiàn)場所用的紅砂巖,其主要物理力學(xué)性性能如表 2所示。填筑時(shí)保證紅砂巖填筑時(shí)的壓實(shí)率達(dá)到 95%以上。

在進(jìn)行動(dòng)力特性參數(shù)測量時(shí),在第 1層、第 3層、第5層墻頂面板上分別布置兩個(gè)加速度、位移941B型拾震器(一個(gè)水平、一個(gè)豎向),用DASP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。為測得動(dòng)應(yīng)力的分布情況,在加筋擋墻中共埋設(shè)動(dòng)土壓力盒,在墻面安排了百分表,用于測試其累計(jì)變形與沉降值。為測得筋材在荷載作用時(shí)的應(yīng)力狀態(tài),在筋材上布置了柔性位移計(jì)。

本模型用MTS伺服激振器模擬列車荷載。列車荷載的大小和運(yùn)行速度通過伺服激振器的荷載輸出與頻率來反映。施加到加筋土路基頂面的荷載頻率(Hz)分別為4,6,8,10,用以模擬不同的列車車速。動(dòng)應(yīng)力(kPa)范圍為30～60,40～80,50～100, 60～120,施加的重復(fù)荷載動(dòng)應(yīng)力幅值與大秦線、成昆線、寶成線實(shí)測的動(dòng)應(yīng)力基本對(duì)應(yīng),如表 3。

表3 路基動(dòng)應(yīng)力分布范圍Tab le 3 Distributed scope of dynamic stress in the roadbed

2 模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次模型試驗(yàn)共做了4種動(dòng)應(yīng)力幅值水平(A1=30～60 kPa、A2=40～80 kPa、A3=50～100 kPa、A4=60～120 kPa)和4種頻率(f1=4 Hz、f2=6 Hz、f3=8Hz、f4=10 Hz)的正交試驗(yàn)。試驗(yàn)加載順序如圖 3所示。

圖3 試驗(yàn)加載順序Fig.3 Order of test loading

分別測試了第1層、第3層、第5層墻面板頂端處在各種振次下的穩(wěn)定振動(dòng)時(shí)的水平加速度、豎向加速度、水平位移、豎向位移峰值和在H/4、2H/4、3H/4處動(dòng)應(yīng)力值,加速度反應(yīng)、動(dòng)位移反應(yīng)、動(dòng)應(yīng)力反應(yīng)如圖4～圖12所示。由圖4～圖12知[8-16]:

(1)由圖 4可得,擋墻從下到上,墻面板上的豎向加速度峰值從小變大,第五層墻面板頂端處最大。當(dāng)振動(dòng)頻率小于 8 Hz時(shí),隨著振動(dòng)次數(shù)的增加豎向加速度峰值有變大的趨勢;當(dāng)振動(dòng)頻率大于8 Hz時(shí),隨著振動(dòng)次數(shù)的增加豎向加速度峰值有變小的趨勢。當(dāng)幅值為 A1、A2、A3時(shí),隨著振動(dòng)次數(shù)的增加豎向加速度峰值有變大的趨勢;當(dāng)幅值為A4=60～120 kPa時(shí),隨著振動(dòng)次數(shù)的增加豎向加速度峰值有變小的趨勢。豎向加速度峰值隨著振動(dòng)頻率和幅值的增加而增大。

圖4 豎向加速度反應(yīng)Fig.4 Vertical acceleration response

(2)由圖 5可知,水平加速度峰值隨著擋墻高度、振動(dòng)頻率的增加而增大。在振動(dòng)幅值、振動(dòng)頻率不變的情況下,水平加速度峰值隨著振動(dòng)次數(shù)的增加而增大。當(dāng)幅值水平為A2=40～80 kPa,水平加速度峰值達(dá)到最大值。

圖5 水平加速度反應(yīng)Fig.5 Horizontal acceleration response

(3)從圖 6可知,豎向加速度峰值和水平加速度峰值沿深度方向逐漸衰減。動(dòng)應(yīng)力幅值水平為A2、A3、A4時(shí),水平加速度峰值變化不大,故曲線交叉偶合。墻高 1.2 m以上豎向加速度峰值衰減比較快,而墻高 1.2m以下衰減速度比較慢;從第五層到第一層,豎向加速度峰值衰減率為 46.4%左右,水平加速度峰值衰減率為88.1%左右。

圖6 沿墻高方向加速度響應(yīng)峰值Fig.6 Peaks of acceleration response with the wall height

(4)從圖 7可知,綠色加筋格賓擋土墻從下到上,其墻面板上的豎向位移峰值有從小變大的趨勢,在擋墻頂端處最大。振動(dòng)頻率和振動(dòng)次數(shù)對(duì)豎向位移峰值沒有明顯的影響;當(dāng)幅值水平為A4= 60～120 kPa,豎向位移峰值達(dá)到最大值。當(dāng)幅值水平為A1、A2、A3時(shí),動(dòng)位移峰值數(shù)值差不多,可能是因?yàn)樵谠囼?yàn)之前進(jìn)行了 100 kPa的預(yù)壓,由此可得出,在工程施工時(shí)可對(duì)加筋擋土墻進(jìn)行超密壓實(shí),從而可以降低工后沉降。

(5)從圖 8可知,水平位移峰值隨著擋墻高度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值的增加而增大;隨著振動(dòng)次數(shù)的增加水平位移峰值變化不明顯;當(dāng)振動(dòng)頻率小于8 Hz時(shí),水平位移峰值隨振動(dòng)頻率的增加而緩慢增大;當(dāng)振動(dòng)頻率大于8Hz時(shí),水平位移峰值隨振動(dòng)頻率的增加其增大率變大。當(dāng)幅值水平為 A4=60～120 kPa,水平位移峰值達(dá)到最大值。

圖7 豎向動(dòng)位移反應(yīng)Fig.7 Vertical dynamic displacement response

圖8 水平動(dòng)位移反應(yīng)Fig.8 Horizontal dynamic displacement response

圖9 沿墻高方向動(dòng)位移響應(yīng)峰值Fig.9 Peaks of dynamic displacement response with the

(6)從圖 9可知,豎向位移峰值和水平位移峰值沿深度方向逐漸衰減。從墻高 2.0～1.2 m處,豎向位移峰值衰減率為 35.3%,水平位移峰值衰減率為25.0%;從墻高1.2～0.4m處,豎向位移峰值衰減率為9.0%,水平位移峰值衰減率為5.0%。由此可得,豎向位移峰值在墻高1.2m以上衰減比墻高1.2m以下要快很多;水平位移峰值沿深度方向的衰減速度基本一致。

(7)從圖 10可知,綠色加筋格賓擋土墻從下到上,加筋體內(nèi)動(dòng)應(yīng)力峰值從小變大;在振動(dòng)幅值和振動(dòng)頻率一定的情況下,隨著振動(dòng)次數(shù)的增加,加筋體內(nèi)動(dòng)應(yīng)力峰值有變小的趨勢。從圖 11可知,動(dòng)應(yīng)力沿墻高的衰減率基本上是線性的,墻高從1.5～0.5m處動(dòng)應(yīng)力衰減率為 46.8%左右。由圖12可知,動(dòng)應(yīng)力峰值隨振動(dòng)頻率的增大而沒有明顯的變化,只與振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅值有關(guān)。

圖10 豎向動(dòng)應(yīng)力反應(yīng)Fig.10 Vertical dynamic stress response

圖11 沿墻高方向動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)峰值Fig.11 Peaks of dynam ic stress response with the wall height

3 結(jié) 論

圖12 動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)與振動(dòng)頻率的關(guān)系Fig.12 Relationship of dynamic stress response and vibration frequency

(1)綠色加筋格賓擋墻在活荷載重復(fù)作用200萬次下,擋墻內(nèi)外部未出現(xiàn)明顯的局部和整體破壞,說明綠色加筋格賓結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性和抗破壞性,其結(jié)構(gòu)壽命能滿足使用要求。

(2)綠色加筋格賓擋土墻從下到上,墻面板上的豎向加速度峰值從小變大,水平加速度峰值隨著擋墻高度、振動(dòng)頻率的增加而增大。豎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減。

(3)綠色加筋格賓擋土墻從下到上,其墻面板上的豎向位移峰值有從小變大的趨勢,在擋墻頂端處最大;水平位移峰值隨著擋墻高度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值的增加而增大;隨著振動(dòng)次數(shù)的增加水平位移峰值變化不明顯。

(4)動(dòng)應(yīng)力峰值沿?fù)鯄Ω叻较蛑饾u增大;動(dòng)應(yīng)力峰值隨振動(dòng)頻率的增大而沒有明顯的變化,只與振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅值有關(guān)。

(5)由于版幅有限,本次試驗(yàn)所得到的其它試驗(yàn)結(jié)果,如隨振動(dòng)次數(shù)、頻率、幅值變化的側(cè)向累計(jì)變形、土壓力值、格賓網(wǎng)應(yīng)變值,另文發(fā)表。

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