文暢平，江學(xué)良，楊 慧，孫廣臣

(1．中南林業(yè)科技大學(xué)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)工程材制造及應(yīng)用技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室 長沙，410018)(2．中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙,410018)

邊坡條件對重力式擋墻地震位移模式的影響*

文暢平1，2，江學(xué)良1，2，楊 慧1，2，孫廣臣1，2

(1．中南林業(yè)科技大學(xué)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)工程材制造及應(yīng)用技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室 長沙，410018)(2．中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙,410018)

基于大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，研究邊坡條件對重力式擋墻地震位移模式及其變化方式的影響。振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)采用2個(gè)比尺1∶8的基覆邊坡和順層邊坡模型，支擋結(jié)構(gòu)為重力式擋墻與格構(gòu)式錨桿框架二級(jí)組合式結(jié)構(gòu)，地震波選用大瑞人工波和Kobe波。研究表明，基覆邊坡中重力式擋墻地震位移模式主要有4類，即繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)、以滑動(dòng)為主的向邊坡外側(cè)滑動(dòng)與繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合、以轉(zhuǎn)動(dòng)為主的繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)與向邊坡外側(cè)滑動(dòng)的耦合以及以滑動(dòng)為主的向邊坡外側(cè)滑動(dòng)與繞墻踵向邊坡方向轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合。順層邊坡中重力式擋墻地震位移模式主要有2類：繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)與離開邊坡土體向外側(cè)滑動(dòng)的耦合。當(dāng)?shù)卣鹆叶却笥赩II度時(shí)，重力式擋墻才產(chǎn)生動(dòng)位移模式。邊坡條件、地震波類型及烈度對重力式擋墻地震位移模式及其變化方式的影響較大，對相對位移的影響較小。

重力式擋墻；邊坡條件；地震位移模式；大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)；地震永久位移

引 言

相關(guān)研究認(rèn)為[1-4]，擋墻的地震動(dòng)位移模式及其變化方式影響地震土壓力及其分布形式，但到目前為止，有關(guān)擋墻地震位移模式的研究還處在探索階段，相關(guān)的文獻(xiàn)也較少。一般認(rèn)為，剛性擋墻的地震位移模式為轉(zhuǎn)動(dòng)或平移[5-9]。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為，擋墻在地震作用下產(chǎn)生3種位移模式：平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和彎曲。文獻(xiàn)[11-12]認(rèn)為，重力式擋墻、樁板式擋墻以及格構(gòu)式錨桿框架結(jié)構(gòu)等的位移模式主要有4種：滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、以滑動(dòng)為主的滑動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合以及以轉(zhuǎn)動(dòng)為主的轉(zhuǎn)動(dòng)與滑動(dòng)的耦合等。張建經(jīng)等[13]、曲宏略等[14]分別研究了重力式擋墻、預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻等地震作用下的位移模式。重力式擋墻主要產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)與滑動(dòng)的耦合2種位移模式；而樁板墻由于錨索的限制，其位移模式為繞嵌固段某點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

支擋結(jié)構(gòu)與邊坡巖土體在地震作用下構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，其位移模式及其變化特性非常復(fù)雜。關(guān)于邊坡條件對擋墻地震位移模式的影響還鮮有報(bào)道，因此開展邊坡條件對擋墻地震位移模式影響的研究則顯得尤為重要?，F(xiàn)有研究方法中，大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)?zāi)芎芎迷佻F(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)特性[15]，是結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和抗震性能研究的重要手段[16]。為此，筆者設(shè)計(jì)2個(gè)大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，對比研究基覆邊坡、順層邊坡等邊坡條件對重力式擋墻地震位移模式的影響及其變化特性。

1 大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)

大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)在招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)由德國SCHENCK公司生產(chǎn)，由一個(gè)固定臺(tái)和一個(gè)移動(dòng)臺(tái)組成，主要技術(shù)參數(shù)見文獻(xiàn)[11-12]。數(shù)據(jù)采集為Dewetron2010動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)。

1.1 原型邊坡

從大理至瑞麗鐵路DK10+400～DK11+535段[11,17]、DK10+880～DK10+930段[18]選擇確定2種類型的原型邊坡：厚覆蓋層與基巖邊坡(簡稱基覆邊坡)，厚覆蓋層與順層巖石邊坡(簡稱順層邊坡)?；策吰赂采w層土性及其主要物理力學(xué)參數(shù)、邊坡高度、支擋結(jié)構(gòu)形式及支護(hù)方式等參見文獻(xiàn)[11]和[17]。順層邊坡覆蓋層土性及其主要物理力學(xué)參數(shù)、邊坡高度、支擋結(jié)構(gòu)形式及支護(hù)方式等與基覆邊坡相同，順層巖石為混合巖夾花崗片麻巖，重度γ=27 kN/m3，黏聚力c=0，內(nèi)摩擦角φ=65°，層間指標(biāo)為c=95 kPa，φ=22°。

1.2 相似關(guān)系

模型試驗(yàn)以幾何尺寸、密度和加速度作為控制量，其相似常數(shù)分別取Cl=8，Cρ=1，Ca=1，模型與原型尺寸的相似比為1∶8。按照相似理論[19-20]確定其余物理量的相似常數(shù)，分別參見文獻(xiàn)[11]， [17]和[18]。

1.3 模型制作

根據(jù)相似關(guān)系，2個(gè)邊坡模型尺寸設(shè)計(jì)為150 cm(高)×150 cm(寬)，護(hù)坡坡率為1∶1.25，護(hù)坡道寬度為25 cm?；策吰潞晚槍舆吰履Ｐ统叽绾椭亓κ綋鯄Τ叽缛鐖D1和圖2所示。試驗(yàn)采用剛性模型箱，其制作材料、方法、內(nèi)空尺寸和邊界處理等參見文獻(xiàn)[11-12]以及[21]?；策吰隆㈨槍舆吰履Ｐ椭谱鞣椒▍⒁娢墨I(xiàn)[11]，[17-18]。邊坡模型完成后，總重量都小于300 kN且小于振動(dòng)臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)荷重。兩個(gè)邊坡模型全貌相同，如圖3所示。

圖1 基覆邊坡模型及測點(diǎn)位置(單位:cm)Fig.1 Base rock slope model and its transducers′ locations(unit:cm)

圖2 順層邊坡模型及測點(diǎn)位置(單位:cm)Fig.2 Consequent bedding rock slope model and its transducers′ locations(unit:cm)

圖3 邊坡模型全貌圖Fig.3 Overall perspective of slope model

為便于比較分析，兩個(gè)邊坡模型都沿中軸線相同位置布設(shè)動(dòng)位移計(jì)，布設(shè)位置及編號(hào)如圖1，2所示。其中：水平向(x向)、豎直向(z向)動(dòng)位移計(jì)分別為4個(gè)和2個(gè)。動(dòng)位移計(jì)為德國米依公司生產(chǎn)的ILD1401-200(000) 型激光位移傳感器，采樣頻率為1 kHz，線性為±0.2%。試驗(yàn)以臺(tái)面水平向和豎向加速度計(jì)為控制點(diǎn)。

1.4 地震波及加載方式

選用大瑞波和Kobe波作為振動(dòng)臺(tái)的輸入波，時(shí)間壓縮比為2.83。其中，大瑞波是根據(jù)大瑞鐵路沿線土層特性構(gòu)造的人工合成地震波。兩種地震波都采用xz雙向(x向和z向合成)加載，代號(hào)分別為DR_xz和K_xz。激振方向x向和z向如圖1，2所示。圖4，5分別為這兩種地震波壓縮后的加速度時(shí)程曲線及傅氏譜。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[22-23]，將x向加速度峰值調(diào)整為0.1,0.2,0.4和0.6g，與地震烈度VII～X相對應(yīng)。z向加載的加速度峰值按x向的2/3折減[22,24]。具體加載制度如表1所示。

圖4 壓縮大瑞波加速度時(shí)程曲線及其傅氏譜Fig.4 Acceleration time-history and Fourier spectra of compressed Darui synthetic seismic wave

圖5 壓縮Kobe波加速度時(shí)程曲線及其傅氏譜Fig.5 Acceleration time-history and Fourier spectra of compressed Kobe seismic wave

表1 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)加載制度Tab.1 Loading rule of shaking table test

WN_xz為時(shí)間長度不小于48 s的高斯平穩(wěn)白噪聲激振的微震試驗(yàn)[25]，加速度峰值約0.03g～0.05g

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)動(dòng)位移計(jì)與邊坡模型的相對位置確定位移方向。位移為“+”時(shí)表示擋墻向邊坡土體方向移動(dòng)；位移為“-”時(shí)表示擋墻離開土體向邊坡外側(cè)移動(dòng)。根據(jù)測點(diǎn)DH1和DH2的永久位移實(shí)測結(jié)果，計(jì)算滑動(dòng)位移DH、墻頂位移DT、轉(zhuǎn)動(dòng)位移DR、相對位移(∑DT/H，H為墻高)和動(dòng)位移比(包括滑動(dòng)位移比和轉(zhuǎn)動(dòng)位移比)。上述參數(shù)中，DH和DT反映擋墻位移模式，動(dòng)位移比反映擋墻地震位移模式的變化方式，相對位移反映擋墻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

擋墻地震位移模式計(jì)算結(jié)果如表2所示。圖6為在大瑞波xz雙向激振下，基覆邊坡、順層邊坡中擋墻動(dòng)位移模式的變化情況。

1) 當(dāng)激振加速度峰值A(chǔ)Xmax≤0.1g時(shí)，基覆邊坡、順層邊坡中擋墻的相對位移分別小于0.052%和0.008%。當(dāng)AXmax不小于0.1g時(shí)，基覆邊坡?lián)鯄ο鄬ξ灰品謩e是順層邊坡的1.50，1.59和0.84倍。試驗(yàn)結(jié)果表明：地震波烈度不大于VII度時(shí)，擋墻位移量可忽略不計(jì)；地震波烈度大于VIII度時(shí)，擋墻產(chǎn)生動(dòng)位移，且兩類邊坡中的擋墻相對位移變化趨勢較為接近。

2) 基覆邊坡中，當(dāng)AXmax≥0.2g時(shí)，擋墻滑動(dòng)位移量分別為-0.672，-0.984和-14.432 mm，DH和DR都為負(fù)值，滑動(dòng)位移比分別為轉(zhuǎn)動(dòng)位移比的0.16，0.17和2.77倍。當(dāng)AXmax≤0.4g時(shí)，重力式擋墻離開邊坡土體的滑移量較小，表明其位移模式為繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)AXmax = 0.6g時(shí)，擋墻位移模式為離開邊坡土體向外側(cè)滑動(dòng)與繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合，且以滑動(dòng)為主。

3) 順層邊坡中，當(dāng)AXmax≥0.2g時(shí)，擋墻滑動(dòng)位移量分別為-0.616，-1.840 和-19.584 mm，DH和DR都為負(fù)值，滑動(dòng)位移比分別為轉(zhuǎn)動(dòng)位移比的0.14，0.25和0.91倍。當(dāng)AXmax≤0.2g時(shí)，擋墻離開邊坡土體的滑移量較小，表明其位移模式為繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)AXmax≥0.4g時(shí)，擋墻位移模式為由繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔@墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)與離開邊坡土體向外側(cè)滑動(dòng)的耦合。

上述分析表明，邊坡巖土體特性不同，擋墻地震動(dòng)位移模式及其變化特性不同。

表2 大瑞波作用下?lián)鯄Φ卣鹞灰颇Ｊ椒治鯰ab.2 Analysis of seismic displacement mode of gravity retaining wall

圖6 大瑞波激振下?lián)鯄ξ灰颇Ｊ阶兓瘷C(jī)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

擋墻地震位移模式計(jì)算結(jié)果如表3所示。圖7為在Kobe波xz雙向激振下，基覆邊坡、順層邊坡中擋墻動(dòng)位移模式變化機(jī)制。

1) 當(dāng)激振加速度峰值A(chǔ)Xmax≤0.1g時(shí)，基覆邊坡、順層邊坡中擋墻的相對位移分別小于0.085%和0.046%。當(dāng)AXmax不小于0.1g時(shí)，基覆邊坡?lián)鯄ο鄬ξ灰品謩e為順層邊坡的1.47，1.86和1.84倍。試驗(yàn)結(jié)果表明：地震波烈度不大于VII度時(shí)，擋墻位移量可忽略不計(jì)；地震波烈度大于VIII度時(shí)，擋墻產(chǎn)生動(dòng)位移且兩類邊坡中的擋墻相對位移變化趨勢一致。

2) 基覆邊坡中，當(dāng)AXmax分別為0.2g和0.4g時(shí)，擋墻滑動(dòng)位移量分別為-1.760 mm和-2.680 mm，DH和DR都為負(fù)值，滑動(dòng)位移比分別為轉(zhuǎn)動(dòng)位移比的0.61和1.80倍。當(dāng)AXmax≤0.4g時(shí)，擋墻位移模式為以轉(zhuǎn)動(dòng)為主的繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)與向邊坡外側(cè)滑動(dòng)的耦合的位移模式，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰瑒?dòng)為主的向邊坡外側(cè)滑動(dòng)與繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合的位移模式。當(dāng)AXmax = 0.6g時(shí)，滑動(dòng)位移量為-15.072 mm，DH<0，DR>0，滑動(dòng)位移比為轉(zhuǎn)動(dòng)位移比的1.30倍，此時(shí)重力式擋墻的位移模式為離開邊坡土體向外側(cè)滑動(dòng)與繞墻踵向邊坡土體方向轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合，且以滑動(dòng)為主。

3) 順層邊坡中，當(dāng)AXmax≥0.2g時(shí)，DH>0，DR<0，滑動(dòng)位移比不大于8.08%，滑動(dòng)位移可忽略不計(jì)，此時(shí)重力式擋墻的位移模式為繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。

上述分析表明，邊坡巖土體特性不同，擋墻地震動(dòng)位移模式及其變化特性同樣是不同的，且地震波類型對擋墻動(dòng)位移模式也產(chǎn)生較大影響。

表3 Kobe波作用下?lián)鯄Φ卣鹞灰颇Ｊ椒治鯰ab.3 Analysis of seismic displacement mode of gravity retaining wall of bedding rock slope

圖7 Kobe波激振下?lián)鯄ξ灰颇Ｊ阶兓瘷C(jī)制Fig.7 Change mechanism of seismic displacement modes under K_xz

3 結(jié) 論

1) 大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究表明，重力式擋墻的地震位移模式主要有5類：繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)與向邊坡外側(cè)滑動(dòng)的耦合，以滑動(dòng)為主的向邊坡外側(cè)滑動(dòng)與繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合，以滑動(dòng)為主的向邊坡外側(cè)滑動(dòng)與繞墻踵向邊坡方向轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合，以轉(zhuǎn)動(dòng)為主的繞墻趾向邊坡外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)與向邊坡外側(cè)滑動(dòng)的耦合。

2) 當(dāng)?shù)卣鹆叶却笥赩II度時(shí)，重力式擋墻產(chǎn)生動(dòng)位移模式，且隨地震烈度增大，地震位移模式發(fā)生變化，地震位移模式的變化方式也發(fā)生變化。

3) 重力式擋墻地震位移模式及其變化方式隨邊坡條件、地震波類型的變化而變化。但是，邊坡條件、地震波類型對重力式擋墻相對位移的影響較小。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.04.020

* 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)工程材制造及應(yīng)用技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(HELFMTS1707)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404309，51408617)； 湖南省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目(2013ZDXK006)；中南林業(yè)科技大學(xué)引進(jìn)高層次人才科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(104-0094)

2015-12-16；

2016-03-09

TU435；TH825

文暢平，男，1965年1月生，博士、教授。主要研究方向?yàn)閹r土動(dòng)力學(xué)以及邊坡與支擋結(jié)構(gòu)抗震性能。曾發(fā)表《二級(jí)支護(hù)邊坡重力式擋墻地震動(dòng)力特性的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究》(《振動(dòng)工程學(xué)報(bào)》2014年第27卷第3期)等論文。 E-mail:wenchangping@163.com