地震條件下樁板式擋墻地震動(dòng)力響應(yīng)特性模型試驗(yàn)研究

地震條件下樁板式擋墻地震動(dòng)力響應(yīng)特性模型試驗(yàn)研究

1厚覆蓋層和基巖邊坡支擋結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力反應(yīng)特性樁板墻由加固樁開(kāi)發(fā)，在我國(guó)廣泛應(yīng)用于路坡的保護(hù)和滑坡的處理。目前，對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式的靜力條件下的地壓進(jìn)行了多研究，對(duì)抗疲勞性能和地震動(dòng)力響應(yīng)的研究相對(duì)滯后。姚令侃等通過(guò)對(duì)汶川地震區(qū)路基震害調(diào)查發(fā)現(xiàn),樁板式擋墻在常用支擋結(jié)構(gòu)中的震害相對(duì)較輕、抗震性能較優(yōu)。近年來(lái)有學(xué)者開(kāi)展過(guò)樁板式擋墻地震動(dòng)力特性的研究工作,但對(duì)其地震動(dòng)力響應(yīng)特性的認(rèn)識(shí)仍然不夠深入。建設(shè)中的云南大理—瑞麗(大瑞)鐵路沿線有大量的基覆邊坡(厚覆蓋層和基巖邊坡),需要采用各種支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù),其中樁板式擋墻與格構(gòu)式錨桿框架護(hù)坡多級(jí)組合支護(hù)是其主要型式之一。該鐵路位于滇西高烈度地震多發(fā)區(qū),樁板式擋墻等支擋結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力特性及其抗震性能等,是設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn),也是本文的主要研究?jī)?nèi)容。大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)因其能自由選擇和精確再現(xiàn)各種地震波形、按照研究需要可靈活選擇多個(gè)振動(dòng)方向和振動(dòng)方式、靈活布置各種傳感器、自動(dòng)和精確地采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)等許多優(yōu)點(diǎn),并可根據(jù)研究需要隨時(shí)調(diào)整試驗(yàn)方案等,因而是研究邊坡與支擋結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力反應(yīng)特性的重要手段之一。鑒于此,在相關(guān)科研課題的支撐下,利用大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),開(kāi)展了一系列的支擋結(jié)構(gòu)與邊坡系統(tǒng)的地震動(dòng)力反應(yīng)特性的研究。相關(guān)研究表明,支擋結(jié)構(gòu)與邊坡地震動(dòng)力失穩(wěn),主要與地震加速度及其沿墻高分布方式有關(guān),現(xiàn)行的支擋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范所采用的擬靜力法,將地震加速度慣性力簡(jiǎn)化為擬靜力作用于研究對(duì)象上,但不考慮地震荷載沿墻高的放大效應(yīng)。地震動(dòng)土壓力的估算是支擋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的另一個(gè)重要項(xiàng)目,與靜力條件下的土壓力一樣,同樣與支擋結(jié)構(gòu)位移模式及位移量有關(guān),基于位移的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法也主要依靠控制結(jié)構(gòu)的位移進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。因此,支擋結(jié)構(gòu)在地震條件下的動(dòng)土壓力響應(yīng)特性和動(dòng)位移響應(yīng)特性,關(guān)系到支擋結(jié)構(gòu)地震動(dòng)土壓力的準(zhǔn)確評(píng)價(jià),及其動(dòng)位移模式的分析研究。本文基于其中的一個(gè)模型試驗(yàn),研究樁板式擋墻在地震作用下的加速度動(dòng)力響應(yīng)、動(dòng)位移響應(yīng)和動(dòng)土壓力響應(yīng)特性,以及地震動(dòng)參數(shù)對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)特性的影響等。2模型試驗(yàn)量表試驗(yàn)在招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)陣系統(tǒng)為德國(guó)SCHENCK公司生產(chǎn),主要技術(shù)參數(shù)為:臺(tái)面尺寸3m×6m(寬×長(zhǎng));最大載重350kN;工作頻段0.1~50.0Hz;最大位移:水平向±150mm;豎向:±100mm;最大速度:水平向:±800mm/s;豎向:±600mm/s;最大加速度:水平和豎向±1g。模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)為Dewetron2010動(dòng)態(tài)測(cè)試儀。模型試驗(yàn)包括模型相似關(guān)系設(shè)計(jì)、模型設(shè)計(jì)與傳感器布設(shè)、相似材料的選取與模型制作和安裝、以及地震波選取及加載制度的確定等工作。2.1模型尺寸相似比采用重力失真模型對(duì)模型的相似關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì),并且以幾何尺寸、密度和加速度做為模型試驗(yàn)的控制量,其相似常數(shù)分別取Cl=8,CP=1,Ca=1,即模型與原型尺寸的相似比為1∶8。按照相似理論和量綱分析方法,確定其余物理量的相似常數(shù)(見(jiàn)表1)。2.2模型及測(cè)點(diǎn)布置模型試驗(yàn)?zāi)M的原型邊坡、巖土類型及其有關(guān)物理力學(xué)參數(shù)等,詳見(jiàn)文暢平和楊果林的研究。邊坡采用樁板式擋墻與格構(gòu)式錨桿框架結(jié)構(gòu)二級(jí)支護(hù)方式,護(hù)坡道上方邊坡坡率為1∶1.25。試驗(yàn)?zāi)M的邊坡高度為12m,其中樁板式擋墻、格構(gòu)式框架護(hù)坡各6m。根據(jù)表1中的模型相似關(guān)系,模型邊坡尺寸設(shè)計(jì)為150cm×150cm(高×寬),邊坡坡率1∶1.25。邊坡模型及測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1,樁板式擋墻見(jiàn)圖2,格構(gòu)式框架見(jiàn)圖3。模型試驗(yàn)所用的剛性模型箱,其制作材料、方法、內(nèi)空尺寸及邊界處理方法等,詳見(jiàn)文暢平和楊果林的研究。模型箱的邊界處理為:模型箱底板處理成摩擦邊界;垂直于激振方向的模型箱內(nèi)側(cè)壁處理成柔性邊界;平行于激振方向的模型箱兩側(cè)壁處理成滑動(dòng)邊界。本文只分析樁板式擋墻的地震動(dòng)力特性,因而在圖1中只給出樁板墻上的傳感器。所有傳感器沿模型邊坡中軸線縱剖面布設(shè):在擋墻墻腳、墻中和墻頂布置3個(gè)水平向加速度計(jì),編號(hào)分別為AH1~AH3。墻腳加速度計(jì)距基座頂面5cm。在擋墻墻腳和墻頂處分別設(shè)置水平向動(dòng)位移計(jì),編號(hào)分別為DH1,DH2,距墻腳和墻頂距離分別為5cm。墻背底、中和上部等處分別設(shè)置動(dòng)土壓力計(jì),編號(hào)分別為F1~F3,距底部和上部距離均為6cm。另外在臺(tái)面、基座底面和頂面分別布設(shè)3個(gè)水平向和3個(gè)豎向加速度計(jì),編號(hào)分別為AH–1~AH–3以及AV–1~AV–3。傳感器型號(hào)說(shuō)明見(jiàn)表2。2.3擋墻基礎(chǔ)模型模型土石料采用原型材料,但考慮其最大粒徑的相似關(guān)系,控制試驗(yàn)土石混合料最大粒徑不大于2cm,土石質(zhì)量比為4∶6。通過(guò)土工試驗(yàn)得到有關(guān)參數(shù)為:Pdmax=2.18g/cm3,wopt=5.34%,c=6.2kPa,φ=34°。模型底座和基巖采用強(qiáng)度等級(jí)為C25的混凝土現(xiàn)澆,并將錨桿按設(shè)計(jì)位置預(yù)埋基巖混凝土中。支擋結(jié)構(gòu)采用加氣微?；炷令A(yù)制,其設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為5MPa,鋼筋和錨桿采用直徑4mm的鍍鋅鐵絲。模型制作時(shí),首先將預(yù)制好的樁板式擋墻安放于基座預(yù)留凹槽內(nèi),空隙部分以碎石土填充并夯實(shí),在墻背和模型箱側(cè)壁標(biāo)注預(yù)埋動(dòng)土壓力計(jì)的位置,然后在圓弧面混凝土基巖上,填筑模型土。模型土的填筑壓實(shí)度為90%,分層填筑壓實(shí),每層松鋪厚度小于30cm。加速度計(jì)采用502膠與擋墻黏接固定。動(dòng)位移計(jì)固定在支架上,支架采用100mm的槽鋼與模型箱進(jìn)行焊接。動(dòng)土壓力計(jì)直接埋入邊坡填土中,在其與填土接觸面撒一薄層均勻細(xì)河沙,并將傳感器導(dǎo)線穿入塑料軟管之中,然后將周圍填土壓實(shí)。邊坡模型裝配完成后,總重力最大不超過(guò)300kN,小于振動(dòng)臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)荷重,模型邊坡全貌見(jiàn)圖4。2.4動(dòng)力特性分析試驗(yàn)過(guò)程模型試驗(yàn)選用汶川波、大瑞波和Kobe波作為振動(dòng)臺(tái)的輸入波,時(shí)間壓縮比均為2.83。其中大瑞波是根據(jù)大瑞鐵路沿線地區(qū)的土層特性構(gòu)造的人工合成地震波。圖5~7分別汶川波、大瑞波和Kobe波的加速度時(shí)程曲線及其傅氏譜。汶川波傅氏譜頻率范圍最寬,Kobe波的傅氏譜頻率范圍最小,大瑞人工合成波的頻率范圍居中。汶川波采用X向單向、Z向單向和XZ雙向(由X和Z向合成)3種方式加載,代號(hào)分別為:WC_X,WC_Z和WC_XZ。激振方向X和Z向見(jiàn)圖1所示。大瑞人工波和Kobe波都采用XZ雙向一種方式加載,代號(hào)分別為DR_XZ和K_XZ。試驗(yàn)研究的地震烈度為VII~X,根據(jù)相關(guān)規(guī)范,將相應(yīng)的加速度峰值調(diào)整為0.1g,0.2g,0.4g和0.6g。當(dāng)X向加載時(shí),按上述加速度峰值逐級(jí)加載;當(dāng)Z向加載時(shí),考慮到豎向地震較少與水平向地震同時(shí)達(dá)到加速度峰值,因而按X向加速度峰值的2/3折減后逐級(jí)進(jìn)行加載。試驗(yàn)開(kāi)始前和結(jié)束后,以及試驗(yàn)過(guò)程中輸入臺(tái)面的X向加速度峰值改變時(shí),都進(jìn)行時(shí)間長(zhǎng)度不小于48s的高斯平穩(wěn)白噪聲(代號(hào)為WN_XZ)激振的微震試驗(yàn),以觀察模型的動(dòng)力特性變化情況。試驗(yàn)除白噪聲外共20個(gè)工況,具體加載制度見(jiàn)表3。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1加速度響應(yīng)結(jié)果采用加速度響應(yīng)峰值和加速度放大系數(shù)2個(gè)指標(biāo),對(duì)模型加速度動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行分析。加速度放大系數(shù)的計(jì)算控制點(diǎn)為臺(tái)面加速度傳感器響應(yīng)峰值:X向單向激振時(shí),加速度放大系數(shù)為測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)峰值與臺(tái)面測(cè)點(diǎn)X向響應(yīng)峰值的比值;Z向單向激振時(shí),加速度放大系數(shù)為測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)峰值與臺(tái)面測(cè)點(diǎn)Z向響應(yīng)峰值的比值;XZ雙向激振時(shí),X,Z向加速度放大系數(shù)分別為測(cè)點(diǎn)與臺(tái)面X,Z向響應(yīng)峰值實(shí)測(cè)值的比值。圖8給出了測(cè)點(diǎn)AH1分別在汶川波X,Z向和XZ雙向、大瑞波XZ雙向和Kobe波XZ雙向激振下,激振加速度峰值為0.4g時(shí)的加速度響應(yīng)時(shí)程曲線。各加載工況下,加速度放大系數(shù)沿墻高分布情況見(jiàn)圖9,加速度放大系數(shù)沿墻高呈現(xiàn)出非線性增大的特征。(1)各測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù),在汶川波X向單向激振時(shí)為1.016~1.671;Z向單向激振時(shí)為0.180~1.768,僅在激振加速度峰值為0.4g時(shí)樁頂放大,放大系數(shù)為1.768;XZ雙向激振時(shí)為0.756~2.015;大瑞波XZ雙向激振時(shí)為0.778~1.298;Kobe波XZ雙向激振時(shí)為0.887~1.718。(2)汶川波各加載工況下,XZ雙向激振時(shí),樁上各測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)是X向單向激振時(shí)的0.88~1.11倍,較為接近,是Z向單向激振時(shí)的1.05~5.53倍。上述試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明:汶川波XZ雙向激振時(shí),樁板墻加速度動(dòng)力響應(yīng)峰值稍大于X向單向激振,而Z向單向激振時(shí)加速度響應(yīng)峰值最小。擋墻主要由于水平向地震波的作用產(chǎn)生加速度動(dòng)力響應(yīng)。(3)大瑞波XZ雙向激振時(shí),各測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)是汶川波XZ雙向激振時(shí)的0.63~0.96,是汶川波X向激振時(shí)的0.59~0.96倍,說(shuō)明大瑞波XZ雙向激振時(shí),擋墻加速度動(dòng)力響應(yīng)峰值小于汶川波XZ雙向和X向激振。(4)Kobe波XZ雙向激振時(shí),各測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)是汶川波XZ雙向激振時(shí)的0.79~0.98,是汶川波X向激振時(shí)的0.78~1.03倍,是大瑞波XZ雙向激振時(shí)的1.03~1.48。說(shuō)明Kobe波XZ雙向激振時(shí),擋墻加速度動(dòng)力響應(yīng)峰值小于汶川波XZ雙向激振,且總體上小于汶川波X向激振,大于大瑞波XZ雙向激振。從上述分析可以得出:擋墻的加速度放大效應(yīng)與地震波類型、激振方向以及測(cè)點(diǎn)位置有關(guān)。(5)當(dāng)激振加速度峰值不大于0.4g(即地震烈度不大于9度)時(shí),汶川波X向、大瑞波XZ雙向和Kobe波XZ雙向激振所產(chǎn)生的加速度放大倍數(shù)的平均值基本相同,為1.17左右,而汶川波XZ雙向激振加速度放大系數(shù)平均值為1.30。因此在采用擬靜力法確定地震荷載時(shí),擬靜力地震系數(shù)的放大系數(shù)可取1.20~1.30。3.2激振加速度時(shí)程根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械膭?dòng)位移計(jì)與擋墻的相對(duì)位置,確定位移方向?yàn)?向著土體方向移動(dòng)的位移為“+”,離開(kāi)土體向外側(cè)移動(dòng)的位移為“-”。以動(dòng)位移響應(yīng)峰值和永久位移值,研究樁板式擋墻水平向動(dòng)位移響應(yīng)特性。永久位移值是指各加載工況后,擋墻所產(chǎn)生的實(shí)際位移值。圖10給出了測(cè)點(diǎn)DH1分別在汶川波X,Z向和XZ雙向、大瑞波XZ雙向和Kobe波XZ雙向激振下,激振加速度峰值為0.4g時(shí)動(dòng)位移響應(yīng)時(shí)程曲線。各加載工況下,樁板式擋墻的動(dòng)位移響應(yīng)峰值隨激振加速度峰值的增大而增加(見(jiàn)圖11)。地震動(dòng)位移響應(yīng)特性及動(dòng)位移模式分析如下:(1)汶川波X向激振,且激振加速度峰值不大于0.4g時(shí),各測(cè)點(diǎn)的永久位移值為負(fù)值,墻頂永久位移與墻底接近,表明墻體在水平方向離開(kāi)土體方向平移的動(dòng)位移模式,轉(zhuǎn)動(dòng)量較小;當(dāng)激振加速度峰值為0.6g時(shí),墻體永久位移值為正值,表明此時(shí)墻體產(chǎn)生擠向土體方向平移的動(dòng)位移模式。(2)汶川波Z向激振時(shí),各測(cè)點(diǎn)的永久位移值小于X向激振,樁頂永久位移值接近0。說(shuō)明樁板墻水平方向的動(dòng)位移主要由水平向地震波所產(chǎn)生。(3)汶川波XZ雙向激振時(shí),樁板墻主要產(chǎn)生負(fù)永久位移值,樁頂?shù)挠谰梦灰浦蹬c樁底接近,說(shuō)明支擋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生離開(kāi)土體向外側(cè)平移的動(dòng)位移模式。(4)大瑞波XZ雙向激振時(shí),樁板墻主要產(chǎn)生負(fù)永久位移值,樁頂?shù)挠谰梦灰浦蹬c樁底接近,說(shuō)明支擋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生離開(kāi)土體向外側(cè)平移的動(dòng)位移模式。這與汶川波XZ雙向激振時(shí)相同。(5)Kobe波XZ雙向激振時(shí),擋墻動(dòng)位移響應(yīng)峰值小于大瑞波和汶川波,且樁頂永久位移值接近0。3.3墻高分布特性地震動(dòng)土壓力是指不考慮靜力作用、由地震引起的增加的土壓力。圖12給出了測(cè)點(diǎn)F2分別在汶川波X,Z向和XZ雙向、大瑞波XZ雙向和Kobe波XZ雙向激振下,水平向、豎向激振加速度峰值分別為0.4g和0.267g時(shí)的動(dòng)土壓力響應(yīng)時(shí)程曲線。動(dòng)土壓力響應(yīng)峰值沿墻高分布特性見(jiàn)圖13。(1)在汶川波X,Z向和XZ雙向,以及大瑞波XZ雙向和Kobe波XZ雙向激振下,各測(cè)點(diǎn)動(dòng)土壓力響應(yīng)峰值都隨激振加速度峰值的增大而增大。(2)汶川波Z向單向激振時(shí),動(dòng)土壓力峰值小于X向單向激振時(shí)的0.55倍(個(gè)別測(cè)點(diǎn)除外)。汶川波XZ雙向激振時(shí)的動(dòng)土壓力響應(yīng)峰值總體上稍大于X向激振,且并不是X向和Z向激振時(shí)的疊加,說(shuō)明動(dòng)土壓力主要由水平向地震波所產(chǎn)生,以水平向地震作用計(jì)算動(dòng)土壓力是能滿足設(shè)計(jì)要求的。(3)在3種地震波激振下,動(dòng)土壓力響應(yīng)特性一致,即動(dòng)土壓力響應(yīng)峰值沿墻高分布呈現(xiàn)出兩頭小中間大的非線性分布特征。目前工程實(shí)踐中采用線性分布來(lái)計(jì)算地震土壓力,非線性分布方式將對(duì)土壓力合力作用點(diǎn)位置的確定產(chǎn)生影響。4地震荷載放大系數(shù)的確定方法(1)樁板式擋墻加速度動(dòng)力響應(yīng)主要由于水平向地震波的作用而產(chǎn)生,其響應(yīng)峰值相對(duì)于激振加速度峰值產(chǎn)生放大效應(yīng),這種放大效應(yīng)與地震波類型及其作用方式等有關(guān),且呈現(xiàn)出