格構(gòu)錨桿框架支護(hù)邊坡動(dòng)力響應(yīng)特性試驗(yàn)研究

格構(gòu)錨桿框架支護(hù)邊坡動(dòng)力響應(yīng)特性試驗(yàn)研究

在施工中，大型（li）-瑞（li）鐵路沿線有大量的基面邊坡（厚覆蓋層和巖石），應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施進(jìn)行維護(hù)。節(jié)點(diǎn)錨蓋結(jié)構(gòu)的保護(hù)邊緣是措施之一。該鐵路位于云南滇西地區(qū),屬于高烈度地震多發(fā)區(qū),因而需要對沿線的格構(gòu)錨桿框架支護(hù)邊坡在地震作用下的動(dòng)力特性進(jìn)行研究,為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。巖土邊坡動(dòng)力變形和破壞問題一直是巖土工程和地震工程主要的研究課題,研究方法主要有模型試驗(yàn)和數(shù)值分析。邊坡動(dòng)力模型試驗(yàn)方法主要有3種:爆炸模型試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。由于振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)是在地震模擬振動(dòng)臺(tái)上輸入設(shè)計(jì)地震波,直接由臺(tái)面推動(dòng)測取模型動(dòng)力特性,因而較好地模擬了地震動(dòng)力問題,并且能準(zhǔn)確再現(xiàn)地震波波形、自動(dòng)和精確地采集試驗(yàn)數(shù)據(jù),無限次地進(jìn)行地震模擬。盡管振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)難以解決重力相似問題,但仍然是研究邊坡與支擋結(jié)構(gòu)地震變形和破壞問題以及檢驗(yàn)數(shù)值分析結(jié)果的重要手段之一。由于通過大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)對邊坡和支擋結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力問題進(jìn)行的研究較少,本文作者以大瑞鐵路沿線格構(gòu)錨桿框架支護(hù)邊坡為研究對象,以汶川波作為設(shè)計(jì)輸入地震波,在邊坡模型中布置加速度、動(dòng)位移和動(dòng)土壓力傳感器,進(jìn)行大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)旨在研究地震作用下格構(gòu)錨桿框架支護(hù)邊坡的加速度動(dòng)力響應(yīng)、動(dòng)位移和動(dòng)土壓力響應(yīng)特性。1水平和豎直向最大加速度試驗(yàn)在重慶交通科研設(shè)計(jì)院橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,該試驗(yàn)室的地震模擬振動(dòng)臺(tái)為大型高性能3軸向6自由度寬頻域地震模擬臺(tái)陣系統(tǒng),單個(gè)臺(tái)面尺寸為3m×6m(寬×長),承載的最大試件質(zhì)量為350kN,工作頻率為0.1~50Hz,水平和豎直向最大位移分別為150mm和100mm,水平和豎直向最大速度分別為800mm/s和600mm/s,水平和豎直向最大加速度為1g(1g=9.8m/s2)。試驗(yàn)擬采集的數(shù)據(jù)包括:加速度、位移、土壓力,利用Dewetron2010動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集和存儲(chǔ)3種傳感器的響應(yīng)數(shù)據(jù)。1.1模型相似常數(shù)的確定本模型試驗(yàn)的控制量為幾何尺寸、密度和加速度,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,按照相似理論和量綱分析方法,確定其余物理量的相似常數(shù)如表1所示。1.2模型建立和測量點(diǎn)布置本模型試驗(yàn)?zāi)M的原型邊坡為大瑞鐵路DK10+400~DK11+535段基覆邊坡。該段邊坡地層為碎石土,其碎石為花崗片麻巖,最大粒徑為16~20cm,含量約65%,土質(zhì)為黏性土,屬Ⅲ級(jí)硬土。碎石土的天然重度γ=21kN/m3,黏聚力c=0Pa,內(nèi)摩擦角φ=35°。本試驗(yàn)?zāi)M邊坡高度為12m,坡度為1:1.25。根據(jù)表1的模型相似關(guān)系,模型邊坡尺寸設(shè)計(jì)為150cm(高)×150cm(寬),邊坡坡率1:1.25。試驗(yàn)采用鋼板、型鋼和有機(jī)玻璃制作的一端開口的剛性模型箱,內(nèi)空尺寸為340cm×150cm×210cm(長×寬×高)。邊坡模型及其詳細(xì)尺寸、模型箱和邊坡模型全貌分別如圖1~3所示。試驗(yàn)設(shè)置12個(gè)加速度傳感器,6個(gè)動(dòng)位移傳感器和4個(gè)動(dòng)土壓力傳感器,分別測定模型邊坡加速度動(dòng)力響應(yīng)、護(hù)坡動(dòng)位移和邊坡土體動(dòng)土壓力響應(yīng)特性。所有傳感器沿模型邊坡中軸線縱剖面布設(shè),01點(diǎn)距基座6cm,03點(diǎn)距坡頂10cm,其余測點(diǎn)位置見圖1。在格構(gòu)框架上的1,2和3點(diǎn)等處,設(shè)置的水平方向加速度傳感器編號(hào)為AH1,AH2,AH3;豎直方向的加速度傳感器編號(hào)為AV1,AV2,AV3;設(shè)置的水平方向動(dòng)位移傳感器編號(hào)為DH-1,DH-2,DH-3;豎直方向動(dòng)位移傳感器編號(hào)為DV-1,DV-2,DV-3。在坡內(nèi)的01,02和03點(diǎn)等處,設(shè)置的水平方向加速度傳感器編號(hào)為AH01,AH02,AH03;豎直方向的加速度傳感器編號(hào)為AV01,AV02,AV03;設(shè)置的水平方向動(dòng)土壓力傳感器編號(hào)分別為FH1,FH2,FH3。此外,在02點(diǎn)處增設(shè)豎直方向動(dòng)土壓力傳感器,編號(hào)為FV2。在臺(tái)面、基座底面和頂面分別布設(shè)了3個(gè)水平方向和3個(gè)豎直方向加速度傳感器,編號(hào)分別為AH-01,AH-2,AH-03以及AV-01,AV-02,AV-03。傳感器型號(hào)詳細(xì)說明見表2。1.3試驗(yàn)用土和土石的質(zhì)量比與土的最佳干密度的確定在模型箱底部澆注高度40cm的C25混凝土,其上再澆筑表面為圓弧面的C25混凝土,以模擬基質(zhì)巖層,并將錨桿預(yù)埋其中。試驗(yàn)用土為碎石土,土石質(zhì)量比為4:6,填筑壓實(shí)度為90%,碎石最大粒徑≤2cm,土的最大干密度ρdmax=2.18g/cm3,土的最佳含水量wopt=5.34%,c=6.2kPa,φ=34°。格構(gòu)框架梁截面為4cm的正方形,材料采用加氣微粒混凝土,設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為5MPa,混凝土內(nèi)鋼筋和錨桿以直徑4mm的鐵絲模擬。1.4地震波的加載試驗(yàn)采用的地震波有3種:汶川波、大瑞人工合成波和Kobe波。本文主要探討汶川波(2008,代號(hào)為WC)作用下,邊坡加速度動(dòng)力響應(yīng)、動(dòng)位移和動(dòng)土壓力響應(yīng)特性。汶川波分別采用水平單向(X向)、豎直單向(Z向)和水平豎直雙向(XZ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向和Z向見圖1所示,地震波的時(shí)間壓縮比為2.83。汶川波具有較豐富的高頻成分,在小于0.15s的短周期范圍內(nèi),其豎向反應(yīng)譜比水平規(guī)范譜大,而長周期范圍內(nèi)則小很多,其主震持時(shí)約為20s,主頻約為5Hz。汶川波加速度時(shí)程曲線見圖4。試驗(yàn)研究的地震烈度為VII~X,根據(jù)文獻(xiàn)[13-14],將相應(yīng)的加速度峰值調(diào)整為:0.1g,0.2g,0.4g和0.6g。試驗(yàn)在此基礎(chǔ)上增加了0.8g和1.0g2種工況,并采用逐級(jí)施加地震加速度的方式進(jìn)行。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),按X向峰值的2/3折減后逐級(jí)進(jìn)行加載。具體加載制度見表3。2加速度動(dòng)力響應(yīng)分析由于每次地震波加載后,臺(tái)面實(shí)測水平和豎直向加速度峰值與激振加速度峰值基本吻合,表明試驗(yàn)是可靠的。此外,由于混凝土基座對臺(tái)面水平和豎直加速度存在一定的放大效應(yīng),且豎直方向表現(xiàn)明顯,因此,在進(jìn)行模型加速度動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí),以臺(tái)面加速度傳感器響應(yīng)峰值作為控制點(diǎn)。以PGA的響應(yīng)峰值放大系數(shù)(AmplificationofPGA,記為PGAA)進(jìn)行邊坡模型加速度動(dòng)力響應(yīng)分析。規(guī)定:X向單向激振時(shí),PGAA為測點(diǎn)加速度響應(yīng)峰值與臺(tái)面X向響應(yīng)峰值實(shí)測值的比值;Z向單向激振時(shí),PGAA為測點(diǎn)加速度響應(yīng)峰值與臺(tái)面Z向響應(yīng)峰值實(shí)測值的比值;XZ雙向激振時(shí),X向PGAA為測點(diǎn)與臺(tái)面X向響應(yīng)峰值實(shí)測值的比值,Z向PGAA為測點(diǎn)與臺(tái)面Z向響應(yīng)峰值實(shí)測值的比值。2.1x向pga動(dòng)力響應(yīng)汶川波3種加載方式下,護(hù)坡和坡體內(nèi)各測點(diǎn)X向PGAA隨激振加速度的響應(yīng)規(guī)律如圖5和圖6所示,X向PGAA隨坡高的響應(yīng)規(guī)律如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可見:在X向激振下,6個(gè)測點(diǎn)的X向PGAA隨激振加速度增大呈現(xiàn)出非線性特征,坡體內(nèi)各測點(diǎn)的X向PGAA大于護(hù)坡,即坡內(nèi)動(dòng)力響應(yīng)強(qiáng)度大于坡面。護(hù)坡中下方(AH1和AH2)X向PGAA在激振加速度峰值A(chǔ)Xmax≤0.4g時(shí)小幅增大,AXmax>0.4g時(shí)小幅減小;上方(AH3)的X向PGAA在AXmax≤0.6g時(shí)隨激振加速度增大而增大,AXmax>0.6g時(shí)則小幅減小。對于坡體來說,邊坡中下部(AH01和AH02)X向PGAA變化平緩,而邊坡上部(AH03)則隨激振加速度增幅較大。高程對邊坡地震動(dòng)力響應(yīng)顯著,X向PGAA隨坡高表現(xiàn)出非線性增大的特征,但是,AXmax≤0.4g時(shí)增大的幅度小于AXmax≥0.6g時(shí)的情形。在Z向激振下,激振加速度峰值A(chǔ)Zmax≥0.267g時(shí)在邊坡中部和上部產(chǎn)生較大的水平方向加速度放大效應(yīng),且坡內(nèi)動(dòng)力響應(yīng)程度同樣比坡面的大。高程對邊坡地震動(dòng)力響應(yīng)也較為明顯,X向PGAA隨坡高同樣表現(xiàn)出非線性特征。除AZmax≤0.133g時(shí)護(hù)坡上方X向PGAA有減小的趨勢,其他加載方式下則隨坡高非線性增大。在XZ向激振下,只有當(dāng)AXmax≥0.6g時(shí)AH03的PGAA繼續(xù)增大外,其余加載條件下其他測點(diǎn)的PGAA變化不大。邊坡中下方坡內(nèi)外動(dòng)力響應(yīng)程度基本一致,而上方坡內(nèi)動(dòng)力響應(yīng)程度比坡面的強(qiáng)。從高程對邊坡水平地震動(dòng)力響應(yīng)特征來看,邊坡下部和中部響應(yīng)特征相同,即X向PGAA隨坡高而增大。邊坡上部響應(yīng)特征多變:護(hù)坡X向PGAA除AXmax=0.6g增大外,其余情況下都隨坡高而減小;坡體X向PGAA除AXmax≤0.2g減小外,其余情況則是隨坡高而增大。這與文獻(xiàn)[17-19]中的結(jié)論不完全一致。此外,汶川波XZ向激振下,各測點(diǎn)PGAA并不大于X向單向激振時(shí)的情形。通過上述分析得出:模型邊坡X向加速度的放大主要是由于水平方向地震波引起的,并且這種放大效應(yīng)主要體現(xiàn)在邊坡中上方,這與文獻(xiàn)[19-20]中的研究結(jié)論一致。豎直方向地震波在AZmax≥0.267g時(shí),也會(huì)對邊坡水平方向加速度產(chǎn)生較大的放大效應(yīng)。2.2不同坡高邊坡加速度動(dòng)力響應(yīng)分析汶川波3種加載方式下,護(hù)坡和坡體內(nèi)各測點(diǎn)Z向PGAA隨激振加速度的響應(yīng)規(guī)律如圖9和圖10所示,Z向PGAA隨坡高的響應(yīng)規(guī)律如圖11和圖12所示。從圖9~12可見:在X向激振下,邊坡上方Z向PGAA較為接近X向PGAA,其他測點(diǎn)也產(chǎn)生較大的豎直方向加速度響應(yīng),表明X向激振時(shí),水平和豎直方向都產(chǎn)生加速度動(dòng)力響應(yīng)。此時(shí)坡內(nèi)外加速度動(dòng)力響應(yīng)程度基本一致。Z向PGAA隨坡高響應(yīng)表現(xiàn)出非線性特征。邊坡中部Z向PGAA最小,上部最大,呈現(xiàn)出兩頭大中間小的特征。在Z向激振下,邊坡Z向PGAA總體上隨激振加速度增大而增大。AZmax≥0.4g時(shí)邊坡上部坡內(nèi)加速度動(dòng)力響應(yīng)強(qiáng)度比坡面的大;而對于中下部,坡內(nèi)動(dòng)力響應(yīng)強(qiáng)度總體上比坡面的小。Z向PGAA隨坡高響應(yīng)顯著且表現(xiàn)出非線性特征,其中AZmax≤0.267g時(shí)Z向PGAA隨坡高非線性減小,而AZmax≥0.4g時(shí)Z向PGAA隨坡高非線性增大。在XZ向激振下,豎直方向地震動(dòng)力響應(yīng)明顯,且比水平向動(dòng)力響應(yīng)程度顯著。Z向PGAA隨激振加速度非線性增大。坡內(nèi)動(dòng)力響應(yīng)程度總體上比坡面的弱。高程對邊坡豎直方向地震動(dòng)力響應(yīng)明顯,表現(xiàn)出非線性特征,AXmax≥0.4g時(shí)Z向PGAA隨坡高而增大。通過上述分析得出:模型邊坡Z向加速度的放大主要是由于豎直方向地震波引起的。但是水平方向地震波會(huì)對邊坡上部豎直方向加速度產(chǎn)生較大的放大效應(yīng)。3護(hù)坡滑動(dòng)位移響應(yīng)規(guī)律3.1調(diào)查問卷的動(dòng)位移響應(yīng)汶川波3種加載方式下,護(hù)坡各測點(diǎn)X向動(dòng)位移響應(yīng)規(guī)律如圖13和圖14所示。從圖13~14可見:X向激振下,各測點(diǎn)動(dòng)位移在激振加速度峰值A(chǔ)Xmax≤0.6g時(shí)響應(yīng)值較小,AXmax≥0.8g時(shí)動(dòng)位移響應(yīng)幅度較大且永久位移急劇增大。各測點(diǎn)的永久位移在AXmax≤0.6g時(shí)為負(fù)值,表明格構(gòu)框架梁向土體外側(cè)移動(dòng);AXmax>0.6g時(shí)都為正值,表明格構(gòu)框架梁在水平方向向土體方向移動(dòng)。在Z向激振下,動(dòng)位移響應(yīng)幅度較小,且永久位移的量值很小,表明格構(gòu)框架梁在X方向上的位移主要由X向激振波所產(chǎn)生。XZ向激振下,各測點(diǎn)動(dòng)位移在AXmax≤0.4g時(shí)響應(yīng)值較小,AXmax≥0.6g時(shí)動(dòng)位移響應(yīng)幅度較大,永久位移逐漸增大且增大的幅度顯著。此時(shí),各測點(diǎn)的動(dòng)位移響應(yīng)強(qiáng)度特性與X向激振時(shí)相同,但永久位移方向相反,表明護(hù)坡離開土體向外側(cè)移動(dòng),同時(shí)繞上端轉(zhuǎn)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明:動(dòng)位移響應(yīng)呈現(xiàn)出非線性特征。這種特性不僅與激振加速度峰值有關(guān),而且與測點(diǎn)位置、地震動(dòng)方向和持續(xù)時(shí)間、端部約束等諸多因素有關(guān)。3.2水平方向的地震波引起邊坡變形汶川波3種加載方式下,護(hù)坡各測點(diǎn)Z向動(dòng)位移響應(yīng)規(guī)律如圖15和圖16所示。從圖15~16可見:在X向激振下,激振加速度峰值A(chǔ)Xmax≤0.6g時(shí)各測點(diǎn)豎直方向永久位移較小。對測點(diǎn)永久位移數(shù)據(jù)分析表明:下端和上端向下移動(dòng),中部向上移動(dòng),發(fā)生彎曲變形。結(jié)合X方向的永久位移,格構(gòu)框架梁發(fā)生向土體方向的平移,同時(shí)向邊坡下方移動(dòng)。在Z向激振下,各測點(diǎn)豎直向動(dòng)位移響應(yīng)幅度比X向單向激振時(shí)更小,且永久位移遠(yuǎn)小于X向單向激振時(shí)的情形。因此,可以認(rèn)為護(hù)坡Z向位移主要由水平方向的地震波所引起。在XZ向激振下,動(dòng)位移豎直向響應(yīng)與X向單向激振時(shí)的情形相似。AXmax≤0.6g時(shí),各測點(diǎn)豎直方向永久位移較小,但是,比X向單向激振時(shí)稍大。由于下端Z向永久位移為負(fù)值,中部和上部為正值,結(jié)合X向永久位移,說明格構(gòu)框架梁在離開土體平移的同時(shí)繞上端轉(zhuǎn)動(dòng)。4激振波加速度響應(yīng)規(guī)律以激振加速度AXmax=0.6g時(shí)的動(dòng)土壓力響應(yīng)時(shí)程曲線(如圖17所示)為例,說明汶川波雙向激振時(shí)動(dòng)土壓力響應(yīng)規(guī)律。汶川波有2個(gè)加速度幅值較大的時(shí)段,動(dòng)土壓力響應(yīng)隨之出現(xiàn)了2次突變,且第1次突變比第2次顯著。地震動(dòng)使得邊坡產(chǎn)生殘余土壓力,其大小與測點(diǎn)位置、地震動(dòng)強(qiáng)度等因素有關(guān)。當(dāng)經(jīng)歷了較強(qiáng)的地震動(dòng)激振后,再經(jīng)歷同樣大小的激振時(shí)殘余土壓力突變不顯著,這也就是第2次突變?nèi)跤诘?次突變的原因。各測點(diǎn)動(dòng)土壓力隨激振加速度響應(yīng)規(guī)律如圖18所示,隨坡高的響應(yīng)規(guī)律見圖19所示。從圖19可見:在汶川波X向、Z向或XZ雙向激振下,各測點(diǎn)動(dòng)土壓力峰值總體上都隨激振波加速度的增大而增大;X向單向激振時(shí)各測點(diǎn)動(dòng)土壓力峰值總體上比Z向單向激振時(shí)的稍大。對FH2和FV2的數(shù)據(jù)分析表明:汶川波X單向或XZ雙向激振下,在激振加速度峰值A(chǔ)Xmax≤0.4g時(shí),水平方向和豎直方向動(dòng)土壓力峰值較接近;當(dāng)AXmax>0.4g時(shí),水平方向動(dòng)土壓力峰值遠(yuǎn)大于豎直方向。在Z向單向激振下,水平方向動(dòng)土壓力峰值同樣遠(yuǎn)大于豎直方向動(dòng)土壓力峰值。從動(dòng)土壓力在坡高上的響應(yīng)特征看:無論是X向、Z向單向激振或XZ雙向激振下,動(dòng)土壓力表現(xiàn)出非線性特征,當(dāng)AXmax≥0.4g(AZmax≥0.267g)時(shí),動(dòng)土壓力峰值的最大值都出現(xiàn)在坡中,呈現(xiàn)出兩頭小、中間大的非線性分布規(guī)律