格構(gòu)錨桿框架支護邊坡動力響應(yīng)特性試驗研究

格構(gòu)錨桿框架支護邊坡動力響應(yīng)特性試驗研究

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?shù)募夹g(shù)措施進行維護。節(jié)點錨蓋結(jié)構(gòu)的保護邊緣是措施之一。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)錨桿框架支護邊坡在地震作用下的動力特性進行研究,為工程設(shè)計提供科學依據(jù)。巖土邊坡動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和數(shù)值分析。邊坡動力模型試驗方法主要有3種:爆炸模型試驗、離心模型試驗和振動臺模型試驗。由于振動臺模型試驗是在地震模擬振動臺上輸入設(shè)計地震波,直接由臺面推動測取模型動力特性,因而較好地模擬了地震動力問題,并且能準確再現(xiàn)地震波波形、自動和精確地采集試驗數(shù)據(jù),無限次地進行地震模擬。盡管振動臺模型試驗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數(shù)值分析結(jié)果的重要手段之一。由于通過大型振動臺模型試驗對邊坡和支擋結(jié)構(gòu)的地震動力問題進行的研究較少,本文作者以大瑞鐵路沿線格構(gòu)錨桿框架支護邊坡為研究對象,以汶川波作為設(shè)計輸入地震波,在邊坡模型中布置加速度、動位移和動土壓力傳感器,進行大型振動臺模型試驗。試驗旨在研究地震作用下格構(gòu)錨桿框架支護邊坡的加速度動力響應(yīng)、動位移和動土壓力響應(yīng)特性。1水平和豎直向最大加速度試驗在重慶交通科研設(shè)計院橋梁工程結(jié)構(gòu)動力學國家重點實驗室進行,該試驗室的地震模擬振動臺為大型高性能3軸向6自由度寬頻域地震模擬臺陣系統(tǒng),單個臺面尺寸為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)。試驗擬采集的數(shù)據(jù)包括:加速度、位移、土壓力,利用Dewetron2010動態(tài)測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集和存儲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模型建立和測量點布置本模型試驗模擬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°。本試驗模擬邊坡高度為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)計為150cm(高)×150cm(寬),邊坡坡率1:1.25。試驗采用鋼板、型鋼和有機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)。邊坡模型及其詳細尺寸、模型箱和邊坡模型全貌分別如圖1~3所示。試驗設(shè)置12個加速度傳感器,6個動位移傳感器和4個動土壓力傳感器,分別測定模型邊坡加速度動力響應(yīng)、護坡動位移和邊坡土體動土壓力響應(yīng)特性。所有傳感器沿模型邊坡中軸線縱剖面布設(shè),01點距基座6cm,03點距坡頂10cm,其余測點位置見圖1。在格構(gòu)框架上的1,2和3點等處,設(shè)置的水平方向加速度傳感器編號為AH1,AH2,AH3;豎直方向的加速度傳感器編號為AV1,AV2,AV3;設(shè)置的水平方向動位移傳感器編號為DH-1,DH-2,DH-3;豎直方向動位移傳感器編號為DV-1,DV-2,DV-3。在坡內(nèi)的01,02和03點等處,設(shè)置的水平方向加速度傳感器編號為AH01,AH02,AH03;豎直方向的加速度傳感器編號為AV01,AV02,AV03;設(shè)置的水平方向動土壓力傳感器編號分別為FH1,FH2,FH3。此外,在02點處增設(shè)豎直方向動土壓力傳感器,編號為FV2。在臺面、基座底面和頂面分別布設(shè)了3個水平方向和3個豎直方向加速度傳感器,編號分別為AH-01,AH-2,AH-03以及AV-01,AV-02,AV-03。傳感器型號詳細說明見表2。1.3試驗用土和土石的質(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,并將錨桿預埋其中。試驗用土為碎石土,土石質(zhì)量比為4:6,填筑壓實度為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?；炷?設(shè)計抗壓強度為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,代號為WC)作用下,邊坡加速度動力響應(yīng)、動位移和動土壓力響應(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,其主震持時約為20s,主頻約為5Hz。汶川波加速度時程曲線見圖4。試驗研究的地震烈度為VII~X,根據(jù)文獻[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。試驗在此基礎(chǔ)上增加了0.8g和1.0g2種工況,并采用逐級施加地震加速度的方式進行。當X向加載時,按上述加速度峰值逐級加載;當Z向加載時,按X向峰值的2/3折減后逐級進行加載。具體加載制度見表3。2加速度動力響應(yīng)分析由于每次地震波加載后,臺面實測水平和豎直向加速度峰值與激振加速度峰值基本吻合,表明試驗是可靠的。此外,由于混凝土基座對臺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,在進行模型加速度動力響應(yīng)分析時,以臺面加速度傳感器響應(yīng)峰值作為控制點。以PGA的響應(yīng)峰值放大系數(shù)(AmplificationofPGA,記為PGAA)進行邊坡模型加速度動力響應(yīng)分析。規(guī)定:X向單向激振時,PGAA為測點加速度響應(yīng)峰值與臺面X向響應(yīng)峰值實測值的比值;Z向單向激振時,PGAA為測點加速度響應(yīng)峰值與臺面Z向響應(yīng)峰值實測值的比值;XZ雙向激振時,X向PGAA為測點與臺面X向響應(yīng)峰值實測值的比值,Z向PGAA為測點與臺面Z向響應(yīng)峰值實測值的比值。2.1x向pga動力響應(yīng)汶川波3種加載方式下,護坡和坡體內(nèi)各測點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個測點的X向PGAA隨激振加速度增大呈現(xiàn)出非線性特征,坡體內(nèi)各測點的X向PGAA大于護坡,即坡內(nèi)動力響應(yīng)強度大于坡面。護坡中下方(AH1和AH2)X向PGAA在激振加速度峰值A(chǔ)Xmax≤0.4g時小幅增大,AXmax>0.4g時小幅減小;上方(AH3)的X向PGAA在AXmax≤0.6g時隨激振加速度增大而增大,AXmax>0.6g時則小幅減小。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時增大的幅度小于AXmax≥0.6g時的情形。在Z向激振下,激振加速度峰值A(chǔ)Zmax≥0.267g時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)動力響應(yīng)程度同樣比坡面的大。高程對邊坡地震動力響應(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時護坡上方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AXmax≥0.6g時AH03的PGAA繼續(xù)增大外,其余加載條件下其他測點的PGAA變化不大。邊坡中下方坡內(nèi)外動力響應(yīng)程度基本一致,而上方坡內(nèi)動力響應(yīng)程度比坡面的強。從高程對邊坡水平地震動力響應(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[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PGAA并不大于X向單向激振時的情形。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[19-20]中的研究結(jié)論一致。豎直方向地震波在AZmax≥0.267g時,也會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力響應(yīng)分析汶川波3種加載方式下,護坡和坡體內(nèi)各測點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,其他測點也產(chǎn)生較大的豎直方向加速度響應(yīng),表明X向激振時,水平和豎直方向都產(chǎn)生加速度動力響應(yīng)。此時坡內(nèi)外加速度動力響應(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時邊坡上部坡內(nèi)加速度動力響應(yīng)強度比坡面的大;而對于中下部,坡內(nèi)動力響應(yīng)強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Z向PGAA隨坡高非線性減小,而AZmax≥0.4g時Z向PGAA隨坡高非線性增大。在XZ向激振下,豎直方向地震動力響應(yīng)明顯,且比水平向動力響應(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力響應(yīng)明顯,表現(xiàn)出非線性特征,AXmax≥0.4g時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護坡滑動位移響應(yīng)規(guī)律3.1調(diào)查問卷的動位移響應(yīng)汶川波3種加載方式下,護坡各測點X向動位移響應(yīng)規(guī)律如圖13和圖14所示。從圖13~14可見:X向激振下,各測點動位移在激振加速度峰值A(chǔ)Xmax≤0.6g時響應(yīng)值較小,AXmax≥0.8g時動位移響應(yīng)幅度較大且永久位移急劇增大。各測點的永久位移在AXmax≤0.6g時為負值,表明格構(gòu)框架梁向土體外側(cè)移動;AXmax>0.6g時都為正值,表明格構(gòu)框架梁在水平方向向土體方向移動。在Z向激振下,動位移響應(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,各測點動位移在AXmax≤0.4g時響應(yīng)值較小,AXmax≥0.6g時動位移響應(yīng)幅度較大,永久位移逐漸增大且增大的幅度顯著。此時,各測點的動位移響應(yīng)強度特性與X向激振時相同,但永久位移方向相反,表明護坡離開土體向外側(cè)移動,同時繞上端轉(zhuǎn)動。試驗結(jié)果表明:動位移響應(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),而且與測點位置、地震動方向和持續(xù)時間、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,護坡各測點Z向動位移響應(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時各測點豎直方向永久位移較小。對測點永久位移數(shù)據(jù)分析表明:下端和上端向下移動,中部向上移動,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,同時向邊坡下方移動。在Z向激振下,各測點豎直向動位移響應(yīng)幅度比X向單向激振時更小,且永久位移遠小于X向單向激振時的情形。因此,可以認為護坡Z向位移主要由水平方向的地震波所引起。在XZ向激振下,動位移豎直向響應(yīng)與X向單向激振時的情形相似。AXmax≤0.6g時,各測點豎直方向永久位移較小,但是,比X向單向激振時稍大。由于下端Z向永久位移為負值,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繞上端轉(zhuǎn)動。4激振波加速度響應(yīng)規(guī)律以激振加速度AXmax=0.6g時的動土壓力響應(yīng)時程曲線(如圖17所示)為例,說明汶川波雙向激振時動土壓力響應(yīng)規(guī)律。汶川波有2個加速度幅值較大的時段,動土壓力響應(yīng)隨之出現(xiàn)了2次突變,且第1次突變比第2次顯著。地震動使得邊坡產(chǎn)生殘余土壓力,其大小與測點位置、地震動強度等因素有關(guān)。當經(jīng)歷了較強的地震動激振后,再經(jīng)歷同樣大小的激振時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。各測點動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,各測點動土壓力峰值總體上都隨激振波加速度的增大而增大;X向單向激振時各測點動土壓力峰值總體上比Z向單向激振時的稍大。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,水平方向和豎直方向動土壓力峰值較接近;當AXmax>0.4g時,水平方向動土壓力峰值遠大于豎直方向。在Z向單向激振下,水平方向動土壓力峰值同樣遠大于豎直方向動土壓力峰值。從動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,動土壓力表現(xiàn)出非線性特征,當AXmax≥0.4g(AZmax≥0.267g)時,動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