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地震条件下桩板式挡墙地震动力响应特性模型试验研究 1 厚覆盖层和基岩边坡支挡结构的地震动力反应特性 桩板墙由加固桩开发，在我国广泛应用于路坡的保护和滑坡的处理。目前，对这种结构形式的静力条件下的地压进行了多研究，对抗疲劳性能和地震动力响应的研究相对滞后。姚令侃等通过对汶川地震区路基震害调查发现,桩板式挡墙在常用支挡结构中的震害相对较轻、抗震性能较优。近年来有学者开展过桩板式挡墙地震动力特性的研究工作,但对其地震动力响应特性的认识仍然不够深入。 建设中的云南大理—瑞丽(大瑞)铁路沿线有大量的基覆边坡(厚覆盖层和基岩边坡),需要采用各种支挡结构进行支护,其中桩板式挡墙与格构式锚杆框架护坡多级组合支护是其主要型式之一。该铁路位于滇西高烈度地震多发区,桩板式挡墙等支挡结构的地震动力特性及其抗震性能等,是设计人员关注的重点,也是本文的主要研究内容。 大型振动台模型试验因其能自由选择和精确再现各种地震波形、按照研究需要可灵活选择多个振动方向和振动方式、灵活布置各种传感器、自动和精确地采集试验数据等许多优点,并可根据研究需要随时调整试验方案等,因而是研究边坡与支挡结构地震动力反应特性的重要手段之一。鉴于此,在相关科研课题的支撑下,利用大型振动台模型试验,开展了一系列的支挡结构与边坡系统的地震动力反应特性的研究。 相关研究表明,支挡结构与边坡地震动力失稳,主要与地震加速度及其沿墙高分布方式有关,现行的支挡结构抗震设计规范所采用的拟静力法,将地震加速度惯性力简化为拟静力作用于研究对象上,但不考虑地震荷载沿墙高的放大效应。地震动土压力的估算是支挡结构抗震设计中的另一个重要项目,与静力条件下的土压力一样,同样与支挡结构位移模式及位移量有关,基于位移的支挡结构设计方法也主要依靠控制结构的位移进行抗震设计。因此,支挡结构在地震条件下的动土压力响应特性和动位移响应特性,关系到支挡结构地震动土压力的准确评价,及其动位移模式的分析研究。 本文基于其中的一个模型试验,研究桩板式挡墙在地震作用下的加速度动力响应、动位移响应和动土压力响应特性,以及地震动参数对其动力响应特性的影响等。 2 模型试验量表 试验在招商局重庆交通科研设计院有限公司结构动力学国家重点实验室进行,大型地震模拟振动台阵系统为德国SCHENCK公司生产,主要技术参数为:台面尺寸3 m×6 m(宽×长);最大载重350 k N;工作频段0.1~50.0 Hz;最大位移:水平向±150 mm;竖向:±100 mm;最大速度:水平向:±800 mm/s;竖向:±600 mm/s;最大加速度:水平和竖向±1g。模型试验的数据采集和分析系统为Dewetron2010动态测试仪。模型试验包括模型相似关系设计、模型设计与传感器布设、相似材料的选取与模型制作和安装、以及地震波选取及加载制度的确定等工作。 2.1 模型尺寸相似比 采用重力失真模型对模型的相似关系进行设计,并且以几何尺寸、密度和加速度做为模型试验的控制量,其相似常数分别取Cl=8,CP=1,Ca=1,即模型与原型尺寸的相似比为1∶8。按照相似理论和量纲分析方法,确定其余物理量的相似常数(见表1)。 2.2 模型及测点布置 模型试验模拟的原型边坡、岩土类型及其有关物理力学参数等,详见文畅平和杨果林的研究。边坡采用桩板式挡墙与格构式锚杆框架结构二级支护方式,护坡道上方边坡坡率为1∶1.25。 试验模拟的边坡高度为12 m,其中桩板式挡墙、格构式框架护坡各6 m。根据表1中的模型相似关系,模型边坡尺寸设计为150 cm×150 cm(高×宽),边坡坡率1∶1.25。边坡模型及测点位置见图1,桩板式挡墙见图2,格构式框架见图3。 模型试验所用的刚性模型箱,其制作材料、方法、内空尺寸及边界处理方法等,详见文畅平和杨果林的研究。模型箱的边界处理为:模型箱底板处理成摩擦边界;垂直于激振方向的模型箱内侧壁处理成柔性边界;平行于激振方向的模型箱两侧壁处理成滑动边界。 本文只分析桩板式挡墙的地震动力特性,因而在图1中只给出桩板墙上的传感器。所有传感器沿模型边坡中轴线纵剖面布设:在挡墙墙脚、墙中和墙顶布置3个水平向加速度计,编号分别为AH1~AH3。墙脚加速度计距基座顶面5 cm。在挡墙墙脚和墙顶处分别设置水平向动位移计,编号分别为DH1,DH2,距墙脚和墙顶距离分别为5 cm。墙背底、中和上部等处分别设置动土压力计,编号分别为F1~F3,距底部和上部距离均为6 cm。另外在台面、基座底面和顶面分别布设3个水平向和3个竖向加速度计,编号分别为AH–1~AH–3以及AV–1~AV–3。传感器型号说明见表2。 2.3 挡墙基础模型 模型土石料采用原型材料,但考虑其最大粒径的相似关系,控制试验土石混合料最大粒径不大于2 cm,土石质量比为4∶6。通过土工试验得到有关参数为: