水平地震作用下绿色加筋格宾挡土墙动力特性试验研究
李昀，杨果林，林宇亮
(中南大学 土木建筑学院，湖南 长沙，410075)
摘 要：设计并完成了1?2.5比例尺的绿色加筋格宾挡土墙大型模型试验。试验模型长×宽×高为3.00 m× 0.85 m×2.00 m，坡角为70?，填料采用工程现场所用的红砂岩材料制备。双绞合六边形金属格宾网由聚氯乙烯 (PVC)包裹，并镀锌防腐，网面单元长×宽为80 mm×100 mm。通过输入不同类型和幅值的地震波激励，探讨地震作用下模型挡墙的动力特性与动力响应规律。试验结果表明：绿色加筋格宾挡土墙对输入加速度有明显的放大效应；沿墙高方向，水平加速度放大倍数的增量比较平缓，随着墙高的增大，水平加速度有增大趋势；在不同类型地震波作用下，加速度响应有明显差异；墙面板的水平加速度放大倍数随振幅增大呈现明显的递减趋势，基本上呈线性变化；竖向加速度峰值响应在墙面及墙顶显著增大，可达到台面水平加速度峰值的50%左右。
关键词：绿色加筋格宾挡土墙；双绞合六边形金属格宾网；红砂岩；动力特性
中图分类号：U213.1+52.2 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2010)01-0347-06
Dynamic characteristics of green reinforced gabion walls subjected to horizontal seismic loading
LI Yun, YANG Guo-lin, LIN Yu-liang
(School of Civil and Architectural Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: A large-scale model test of green reinforced gabion walls with the scale of 1?2.5 was introduced. The model wall filled with red sandstone was built with length of 3.00 m, height of 2.00 m, width of 0.85 m, and a slope angle of 70?. PVC-coated heavy galvanization of double twisted hexagonal wire mesh was used in the test, and the wire mesh specimens were 80 mm×100 mm. A series of tests were performed with different input seismic wave kinds and amplitudes. The dynamic characteristics and dynamic responses of model wall under horizontal seismic loading were discussed. The results show that there is a significant amplification effect of input acceleration in green reinforced gabion walls. The increment slope of horizontal acceleration magnification times are flatter with the wall height. With the increase of high wall, there is an augmentation trend to horizontal acceleration. Acceleration response has significant difference under the function of different types of seismic waves. The magnification times of lateral acceleration tend are less obvious with the increase of amplitude, and the whole change shows a mainly linear stage. Vertical acceleration peaks both in the wall face and at the top of the wall increase greatly, reaching about 50% of lateral acceleration peak of table.
Key words: green reinforced gabion walls; double twisted hexagonal wire mesh; red sandstone; dynamic characteristics
我国地处环太平洋地震带和喜玛拉雅－地中海地震带之间，是多震灾国家。历史上在邢台、唐山、通海、昭通、甘孜、海城、海原、华县等地区发生过比较严重的地震[1]。最近，四川汶川发生的8.1级地震造成的生命和财产损失巨大，同时，造成交通几乎全部瘫痪。为了尽量减少地震对人类带来的损失，一个重要的方面就是进行工程抗震。地震工程研究的根本任务是了解强地震对工程的破坏作用和工程结构在地震作用下的破坏机制。在岩土工程方面，一些研究者就加筋土挡墙的抗震性能进行了一系列模型试验及数值分析，如甘亚南等[2]研究了双面加筋挡土墙结构在高烈度地震区的动力行为，得出了加速度放大倍数与加筋土中筋的含量有很大关系；程火焰等[3]通过振动台试验及非线性有限元法探讨了加筋土挡土墙抗震动力特性，研究表明地震动力对加筋材料与土体间的摩擦因数的影响随加速度增大而明显减弱；刘华北[4]通过数值模拟研究了水平与竖向地震作用下各种设计参数对土工格栅加筋土挡墙动力响应的影响。这些数值分析总结出的规律在地震发生时是否真实存在，仍有待实际震害或试验验证。目前，在绿色加筋格宾挡土墙的动力特性和动力响应研究方面，很少有大型模型抗震试验的报道。为此，本文作者以潭衡(湖南湘潭—衡阳)西线高速公路及武广(武汉—广州)客运专线新型支挡结构为工程背景，设计并完成绿色加筋格宾新型支挡结构动力特性与动力响应的大型抗震模型试 验，分析地震作用下挡墙动力特性与动力响应的变化规律。
1 绿色加筋格宾挡土墙模型试验
试验在中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室的电液伺服加载系统上进行。最大负载为50 t，最大加速度为1.0g(1g =9.8 m/s2)，最大速度为0.4 m/s，最大位移为±250 mm。
1.1 相似关系设计
模型试验结果的可靠性取决于试验模型是否真实地再现原型结构体系的实际工作状态。由于土体材料的物理力学性质十分复杂，在应变水平较低时就开始出现非线性，并且其性质随土体的组分、应力状态、荷载水平和加载频率、历时和历史等的不同而变化，很难找到一种能全面考虑这些特性和影响因素的模拟材料。因此，本试验采用工程现场所用的红砂岩为模型材料，以模型长度、密度和加速度为控制量，按Bockingham π定理导出各物理量之间的相似关系。模型主要相似常数见表1。
表1 模型主要相似常数
Table 1 Primary similitude coefficients of model
1.2 模型设计与测点布置
本试验所用模型箱长为3.00 m，宽为0.85 m，高为2.00 m，如图1所示。它是1个由钢板、角钢、槽钢等焊接而成的框架，底面、1个侧面、1个端面用钢板固定在角钢上，为了减少内壁摩擦阻力, 内贴镀锌铁皮。另一个侧面用钢化有机玻璃固定在角钢上，1个端面用于制作新型挡墙墙面，在墙顶施加竖向荷载，在模型箱端部靠近底板水平位置制作成与作动器连接的连接件，用美国MTS(Mechanical testing system)公司生产的伺服作动器给绿色加筋格宾挡土墙施加水平地震荷载[5-6]。
图1 模型箱及模型挡墙
Fig.1 Model box and model retaining wall
在模型箱内模拟工程实际情况，按比例尺分5层填筑每层高度为0.4 m的加筋格宾挡墙。
绿色加筋格宾挡墙模型尺寸及测量仪器如图2所示，绿色加筋格宾笼组合成型构件如图3所示。绿色加筋格宾网为意大利MACCAFERRI公司的产品，它是由长×宽为80 mm×100 mm的双绞合钢丝网格构成，其镀层钢丝中网丝直径为2.2 mm，由生物垫、焊接金属网面板等组成，绿色加筋格宾的面墙形成与水平面成70?的坡面。绿色加筋格宾作为一种生态型加筋技术，施工时，在面墙钢丝内侧铺椰棕植生垫，只需人工植入枝条或藤曼草种，稍加养护，坡面绿化即可自然形成。格宾网筋材试验[7]结果如表2所示。
图2 模型尺寸及测量仪器
Fig.2 Model sizes and distribution of measuring instrument
图3 绿色加筋格宾笼组合成型构件
Fig.3 Green reinforced gabion combination component
表2 格宾网筋材试验结果
Table 2 Test results of wire mesh
在绿色加筋格宾单元中间隔板与面板结合的上部及底部应采用钢环加固，其他相邻面板结合处应每隔200 mm使用钢环。相邻面板间的连接应确保表面平整以利于填充。绿色加筋格宾单元应按照既定要求的坡比摆放在指定位置。利用通常的紧固工具将三角形支撑钢架旋转至指定角度后固定在底板(绞合钢丝或钢环)上。相邻绿色加筋格宾单元的生物垫应保证交叠100 mm，以保证后部的土壤不会暴露出来。当一层土壤回填完毕后，应采用手工铁铲将表面基本整平以利于压实。绿色加筋格宾结构最上层单元上面板在回填完成后向内折叠时，应埋入土中约300 mm。
填料采用潭衡西线高速公路十二标现场所用的红砂岩，其主要物理力学性性能如表3所示。填筑时，保证红砂岩填筑时的压实率达到95%以上。
表3 红砂岩的主要物理性能指标
Table 3 Index properties of red sandstone
在进行动力特性参数测量时，在第1层、第3层和第5层墙顶面板上分别布置941B型拾震器(1个水平、1个竖向)，用DASP数据采集系统对数据进行自动采集。为测量动应力的分布情况，在加筋挡墙中共埋设动土压力盒，在墙面安置百分表，用于测试其累计变形与沉降量[8-10]。
2 试验设备及方法
绿色加筋格宾挡土墙模型试验采用美国MTS公司生产的500 kN伺服激振器模拟地震荷载，试验时对模型箱底板面施加水平地震波激振力。输入地震波采用ELCETRO波(即ELCE波，NS向)和HACHINOHE波(即HACHI波，EW向)，加速度峰值分别为0.342g 和0.183g(其中，g为重力加速度，1g=9.8 m/s2)。地震时，地面水平运动加速度一般比竖向地面运动加速度大，而结构物通常抵抗竖向荷载的能力比抵抗侧向变形的能力强[11-14]，因此，在很多情况下，主要是考虑水平地震作用的影响。为探讨水平地震荷载对加筋土挡墙动力响应的影响，本试验进行了不同峰值的水平地震激励(ELCE＿NS地震波加速度分别为0.17g，0.34g，0.51g和0.68g，HACHI＿EW地震波加速度分别为0.09g，0.18g，0.27g和0.36g)，参照建筑抗震设计规范[15]进行。
3 水平抗震试验结果及分析
绿色加筋格宾挡墙在不同峰值的水平地震激励下的第1层、第3层和第5层墙顶面处的水平加速度、竖向加速度、水平动位移、竖向动位移响应峰值如表4和表5所示，竖向动应力响应峰值如表6和表7所示，沿墙高方向动应力响应峰值如图4所示。从表4~7及图4可见：
表4 ELCE＿NS地震波的加速度和位移响应峰值
Table 4 Peaks of acceleration and displacement response of ELCE＿NS earthquake wave
表5 HACHI＿EW地震波的加速度和位移响应峰值
Table 5 Peaks of acceleration and displacement response of HACHI＿EW earthquake wave
表6 ELCE＿NS地震波的动应力响应峰值
Table 6 Peaks of dynamic stress response of ELCE＿NS earthquake wave
表7 HACHI＿EW地震波的动应力响应峰值
Table 7 Peaks of dynamic stress response of HACHI＿EW earthquake wave
(a) ELCE＿NS地震波; (b) HACHI＿EW地震波
图4 沿墙高方向动应力响应峰值
Fig.4 Peaks of dynamic stress response with the wall height
(1) 绿色加筋格宾挡土墙具有很好的抗震性能，在加速度大于0.6g的地震激励下，加筋土挡土墙并没有出现明显破坏。
(2) 绿色加筋格宾挡土墙对输入加速度有明显的放大效应。沿墙高方向水平加速度放大倍数的曲线斜率比较平缓，随着墙高的增大，水平加速度有增大的趋势。各质点对ELCE＿NS地震波的放大倍数为1.00~1.86，对HACHI＿EW地震波的放大倍数为1.00~2.12。由此可见，在不同地震波作用下，加速度响有明显的差异。其原因在于各种地震波的频谱特性存在较大的差异。
(3) 墙面板的水平加速度放大倍数随振幅增大呈现明显的递减趋势，基本上呈线性变化。一个理想的具有线弹性和线性阻尼的系统无论其输入的加速度是多大，其放大曲线变化规律都是一致的，这种现象可能与土的剪应变增大、刚度降低和阻尼增大有关。随着输入地震动强度的增加，土体表现出明显的非线性特性，土层的滤波作用逐渐增强，这样，使加速度峰值有递减趋势。
(4) 在水平地震激励下，对竖向位移特性影响不大，竖向位移沿墙高慢慢变小，在墙底时最大；水平位移随输入加速度的增加而增加，但曲线斜率变得平缓；竖向加速度随输入加速度的增加而增加。
(5) 当输入水平ELCE＿NS地震波时，其竖向加速度峰值可达到台面输入水平加速度的47%~62%；当输入水平HACHI＿EW地震波时，其竖向加速度峰值可达到台面输入水平加速度的44%~69%。
台面输入的地震波沿挡墙向上传播时，由于土体材料和挡墙临空面的作用，挡墙内及墙面各点的加速度反映时程与台面输入的加速度进程不一样。这种不同主要表现在如下3个方面：① 挡墙所遭受的地震动强度与台面输入地震动强度不同，墙面各测点峰值加速度响应沿墙面向上显著放大；② 由于墙面对输入地震动的反射作用，产生了大量不同方向和不同类型的反射波；③ 墙面各点地震动所包含的频谱成分与输入地震动存在明显的差异。
由弹性波散射理论可知：墙底垂直入射的SV波传播到墙面时将产生波场分裂现象，分解为同类型的反射SV波和新类型的反射P波(转换波)，各种类型的波相互叠加形成复杂的地震波场，使加速度响应在墙面及墙顶显著增大。
(6) 动应力响应峰值随着输入加速度的增加而增加，且曲线斜率变得越来越大；在墙高H/2以下，动应力沿墙高方向变化不大，在墙高H/2处，动应力最小；随着墙高的增大，动应力也随之增加，在墙高3H/4处达到最大。这说明水平地震波对绿色加筋格宾挡土墙所造成的最大损伤在离墙顶H/2以内。
4 结论
(1) 绿色加筋格宾挡土墙对ELCE＿NS地震波的放大倍数为1.00~1.86，对HACHI＿EW地震波的放大倍数为1.00~2.12。
(2) 墙面板的水平加速度放大倍数随输入地震波振幅增大呈现明显的递减趋势。
(3) 绿色加筋格宾结构为优良的抗震结构。由于绿色加筋格宾结构为柔性结构，当遭遇强烈地震时，结构能够发生弹塑性变形，具备较强的抗震能力、变形能力和消耗地震能量的能力，不容易发生倒塌等工程事故，结构具有良好的抗震性能。
(4) 绿色加筋格宾结构具有优良的抗振构造。绿色格宾挡墙的上、下层网面之间的可靠抗震构造满足抗震设防的要求。
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收稿日期：2008-12-11；修回日期：2009-03-18
基金项目：湖南省交通厅科技项目(200612)
通信作者：李昀(1975-)，男，湖南邵阳人，博士研究生，从事新型支挡结构理论与应用研究；电话：0731-82656476；E-mail: liyun2007@mail.csu.edu.cn
(编辑 陈灿华)
