毛海君，马学宁

加筋土挡土墙地震响应分析

*毛海君，马学宁

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃，兰州 730070）

加筋土挡土墙是一种新型支挡结构，通过采用振动台对牛皮纸、硬塑料和胶带三种筋带的加筋土挡土墙模型进行了不同加速度峰值下的振动试验，得到了加筋土挡墙模型面板的加速度、动位移、筋带动应变增量随挡墙高度的变化规律。从而分析不同筋带对加筋土挡墙抗震性能的影响。

加筋土挡土墙；模型试验；加速度；抗震性能

0 引言

我国是一个多地震国家，且地震频繁而强烈[1]。在近几年发生的多次大型地震中，加筋土挡土墙的抗震性能得到了充分的证明。加筋土挡土墙具有抗震性能好、安全、经济等优点。因此随着我国西部大开发的开展，加筋土挡土墙则在高烈度地震区域的交通、城建及水利等领域的应用也越来越广泛[2]。2002年云南省昆明理工大学[3]进行了课题“土工格栅加筋材拉出特性的实验研究”，并进行了小型的震动台模型试验。胡小明等人[4]在2002年做了加筋土挡墙的离心模型试验，他们试验的墙后填土采用黄土，而且加筋的方式采用双面加筋，通过离心试验有效地模拟了原型的应力状态，并且确定了黄土的压实度对加筋土挡墙的动力特性的影响。Hatami and Bathurst[5]采用FLAC进行数值模拟，讨论了一些结构设计参数对加筋挡土墙固有频率的影响。Ling et al[6]同时考虑土体采用合适的塑性模型，土工格栅采用边界面模型，分析加筋土挡土墙的动力特性。但目前加筋土挡墙地震反应特性和抗震机理仍没有圆满的解答，研究成果远远不能满足其在地震地区的应用需要[7-8]。因此，对支挡结构进行抗震试验，研究支挡结构的抗震性能，为指导支挡结构进行抗震设计具有重要的理论和实际意义。本文主要通过进行室内模型试验来分析加筋土支挡结构的抗震性能。

1 加筋土挡土墙抗震模型试验设计

1.1 模型相似关系设计

表1 物理量相似关系[10]

1.2 加筋土挡墙模型制作

考虑振动台荷载量程，采用1.2 cm厚木板制作模型试验箱，模型箱如图1(a)所示，模型箱总重2.47 kg。模型箱与振动台采用螺栓固定，具体固定示意图如1(b)所示。

若假定填土最大容重为21.5 kN/m3，忽略筋带与面板质量，模型与模型箱最大总重量为23.97 kg，处于振动台量程范围内。

图1模型箱

1.2.1 筋带

模型中筋带长为16 cm，由几何相似系数N=25，即可以模拟原型筋带长度为4 m的加筋土挡墙。筋带采用牛皮纸带、硬塑料带、胶带三种材料进行试验，为得到筋带的弹性模量和抗拉极限强度[11-13]，本文设计如下图2简易装置进行量测。

图2 简易拉拔试验装置

如图2，试验采用逐级加砝码的方式进行加载，通过静态应变采集仪对不同荷载下筋带的应变进行记录。上述简易拉拔装置对牛皮纸带的试验效果好，但因胶带和硬塑料带模量较低，其产生应变量过大，超过应变片量程，所以无法直接测得应变片应变。为此采用直接量测法测得筋带变形量，算得筋带应变。

拉拔试验中，筋带的长度为15 cm，宽度为1 cm，牛皮纸带、硬塑料带、胶带的厚度分别为0.11 mm、0.09 mm、0.05 mm。由筋带厚度、宽度可计算得筋带截面面积，从而将受拉荷载转换为筋带拉应力。三种筋带拉拔试验下，筋带的材料的拉拔试验曲线如图3所示。

图3 拉拔试验曲线

由拉拔试验曲线可知：

1)牛皮纸带为脆性材料，没有明显的塑性变形，达到极限强度后，突然发生断裂；硬塑料、胶带为塑性材料，没有明显的极限强度，且随着荷载的增加，塑性变形逐渐增大，曲线斜率（即弹性模量）逐渐降低。

2)计算得到牛皮纸带弹性模量为2.53 Gpa，与参考文献[5-6]测试结果2.82 Gpa接近，这说明牛皮纸拉拔试验结果的可靠性。硬塑料带与胶带弹性模量分别为210.76 Mpa、51.85 Mpa。

3)硬塑料、胶带弹性模量小于牛皮纸带，但其应力却大于牛皮纸。分析原因有两点：首先，胶带截面面积小，同等荷载作用下，应力较大；其次，硬塑料、胶带塑性变形具有蠕变特性，其完全稳定的时间过长，采用目测无法准确判定其变形的稳定，故相对而言加载速率过快。以上原因可以解释硬塑料、胶带应力大于牛皮纸带。

1.2.2 传感器布置

由于模型尺寸限制，并考虑应变测试线对模型振动试验的影响，仅考虑距底面2 cm、10 cm、18 cm处3条筋带上的拉应变，应变量测筋带从上到下编号A、B、C，筋带上的应变计根据距面板的距离编号为1-5，整个模型中共布置15个应变计，具体应变计布置和编号如图4所示。

图4 传感器布置图

由于仪器限制，地震激振方向只能为水平向。故仅分析不利工况下的挡墙地震响应，即地震波振动的方向垂直于加筋土挡墙面板。若假定加筋挡土墙位于甘肃省，由《建筑抗震设计规范》甘肃省抗震设防烈度为6~9度，其地震设计加速度为0.2 g~0.4 g[14]。为此本文分析加速度峰值为0.2 g、0.3 g、0.4 g地震波作用下的加筋土挡墙的动力响应特性。

2 模型试验工况

为分析筋带类型对加筋土挡墙模型振动试验的影响。模型分别采用汶川地震波进行了峰值加速度为0.2 g、0.3 g、0.4 g抗震模型试验。具体的模型材料和对比分组如表2所示。

其中以筋带为牛皮纸带的1号模型试验为标准，分析胶带对其抗震性能的影响，以期对现实中整体柔性挡墙的抗震特性进行分析，并得到有利的工程结论。

表2 加筋土挡墙模型抗震试验工况

3 模型振动试验结果分析

对模型施加垂直于挡土墙面板的汶川地震波，进行加速度峰值为0.2 g、0.3 g、0.4 g的模型振动试验。试验中采用加速度计、机电百分表、应变计测得各模型试验中面板加速度、动位移，以及筋带动应变的变化规律，现模型试验结果分析讨论如下。

3.1 不同筋带类型下模型地震响应分析

以填土为砂土、面板为白卡纸、筋带配筋率为1/10，筋带间距为4 cm的加筋土挡墙为基准，分别采用脆性牛皮纸、塑性硬塑料、透明胶带做加筋土挡墙筋带，制作了3个加筋土挡墙模型，以分析筋带弹性模量对模型抗震特性的影响，其中牛皮纸的弹性模量约为硬塑料的10倍，为透明胶带的50倍。并对3个挡墙模型进行不同地震峰值加速度下的模型振动试验，试验结果及分析如下：

(1)面板加速度

图5 不同筋带类型下，面板加速度放大系数曲线

由图5可以看出：随着筋带弹性模量的减小，同等条件下，模型面板加速度放大系数不断降低。当筋带为透明胶带时，面板中部加速度放大系数近似于直线。

（2）面板动位移不同筋带类型下，加筋土挡墙面板位移包络线如图6所示，可以看出：

图6 不同筋带类型下，面板位移包络曲线

1)随着筋带弹性模量的降低，面板的位移峰值均有所降低，随着加速度的增大，面板位移峰值增大。筋带为牛皮纸、硬塑料（弹性模量降低10倍）时面板位移变化比较相似，而筋带为胶带（弹性模量降低50倍）时面板位移峰值曲线与硬塑料相比变化较大。说明当筋带弹性模量在一定范围内变化时，其对加筋挡墙的抗震性能影响较小。故可以对现实中加筋挡墙的筋带抗震界限弹性模量进行研究。

2)牛皮纸筋带挡墙最大位移发生在12 cm，硬塑料带最大位移发生在10 cm，胶带最大位移发生在6 cm，说明随着筋带弹性模量的降低，面板位移峰值下移。也说明对筋带弹性模量较低的挡墙，其底部容易发生隆起而破坏。

对不同筋带类型下，加筋土挡墙地震反应后的残余变形进行分析，如图7所示，由图7可知：

图7 地震后，不同筋带类型挡墙面板残余变形

总体看随着地震加速度的增大，三种筋带类型的加筋土挡墙面板的残余变形逐渐增大。当筋带为牛皮纸、硬塑料时，面板的残余变形曲线较为接近，但随着筋带变为胶带(筋带弹性模量降低50倍)时，面板残余变形曲线线型和曲线峰值发生明显变化。面板高度12 cm处产生向内的变形，面板5~10 cm则发生向外隆起。

图8 机电百分百对位移的影响

分析原因认为，弹性模量降低，面板底部变形增大，此时面板中部土压力降低，故机电百分表对面板阻力使得面板发生向内的变形。如图8所示的机电百分表对白卡纸的变形影响。

（3）筋带动应变

不同筋带类型挡墙，在不同加速峰值下的筋带应变增量图如图9示，由图可知：加速度峰值越大，筋带的应变增量就越大。筋带为牛皮纸、硬塑料时，除18 cm处的筋带最大应变增量发生在靠近面板处即1.6 cm处外，筋带应变增量主要集中在筋带的中部即4.8~11.2 cm之间。胶带应变增量的最大值均发生在靠近面板的位置即1.6 cm。而筋带为胶带时，由于弹性模量比牛皮纸降低了50倍，应变增量主要集中在底部筋带，且应变增加最大值靠近面板，这与胶带挡墙面板的残余变形在底部最大相对应。

从筋带弹性模量降低对面板加速度、面板位移、筋带应变增量的分析可以看出，筋带弹性模量的适度降低对加筋土挡墙的面板加速度、位移、应变增量影响不太明显。但随着筋带弹性模量大幅的降低，面板底部将发生明显的隆起，且筋带靠近面板处的应变增量增大，如果筋带抗拉强度较低，则可能在靠近面板处发生筋带拉断现象，从而导致挡土墙的地震破坏。

图9 不同筋带类型下，挡墙筋带应变增量曲线

4 结束语

(1)当三种筋带牛皮纸、硬塑料及胶带施加的地震峰值加速度相同时，模型面板加速度放大系数随着筋带弹性摸量的减小而不断降低。当筋带为透明胶带时，面板中部加速度放大系数近似于直线。

(2)牛皮纸筋带挡墙最大位移发生在12 cm，硬塑料带最大位移发生在10 cm，胶带最大位移发生在6 cm，则面板的位移峰值随着筋带弹性模量的降低而降低，且当筋带为牛皮纸、硬塑料时，面板位移变化相似。

(3)筋带为牛皮纸、硬塑料时，面板的残余变形曲线较为接近，但随着筋带变为胶带(筋带弹性模量降低50倍)时，面板残余变形曲线线型和曲线峰值发生明显变化。

(4)筋带的应变增量随着加速度峰值提高而增加，牛皮纸、硬塑料的筋带应变增量主要集中在筋带的中部，即4.8 ~11.2 cm之间。而胶带的应变增量主要集中在筋带的底部。

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[14] GB 50011-2010. 建筑抗震设计规范[S].

Analysis on seismic behavior of reinforced soil retaining wall subjected to seismic loading

*MAO Hai-jun，MA Xue-ning

(School of Civil engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou,Gansu 730070, China)

Reinforced soil retaining wall is a new-block structure. We adopt vibration table to vibration test for kraft paper tape, hard plastic tape, and transparent tape of reinforced soil retaining wall models under different acceleration peak value. It is found that wall panels of the acceleration, dynamic displacement, drive the change of strain increment are related to the wall height. We also analyze different ribbon influence on seismic performance of reinforced soil retaining wall.

reinforced soil retaining wall; model test; acceleration; seismic performanc

G741

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.06.015

1674-8085(2013)06-0072-06

2013-07-07；

2013-09-11

*毛海君(1988-)，女，江西吉安人，硕士生，主要从事道路与铁道工程研究(E-mail:mm0211319@163.com);

马学宁(1975-)，男，甘肃兰州人，副教授，博士，主要从事岩土工程及道路与铁道工程研究(E-mail:xdd2007@163.com).