加筋土支挡结构不同填土类型的振动台模型试验
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摘要：振动台模型实验是目前加筋土挡墙地震动力响应特性最常见的研究手段，本文使用北京波普公司生产的WS-Z30-50小型振动台建立比例尺为25的加筋土挡墙模型，研究了不同墙后填土下加筋土挡墙的地震动力特性。试验结果表明，黄土加筋土挡墙抗震性能明显优于砂土加筋土挡墙。
关键字：加筋土挡墙；地震反应；模型；振动台实验；动力特性
中图分类号： P315 文献标识码： A
0引言
加筋土是60年展起来的一项土体加固新技术，法国工程师亨利.维达尔（HenriVidal）在模型中发现当土体中掺有纤维材料后，其强度可明显提高，据此提出了加筋土的概念，加筋土挡墙是利用加筋土技术修建的一种支挡结构。由于其施工简便快捷、节约用地、可适应地基轻微变形、以及较低的造价使得加筋土挡墙得到了广泛的认可，特别是在公路部门得到了广泛的应用。另外其特有的柔性结构形式使得加筋土挡墙拥有优良的抗震性能。
1加筋土挡墙震动模型实验
1.1加筋土挡墙模型尺寸确定
图1.1
本次模型试验采用WS-Z30-50小型振动台，振动台尺寸如图1.1所示其长度为506mm，宽度为380mm，竖向荷载承载量程为2.5kg,水平向为25kg。为此本文采用几何相似系数N=25的加筋土挡墙模型。
模型箱采用1.2cm厚木板制作，长28cm×宽20cm×高22cm。面板为长20cm×宽4cm×厚0.8cm的实心木板。
1.2填土、筋带以及地震波的选取
本次试验采用的墙后填土为砂土和黄土，。筋带采用牛皮纸带，其长度为15cm，宽度为1cm，厚度为0.05cm。地震波采用汶川地震波，经过调整和校核，其峰值加速度为1m/s2，振动时间为32s。由仪器所限，地震激振方向为水平方向，设防烈度为6~9度，地震设计加速度为0.2g~0.4g。为此本文分析加速度峰值为0.2g、0.3g、0.4g地震波下的加筋土挡墙的动力响应分析。
1.3模型实验结果分析
在加速峰值为0.2g，0.3g，0.4g的水平方向汶川地震波作用下，砂土、黄土加筋土墙的面板加速度、面板动位移、筋带应变变化如下。
面板加速度
距底面高度cm 填土为砂土 填土为黄土
地震加速峰值0.2g 地震加速峰值0.3g 地震加速峰值0.4g 地震加速峰值0.2g 地震加速峰值0.3g 地震加速峰值0.4g
0 1.99 2.97 3.95 1.99 3.00 4.01
5 2.26 3.71 5.45 2.30 3.51 4.76
10 2.48 4.04 5.93 2.24 3.44 4.64
15 2.57 4.19 6.08 2.67 3.69 4.76
在水平地震加速度为0.2g、0.3g、0.4g下，面板上各测点的加速度峰值如表1.1所示
由表1.1可以看出：
1)地震峰值加速度同等的情况下，面板最大加速度均发生在墙顶，这与之前已有的振动台试验现象相同。
2)随着测点高度的增加，砂土挡土墙面板加速度单调增大，而黄土挡土墙加速度呈先增大后减小，再增大的变化趋势。且在地震峰值加速度为0.3g和0.4g时，相同高度的测点处，砂土加速度峰值都大于黄土加速度峰值。
分析原因有如下：
砂土为无粘性填土，属于散粒结构，黄土为粘性土，筋带可与粘性土存在一定的粘结强度，使得筋带对黄土的加固效果好于砂土，通过筋带加固的作用，黄土挡墙面板加速度小于砂土挡墙。
砂土加筋挡墙放大系数
黄土加筋挡墙放大系数
图1.2 不同类型填土下，面板加速度放大系数
不同地震加速度和测点高度下，加速度放大系数分布如图1.2所示，可知：
1)砂土加速度放大系数分布规律与加速度分布规律相同，均为单调递增。且随着地震加速度峰值增大，加速度放大系数增大。
2)黄土挡墙中部加速度放大系数值和变化范围均较小，筋带对提高黄土加筋挡墙的抗震性能有着显著的作用。
3)以上说明，填土的性质对加筋土挡墙的抗震性能影响较大，填土密实性越大，筋带的内摩擦角、粘聚力越大，挡土墙的抗震性能越好。
（2）面板动位移
填土为砂土、黄土，水平地震峰值加速度为0.2g、0.3g、0.4g下，面板上各测点的位移峰值如表1.2所示。
表1.2 不同填土类型下，面板峰值位移统计表（cm）
(a)砂土面板各测点的动位移时程曲线
(b)黄土面板各测点的动位移时程曲线
图1.3 加速度峰值为0.2g时不同类型填土下，面板各测点动位移时程曲线
(a)填土为砂土
(b)填土为黄土
图1.4 不同地震加速度下，不同填土加筋挡墙面板位移包络线
面板动位移包络线如图1.4，由图可以看出：
1)在峰值加速度为0.2g、0.3g地震过程中，当填土为砂土时，加筋土挡墙面板相对应测点的峰值位移大于填土为黄土的加筋土挡墙。由于黄土本身的粘聚力，它在振动过程中比砂土更为稳定。
2)地震加速度峰值为0.2g、0.3g时，黄土加筋土挡墙6cm上方面板位移峰值较为接近，其位移包络图近似为直线，且随着加速度峰值增大，面板位移包络线均匀增大。由填土体积恒定可知，填土此时发生均匀下沉，裂缝较少，这与现场观测一致，说明了量测结果的有效性。
3)黄土加筋土挡墙在筋带位置6、10、14cm处动位移包络线出现拐点，是由于黄土具有粘聚性，易受机电百分表的影响，峰值加速度0.2g、0.3g时影响不太明显。当峰值加速度为0.4g时面板位移变形较大，临近破坏，使得墙顶填土发生明显裂缝，这与现场观察一致。
地震后加筋土挡墙产生了残余变形，其对挡墙的使用功能和受力特性将会产生巨大的影响，对于变形过大挡墙还会严重影响挡墙的正常使用。为此需对地震作用后的挡墙变形进行分析，假定朝向挡墙内部的变形为负，外部的变形为正，则不同加速度峰值下，黄土挡墙的残余变形如图1.5所示。
(a)填土为砂土
(b)填土为黄土
图1.5不同地震加速度下，不同填土类型加筋挡墙面板残余变形曲线
由图1.5可以看出：
加速度为0.2g时，
黄土挡土墙变形为负值，说明0.2g地震波作用后，挡墙产生轻微朝向挡墙内部的变形，分析原因认为由于模型尺寸限制，机电百分表对面板阻力相对较大，使得面板发生轻微反向变形。
2)随着加速度的增大，面板变形逐渐向外发展，说明机电百分表的影响作用降低。当地震加速度为0.4g时，距底面H /4、3H /4高处发生明显隆起，这与面板峰值位移包络曲线趋势相接近。以上也说明该黄土加筋挡墙正常工作的极限地震加速度为0.4g。
（3）筋带动应变
筋带拉力对加筋土挡墙的抗震性能影响重大。模型试验中，牛皮纸筋带在不同加速度下，两类挡墙的筋带应变增量如图1.8所示。
(a)砂土筋带应变增量
(b)黄土筋带应变增量
图1.6不同地震加速度下，两类挡墙的筋带应变增量
由图1.6可以看出：
1)随着地震加速度的增大，两类挡墙筋带应变增量不断增大，说明加速度的提高增大了筋带拉应力。同等地震加速度下，黄土挡墙筋带应变增量小于砂土挡墙，说明筋带在黄土挡墙中更好的发挥了它的抗震效果。
2)黄土加筋土挡墙，当地震加速度峰值小于0.3g时，应变增量较小，加速度为0.4g时，筋带应变增量发生突变。由于筋带受力主要由筋带与填土的相对位移产生，相对位移越大，筋带拉力越大，故说明加速度为0.4g时，筋带与填土发生较大相对滑动。
由面板加速度、位移，筋带拉应变增大分析可以看出，填土的性质对加筋土挡墙的抗震性能影响较大，地震荷载作用下，黄土加筋土挡墙面板变形小，抗震性能好。
2结语
加筋土支挡结构柔性大，有很好的抗震性能和延性。
对不同类型填土下，加筋土挡墙的振动模型试验结果表明：同种地震作用下，砂土加筋土挡墙侧向位移是黄土加筋土挡墙的2倍；黄土的剪切滑裂带分布微小，而砂土的滑裂带贯通，砂土比黄土更容易发生破坏。相比其他因素，填土对加筋土挡墙的抗震效果影响明显。因此，工程实践中应着重改良填土性质，以提高挡墙的抗震性能。
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