基于振動臺試驗(yàn)的抗滑樁抗震性能研究

基于振動臺試驗(yàn)的抗滑樁抗震性能研究

0樁后土壓力和結(jié)構(gòu)參數(shù)研究滑動治理一直是土木工程的一個熱門問題?；瑮l的抗滑作為一種有效的維護(hù)措施，在滑動治理中得到了廣泛應(yīng)用，但對地震作用下抗滑條的抗地震性研究較少?！?·12”汶川地震誘發(fā)大量的滑坡和潛在的不穩(wěn)定斜坡,急需進(jìn)行治理。地震作用下樁土動力相互作用、抗滑樁后土壓力分布形式和抗滑樁支護(hù)邊坡地震作用下穩(wěn)定性計算方面都需要進(jìn)行研究。Takahashi等利用動力離心機(jī)試驗(yàn)研究了碼頭樁的動力特性,于玉貞等采用離心機(jī)試驗(yàn)研究抗滑樁的動力特性;筆者采用強(qiáng)度折減動力分析法計算抗滑樁支護(hù)滑坡穩(wěn)定性和支護(hù)抗震設(shè)計研究,取得較好效果;文獻(xiàn)采用數(shù)值手段研究了地震作用下抗滑樁的作用機(jī)制,文獻(xiàn)采用數(shù)值模擬分析了抗滑樁在地震作用下的動力響應(yīng)。以上研究主要采用離心機(jī)試驗(yàn)和數(shù)值分析兩種手段,離心機(jī)試驗(yàn)試件尺寸較小,試驗(yàn)結(jié)果容易受邊界條件的影響,且只能輸入單向地震波;數(shù)值分析結(jié)果需進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。大型振動臺試驗(yàn),試樣尺寸較大,可輸入多向地震波,相對離心模型試驗(yàn),振動臺試驗(yàn)得到的結(jié)果更為合理。因此,本文采用大型振動臺試驗(yàn)研究抗滑樁支護(hù)邊坡的抗震性能和作用機(jī)制,為抗滑樁抗震設(shè)計的研究奠定良好基礎(chǔ)。1相似參數(shù)選取采用振動臺試驗(yàn)?zāi)M一高度為30m的巖質(zhì)高切坡,下部巖體為碳質(zhì)千枚巖,巖體重度24.5kN/m3、黏聚力0.5MPa、內(nèi)摩擦角35°、壓縮模量2GPa,上部為卵石土,巖體重度21kN/m3、黏聚力0.01MPa、內(nèi)摩擦角30°、壓縮模量0.1GPa。坡面2級放坡,放坡比率1∶1.25,均設(shè)錨桿框架梁護(hù)坡,框架梁采用C30鋼筋混凝土現(xiàn)場立模澆筑,節(jié)點(diǎn)間距3.0m,錨桿設(shè)置在框架梁的節(jié)點(diǎn)上,與坡面垂直施作。每階均設(shè)5排邊坡,錨桿長8m,錨筋為1根直徑25mmHRB335鋼筋。坡腳采用抗滑樁支檔,樁截面1.5m×2.25m,樁間距5m,樁長15m。為研究抗滑樁的動力特性,結(jié)合模型箱的尺寸,將原型與模型尺寸相似比為定為20∶1,縮尺后的模型示意圖見圖1。動力相似關(guān)系按照重力相似推導(dǎo),該相似律可以滿足模型強(qiáng)震條件下破壞特性研究所要求的相似性,可能對于模型坡面位移響應(yīng)并不能與原型坡面位移響應(yīng)保持嚴(yán)格的相似性,但不影響本論文研究主要目的——抗滑樁的抗震性能。相似關(guān)系:密度,1;力,203;模量,20;長度,20;應(yīng)變,1;加度度,1;速度,201/2;時間,201/2;頻率,20-1/2;應(yīng)力,20?；緶?zhǔn)則為ρp=ρm,ap=am,Lp/Lm(28)20,推導(dǎo)過程如下:(1)力(2)應(yīng)力(3)彈模(4)持時式(1)~(4)中,a為加速度,ρ為密度,L為長度,下標(biāo)p表示該參數(shù)是原型的參數(shù),下標(biāo)m表示該參數(shù)是模型的參數(shù),F為力,m為質(zhì)量,σ為法向應(yīng)力,A為面積,E為彈模,ε為應(yīng)變,T為持時,L為長度,Vs為剪切速度,G為剪切模量。相似材料采用標(biāo)準(zhǔn)砂、石膏粉、滑石粉、甘油、水為基本材料,按照正交設(shè)計,在試驗(yàn)室進(jìn)行直剪試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)試驗(yàn),最后選擇配合比0.7∶0.1∶0.06∶0.03∶0.11模擬下部炭質(zhì)千枚巖,0.8∶0.02∶0.05∶0.1∶0.03模擬上部卵石土。樁采用塑料板黏結(jié)而成,長0.75m,寬0.1m,高0.11m。將樁兩端支撐,中間加集中載測其相應(yīng)的位移的方法,反算得到模型樁的彈模為1.17GPa。錨筋采用直徑6mm鋼筋模擬,錨桿長度0.4m,間距0.15m,水平間距0.25m。錨桿采用水泥漿現(xiàn)場澆注而成,框架采用木質(zhì)框架模擬,與錨桿連接。在模型箱的前后兩端貼上厚的軟墊以消除模型箱端部對模型的影響,在模型箱的側(cè)壁上貼上塑料布,并在塑料布上刷上凡士林,以消除模型箱側(cè)壁與模型的摩擦的影響。巖體相似材料通過控制相似密度2.5g/cm3,壘入模型箱,制作完成后模型如圖2所示,模型總重量118kN。制作完成的模型取樣進(jìn)行材料參數(shù)直剪試驗(yàn),得到實(shí)際相似材料的參數(shù)見表1。試驗(yàn)選擇3條有代表性的地震波作為地震激勵,它們分別是WENCHUANWOLONG(NE)波、ELCENTROL波和TAFT波。每條地震波的加速度峰值與持時根據(jù)相似關(guān)系按照試驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整后的地震波如圖3所示。振動臺試驗(yàn)時每條地震波均是先水平向輸人,后水平垂直雙向輸入,其中垂直向加速度峰值取水平向加速度峰值2/3。為了考慮峰值大小對樁和邊坡動力響應(yīng)的影響,ELCENTROL波和Taft波峰值分別取0.1g,0.2g,0.4g,為了考慮邊坡破壞狀態(tài)下樁的動力響應(yīng),WOLONG(WENCHUANNE)波分別取0.1g,0.2g,0.4g,0.6g,0.8g,1.0g。輸入地震波信息如表2所示。試驗(yàn)在邊坡坡面上設(shè)置加速度、位移監(jiān)測點(diǎn),見圖4,在中間一根樁前后設(shè)置土壓力監(jiān)測點(diǎn),見圖5,中間一列錨桿的錨筋上貼應(yīng)變片測錨筋的應(yīng)變,每個錨筋上貼2個,間隔0.2m,應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖6。2抗滑樁支護(hù)邊坡模型按照表2中所示輸入地震波信息,按照振幅從小到大的順序,逐級輸入圖3所示的3種地震波。在輸入地震波作用下,抗滑樁結(jié)合坡面錨桿的支護(hù)邊坡模型無明顯破壞跡象,輸入最后一個工況后(1gWOLONG波),樁的變形圖如圖7所示,樁稍有傾斜,但不影響邊坡整體穩(wěn)定性。下面將從樁后土壓力、樁頂位移、坡面加速度響應(yīng)、位移響應(yīng)等方面的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析抗滑樁在輸入地震波作用下的抗震性能。2.1地震波輸入的情況樁后設(shè)置了5個土壓力監(jiān)測點(diǎn),樁前設(shè)置了2個土壓力監(jiān)測點(diǎn),具體位置見圖5所示。這里只分析地震引起的增加的土壓力,稱為動土壓力,不考慮靜力作用下的土壓力。輸入峰值0.4g的地震波,樁后5個監(jiān)測點(diǎn)的動土壓力峰值如表3所示。從表3中可以看出,樁底監(jiān)測點(diǎn)靜土壓力和動土壓力均較小,說明地震波作用下樁底周圍土壓力變化不大,樁身上部的中間監(jiān)測點(diǎn)2靜土壓力最大,地震作用下的動壓力也最大。從不同的地震波作用下可以看出,相同幅值的地震波情況下,3種地震波引起的樁后和樁前動土壓力不同,其中WOLONG波引起的動土壓力最大,TAFT波次之,ELCENTROL波引起的動土壓力最小,說明不同地震波作用下,抗滑樁與巖土體動力相互作用是不同的。進(jìn)行抗滑樁抗震設(shè)計時候需要輸入不同類型的地震波進(jìn)行抗震設(shè)計。從表3中還可以看出單向輸入的地震波引起的動土壓力小于雙向輸入地震波情況下的動土壓力,說明進(jìn)行抗滑樁抗震設(shè)計應(yīng)該雙向輸入地震波。圖8所示輸入0.4g雙向WOLONG地震波樁后5個監(jiān)測點(diǎn)的動土壓力時程曲線,從圖8中可以看出靠近樁底的監(jiān)測點(diǎn)5動土壓力變化較小,說明在WOLONG地震波作用下,靠近樁底的部位土壓力變化不是很大。從圖8中樁后第1~4個監(jiān)測點(diǎn)的動土壓力時程曲線可以看出,監(jiān)測點(diǎn)1的動土壓力峰值時刻5.228s,監(jiān)測點(diǎn)2的動土壓力峰值時刻5.232s,監(jiān)測點(diǎn)3的動土壓力峰值時刻5.42s,監(jiān)測點(diǎn)4的動土壓力峰值時刻5.652s,而輸入的WOLONG地震波的峰值時刻為3.996s,說明樁后動土壓力峰值時刻晚于輸入地震波的峰值時刻,樁后土體的作用由樁頂土體向外運(yùn)動引起的,樁身受力由樁頂向下逐步傳遞。輸入0.4g雙向WOLONG波、ELCENTROL波和TAFT波時,樁后滑面以上3個監(jiān)測點(diǎn)土壓力不同時刻沿樁身的分布分別如圖9~11所示,圖中土壓力為靜土壓力加上動土壓力。圖9為輸入WOLONG波時不同時刻樁后土壓力分布,0s時刻為靜力條件下的土壓力,此時樁后土壓力分布為拋物線性,上部開口較大;5.2s時刻為峰值時刻的樁后土壓力,此時樁頂部位土壓力增加較大,樁底動土壓力也稍有增加,但在樁后土壓力分布仍為拋物線性,上部開口較大,但是拋物線的頂點(diǎn)較高;10.3s時刻地震波第二峰值時刻的樁后土壓力,小于5.2s峰值時刻的樁后土壓力,樁后土壓力分布形式變化不大,仍為拋物線性,上部開口大,頂點(diǎn)高度小于5.2s時刻,大于靜力下頂點(diǎn)高度。從圖10,11中輸入0.4g雙向ELCENTROL地震波和TAFT地震波的樁后土壓力分布中同樣可以得到同樣的結(jié)論,地震作用下懸臂樁樁后土壓力分布為拋物線性,地震作用過程中,樁后土壓力分布基本形式不變,但是拋物線頂點(diǎn)的高度會隨地震波輸入發(fā)生變化,峰值時刻拋物線頂點(diǎn)高度最大。樁后動土壓力隨輸入地震波峰值的變化曲線如圖12所示,從圖中可以看出,輸入WOLONG波和TAFT波情況下監(jiān)測點(diǎn)1和監(jiān)測點(diǎn)2動土壓力增加較快,輸入ELCENTROL波監(jiān)測點(diǎn)1和監(jiān)測點(diǎn)2動土壓力增加較慢,而輸入3種地震波情況下測點(diǎn)3動土壓力增長趨勢基本一致。2.2雙雙向woling波和雙向wol底波后樁穩(wěn)定性分析樁頂設(shè)置了一個位移傳感器,測量地震作用下,樁頂相對于邊坡模型底部穩(wěn)定基巖的位移,所有工況結(jié)束之后樁頂?shù)睦塾嬒鄬ξ灰浦挥?3mm,0.8g雙向WOLONG波輸入之后累計的相對位移只有22mm,位移量非常小,樁頂稍向外傾斜,但是在可控范圍之內(nèi),最后一個工況(1g雙向WOLONG波)之后樁保持穩(wěn)定,說明模型邊坡設(shè)置的抗滑樁是穩(wěn)定的,能夠抵抗較大的地震。2.3加速度分析結(jié)果模型邊坡坡面共分兩階,上階和下階坡面分別設(shè)置了3個加速度監(jiān)測點(diǎn),如圖4所示,A,B,C3個監(jiān)測點(diǎn)位于上階坡面,D,E,F3個監(jiān)測點(diǎn)位于下階坡面,坡面水平地震加速度一定程度上反映了邊坡在地震作用下的的動力響應(yīng)。圖13所示為輸入地震波峰值0.1g單向和雙向輸入情況下各種監(jiān)測點(diǎn)的加速度峰值,從中可以看出從邊坡頂部A點(diǎn)到坡底F點(diǎn),加速度峰值呈減小趨勢。邊坡上階的監(jiān)測點(diǎn)的加速度峰值大于下階邊坡監(jiān)測點(diǎn)的加速度峰值,位于監(jiān)測點(diǎn)的高度越高,響應(yīng)加速度峰值越大,反映了地震作用下邊坡放大效應(yīng)隨坡高而增大的現(xiàn)象。因?qū)嶋H輸入的地震波與準(zhǔn)備工況要求的地震幅值有一定差別,不便于互相比較,將監(jiān)測點(diǎn)響應(yīng)水平地震波的峰值與實(shí)際輸入的水平地震波的峰值之比定義為水平加速度PGA放大系數(shù)。圖14為輸入峰值0.1g,0.2g,0.4g雙向輸入情況下不同地震波的水平加速度PGA放大系數(shù),從圖中可看出輸入ELCENTROL波水平加速度PGA放大系數(shù)較小,輸入WOLONG波和TAFT波情況下水平加速度PGA放大系數(shù)較大,說明對于本文模型抗滑樁支護(hù)對于ELCENTROL波支護(hù)效果好于WOLONG波和TAFT波。如圖15所示為WOLONG波單向和雙向輸入情況下坡面監(jiān)測點(diǎn)放大系數(shù)隨地震輸入幅值的變化規(guī)律,從中看到基本趨勢PGA放大系數(shù)隨輸入地震波幅值的增大而減小。2.4驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果模型邊坡坡面上階和下階分別設(shè)置了3個位移監(jiān)測點(diǎn)(圖4),A,B,C個監(jiān)測點(diǎn)位于上階坡面,D,E,F監(jiān)測點(diǎn)位于下階坡面,位移測量的為相對于邊坡基巖的相對位移。除D點(diǎn)位移傳感器發(fā)生故障外,其余監(jiān)測點(diǎn)在輸入不同的地震波情況下累計相對位移見圖16。特別說明的是,振動臺試驗(yàn)輸入地震波順序是按照振幅有小到大,逐級輸入,最后一個工況為輸入1.0g雙向WOLONG波。從圖16可看出所有測點(diǎn)在0.8g雙向WOLONG波輸入之前累計的相對位移均小于20mm,位移量非常小,模型邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。輸入最后一個工況1g雙向WOLONG波,除坡頂A點(diǎn)外,其余監(jiān)測點(diǎn)的累計相對位移最大也僅33mm,故除邊坡坡頂局部變形較大外,模型邊坡整體穩(wěn)定,證明抗滑樁+坡面錨桿的框架支護(hù)方式有效,抗震效果較好。3地震波的計算(1)不同地震波作用下抗滑樁的動力響應(yīng)不同,雙向輸入情況下樁后土壓力大于單向輸入情況下的,說明進(jìn)行抗滑樁采用以單一的峰值為標(biāo)準(zhǔn)的擬靜力進(jìn)行設(shè)計是偏于危