文摘

重力式墙支护结构是一种常见的岩土工程。惯性载荷作用于挡土墙本身(水平地震作用)在地震条件下的主要载荷是精心考虑重力式墙的设计。挡土墙的水平地震作用的地震载荷作用下由组合墙体的质量分布和沿墙高的加速度分布。计算的质量分布可以墙墙体的几何形状和密度。相比之下,由于搅拌效果,水平地震加速度沿墙高往往显示了明显的放大与地面加速度。这种分布的加速度放大是重视理解挡土墙的安全设计。Nonvertical挡土墙,如斜,挡土墙坐席,实际工程中经常使用,地震作用下动态响应将不同于垂直的墙壁。本文专注于考试的影响wall-back倾角挡土墙的动态加速度分布沿墙高由于地震的行动。动态响应的垂直、倾斜和下弯的重力挡土墙在不同地震振动台系统进行了测试。地震加速度时程曲线记录下不同的地震波和强度。 The influence of the wall-back inclination angle of retaining walls on the seismic effect was thus analyzed. The tested results showed that the wall-back inclination angle of retaining walls has a significant influence on the seismic dynamic response. The amplification coefficients of peak acceleration of the gravity retaining wall follow the order of the reclined type > the vertical type > the inclined type. Based on the experimental results, the amplification coefficient of peak acceleration was statistically analyzed under the commonly used risk level in engineering seismic design. A formula for the calculation of the horizontal earthquake action distribution coefficient along wall height was proposed involving the effect of the wall-back inclination angle, which might improve the existing calculation method of retaining wall design. The results of this work would guide the earthquake resistance dynamic design of retaining walls.

1。介绍

重力式墙支护结构是一种常见的岩土工程。通常是建立在地上,向上延伸到高端,从而形成一个屏障阻碍土壤背后的运动。地震效应可以显著恶化挡土墙的稳定性,甚至渲染失败(崩溃)的墙在强烈地震条件下。由于搅拌效果,地震作用可以改变和沿墙高的鞋跟日益加剧。这种放大效应是影响不仅通过地震荷载也挡土墙本身,墙背后的回填,现场条件,等。由于这些因素的多样性,它仍然是一个挑战为精确设计和预测地震响应的挡土墙(1,2]。地震的分布沿墙高惯性作用是复杂的。分析和计算的地震强度和挡土墙的稳定性,地震惯性作用在挡土墙的不同高度是一个重要内容。因此,它具有特定的意义理解挡土墙的动力响应地震和开发一个合理分布与水平地震作用响应沿墙高度为更合适的挡土墙的抗震设计3- - - - - -5]。

惯性载荷持续的挡土墙源于其内在的重量墙和加速度响应地震行动。水平地震作用的放大效应,在一定的高度,墙的特点是相对地震加速度时,高度的鞋跟。描述墙上的惯性载荷的放大效应来源于地震行动,一个术语表示的分布系数沿墙高水平地震作用ψ_我通常是使用,它被定义为地震峰值加速度的比值在一个特定的墙高(例如,部分我挡土墙轴)和峰值地面加速度值(PGA)。研究对挡土墙的反应的变化主要集中在地震影响ψ_我沿墙高。

在之前的一项研究在1980年代四川建筑科学研究所进行了振动台试验在一个6米高挡土墙;ψ_我在墙前的1.37∼1.93 (6]。本研究的结果和其他的动态测试结果挡土墙和地球大坝构成了抗震设计按中国针对公路工程的抗震设计规范(JTJ 004 - 89) (6]。它采用二图像规则,将墙分为2组:墙壁低于12米和墙壁高于12米。当墙是低于12米,横向加速度被视为没有放大沿墙高,也就是说,ψ_我= 1;当墙高于12米,ψ_我从1开始增加线性在墙上跟2在墙上。注意,这种设计策略显得有点粗糙或过于简单化,ψ_我被认为是不变的均匀性低于12米。

大量的地震破坏现象表明,墙高的地震响应变化很大,和水平地震反应加速度沿高度的分布是相当复杂的。陈(7周],[8,徐9),和李et al。10)研究的地震加速度响应重力挡土墙通过数值模拟在不同的高度。研究表明,较小的放大效应低于中间高度约为0.5∼挡土墙的高度的0.7倍,而中产以上高度,地震加速度放大效应的增加显然与墙高度和达到的最高价值约1.1∼2.0倍(底部的高度7- - - - - -10]。同济大学一个研究小组,参与,中国地震局工程力学研究所等,发现加速度放大显示了一个相对较少的增量低于1/2∼2/3总高度的挡土墙,而超越它开始增加更明显,和ψ_我达到最大值1.2∼2.0的墙顶部(11]。一般概念是认识到高挡土墙更容易地震损害的上层部分。

基于相关研究成果和工程经验,考虑到风险统计,一个计算的公式ψ_我决定,采用修改使用挡土墙抗震设计按中国针对公路工程的抗震设计规范(JTG b02 - 2013) [11]。与之前的版本相比,这个新配方取两个各自的线性关系来确定ψ_我,相对高度为0.6 H,把高度。这种治疗克服了统一的价值ψ_我1(没有放大效应)的低高度墙(< 12米)和间歇期ψ_我在12米。

,值得指出的是,挡土墙大致可以分为三个类别,靠向椅背,垂直和斜墙基于wall-back斜率与竖直方向。尽管上述研究主要集中在垂直挡土墙(6- - - - - -11),的后倾角的影响挡土墙很少被考虑。实际上,nonvertical挡土墙,如斜,挡土墙坐席,实际工程中经常使用,wall-back斜坡上可能会有所不同。挡土墙与不同的山坡上也可能有不同的地震对其动态响应的影响。然而,挡土墙的研究很少涉及保留wall-back倾向对加速度放大系数的影响。

振动台试验是一个重要的方法来研究挡土墙的动力响应,因为它可以模拟地震作用的过程。挡土墙的振动台试验开始于1970年代(12,13]。近年来,振动台模型试验被广泛用于研究重力式墙的动态响应8,14- - - - - -19)和其他类型的挡土墙(如悬臂式墙(20.),加劲挡土壁(21,22)、土壤bag-retaining墙(23),geogrid-reinforced挡土墙(24),和钢筋锚定桩挡土墙的1])。然而,重力式墙的振动台试验主要是关于动态侧向土压力或挡土墙的稳定性,也有一些研究ψ_我重力式墙。尽管如此,这些研究的实验方案和有价值的结果导向的方案设计和数据分析挡土墙的振动台试验。

因此,利用振动台模拟试验,这项工作集中在动态响应的比较研究三种特征类型的重力式墙,斜,靠向椅背,和垂直挡土墙,关于地震的行动。挡土墙类型的影响(wall-back斜率)地震加速度沿墙高的分布进行了分析。分配系数计算公式的沿墙高水平地震作用提出了包括wall-back斜坡的影响。这项工作将有助于提高挡土墙的抗震设计的合理性。

2。挡土墙的振动台试验

2.1。挡土墙模型

custom-designedhorizontal-vertical的振动台试验进行了双向液压振动台系统在中国地质大学(武汉)。平台的大小是1 m×2 m,最大负载能力是250公斤,最大加速度是20 m / s开车²(2.0 g)。类比与缩尺模型被用来模拟实际的挡土墙在地震条件下的模型试验。限制的振动台系统的承载力(250公斤)和模型试验,与指定的3 d模型试验箱尺寸比率是预先确定的14- - - - - -25];模型试验箱的尺寸被设置为1米×0.4米×0.5米。model-retaining墙的高度H被指定为0.4 m,而墙底部设置水平。三种典型的挡土墙。,reclined, vertical, and inclined walls, respectively. The slopes of the wall-back face of such retaining walls in relation to the vertical direction were designated at −20°, 0°, and 20°, representing reclined, vertical, and inclined retaining walls, respectively. Such a slope range covers most of the inclination angles of retaining walls [2]。

绕过墙的实验偏差引起的不同的权重模型实验结果,所有三种类型的墙壁采用一个统一的体积,以确保基本一致的重量。三种类型的墙的截面模型如图1。所有的墙模型相同厚度的0.5米。

2.2。模型相似关系

随着这项工作采用烟气传播模拟测试,一个理性的和实际情况的相似性模型试验对准确的反应实际的震动很重要的效果。在这个工作中,原型挡土墙的高度H₀被设定为12.5米,这个高度是一个典型的一个接近高度,区分低和高的墙壁,和在高墙的范围内吗ψ_我测定(11]。我们采用模型试验的相似原理8,14)的值来确定挡土墙模型的物理量。如2.1节所述,挡土墙模型设置的高度为0.4米,根据模型箱的大小和输入/输出频率范围的振动台系统,相似系数的长度 。实验进行了一个1 g引力场,密度和相似系数C_ρ和加速度C_一个都是作为1 (26- - - - - -30.]。墙的高度H、密度的回填ρ,选择和加速度作为控制参数。模拟物理量的推导相似系数列在下表中1。相似系数的时间(C_t)是用作输入的控制因素进行了不同地震运动的加速度时间历程的模拟。

2.3。回填土的制备

根据相似原理和比率表1回填土的物理力学参数指定的振动台试验,如表所示2。可以看出,测试中使用的回填土应低强度。因此,混合物组成的各种组件使用了不同的力学性能。墙的回填制备基于文献[8,9,14]。通过试验准备测试各种材料不同的内容比例,合成回填配方得到1粘土:5重晶石粉:2石英砂:1碳酸钙粉:1滑石粉相对体重比率。粘土是抽样从三峡水库的水库流域秭归县,中国,和使用干燥后,研磨,杂质去除。这种混合土壤的性质在本质上是一致的与土力学的多数的土壤

2.4。布局和嵌入的监视器模型的盒子

正如上面提到的,模型试验箱的尺寸是1米×0.4米×0.5米。混凝土砌块(0.4米×0.2米×0.1米)为模型的前端框阻碍了水平位移的测试期间的挡土墙。3厘米厚的泡沫被裁后壁之间的模型箱和回填吸收波能量和减少边界效应(1,31日]。整个模型扩展横向沿走向方向的挡土墙。监测加速度在不同高度的墙体在测试期间,6个加速度计固定在不同的相对高度(h_我= 0 h、1/5H 2/5H、3/5H 4/5H,分别和1 h) wall-back模型的轴。此外,另一个加速度计(A0)安排在模型箱估计振动台系统的反应实验。作为一个例子,加速度计布局的情况下斜倚墙在图所示的记忆2。

后排空间模型的墙壁充满着土壤和主题逐层压,直到所需的密度(所需的压实量≥90%)。所有层填充时,回填压实受到密度较低的振动强度,直到达到所需的模型回填密度(如表所示2)。填充后的实际实验模型图所示3。

2.5。动态加载方案设计

调查不同地震波的影响和强度在挡土墙的动力响应,三个典型的地震波形用于测试:神户波,汶川波,和埃尔森特罗波。地震波申请加载通过滤波,基线校正,消除小振幅的弱地震部分在地震后阶段从三个原始的地震波14]。每个加载的峰值加速度波被设定为0.1克,0.2克,0.4 g和0.6 g,分别模拟地震地面加速度峰值强度(PGA)第七,第八,第九,>第九级别的地震。

地震波加载之前,测试系统是含有白噪声为0.3 m / s²观察振动台的反应和模型系统,以确保正常的工作条件。根据表1压缩比,输入波时间调整到5.6获得类似的动态响应特征的原型挡土墙高度为12.5米。波加载后,合成反应加速度波在每一个监视点的挡土墙被记录下来。三种类型的挡土墙,振动台试验进行了三个振动波形和四个峰值加速度下,分别;即。,the monitoring data under 12 working conditions were obtained for each type of retaining wall, with 36 groups of data for the three types of retaining walls in total.

3所示。结果与讨论

3.1。的合理性测试振动波

作为一个实例,一个实时动态响应挡土墙波输入的振动台试验的前提是准确的测试结果和理性的分析。确保测试系统是否真正反映了动态响应,我们比较了响应加速度历史波浪测量不同高度与输入的。图4介绍了科比波的波形,汶川波,和埃尔森特罗波(PGA = 0.6 g)在初始基线校正后30秒。这个输入振动波在振动台试验中使用了时间压缩和振幅转换从原始波。图5显示历史记录加速度曲线在监视点A1(鞋跟的墙)和A6(顶部的墙)加载下弯的挡土墙时三波,如图4。注意,A1中是最接近波输入的位置安装监视器;波的振动应该显示最好的一致性的输入。同时,A6的动态响应应该是最强的,因为它是定位在墙的顶部。因此他们选择检查的一致性响应与输入振动波。

通过对比历史曲线的加速度监视点A1和A6,可以看出,A1和A6的振动本质上是同步的发生主要振幅峰值是相互一致。历史曲线的加速度A1和A6也同步与输入波。此外,A1的峰值加速度大约是6.0 m / s²,本质上相同的输入波的峰值加速度(0.6 g)。这种一致性强度峰值位置或证实一个实时振动台响应测试期间和良好的吸波能力之间的泡沫插入模型箱和回填。此外,图5展品,墙的顶部加速度(A6)大于,在墙的鞋跟(A1),特别是在点更大的振幅。最大加速度达到10.1 m / s²,大约1.68倍的A1。这是由于这样的事实,A6位于顶部的墙。地震加速度的放大效应会导致更强的应对墙高强度。这种观察同意文学的结果(8,10),从而表明测试结果是合理可靠的。同样,其他挡土墙的动态响应测试显示类似的一致性输入波,他们这里没有显示清晰。

3.2。Wall-Back面对边坡在地震响应的影响

峰值加速度的值在不同的墙高度代表动态响应的强度。澄清动态响应的方差沿墙高度、加速度峰值的相对比率在特定高度的一个壁脚,即。,峰值加速度放大系数(PAMC),用于描述动态响应的分布沿墙。为了分析wall-back倾向的影响,不同类型的PAMC挡土墙在所有输入波具有不同强度和波形是集成,如图6。清晰的比较,我们也平均PAMC价值观相同的波强度和提出与相对墙高度图7。

从数据6和7可以看出,所有wall-back山坡,PAMCs达到最高的价值在墙的顶部,表明地震鞭打的放大现象的效果。然而,PAMC值和方差与墙高度显著差异与wall-back倾向。斜倚着墙,所有PAMC数据显示值大于1,表明沿墙稳定的放大效应。相比之下,垂直和斜墙表现出较低的墙高PAMCs小于1。这样减少PAMCs意味着减轻的效果相对于输入波。只有在特定的高度(0.2 H和0.4 H垂直墙和斜墙,分别),PAMC开始显示出放大效应(PAMC > 1)。

另一方面,不同区段的增加wall-back山坡上也有很大的不同。从图可以看出7(一)的PAMC斜倚着墙显示轻微增加低于0.6 H,除此之外,PAMCs增加更明显。对垂直墙和斜墙,PAMCs最初减少小于1(减轻输入波),然后不久恢复到1。以上这样的高度,PAMCs急剧增加。大约三个墙似乎表现出类似的增加线性关系超出0.6 H和到达顶部的最高价值的墙上。最高的顺序PAMC是靠墙>垂直墙>斜墙,指示wall-back减少边坡的动力响应加剧。此外,垂直和斜倚着挡土墙的PAMC值相对集中在相同的高度,而斜墙相对分散,特别是低于0.6 H,表明地震波千差万别的放大效应倾向于挡土墙。

图7还表明,地震峰值加速度的放大效应是影响地震烈度但不是通过地震波类型。地震烈度越高,更重要的放大效应,与任的研究结果是一致的14]。尽管如此,为了获得一个清晰的规则的后倾角的影响墙放大效应和与数学公式表达出来,地震烈度的放大系数的影响被忽视,和不同地震强度下的测试结果进行了分析。与此同时,预计后续研究可以获得更完美的实用计算公式,考虑更多的因素。

不过,上述观察证实了显著影响wall-back边坡的动态响应的分布(惯性载荷)沿墙。wall-back倾向的影响,应该考虑的动态设计挡土墙以更合理的方式。

3.3。分布系数ψ_我和其拟议的表达

在中国当前的挡土墙设计主要利用水平地震作用的分布系数沿墙高度(ψ_我)来表示动态响应程度的地震在特定高度的挡土墙6,11]。换句话说,ψ_我在截面高度是指定PAMC吗我用于实际工程的设计。事实上,不同的动态加载、现场条件、实际的挡土墙,回填PAMC有各自的影响在不同的墙高度(ψ_我),这些因素自然变量在挡土墙的服务时间。因此,有必要仔细考虑这些因素的方差的影响地震加速度放大效应而确定的价值ψ_我在足够安全的风险水平的统计数据。因为使用的风险保障水平ψ_我设计是在90%概率(6,8,10,11),这也是风险控制标准地震工程中常用的设计,我们也采用这种风险安全级别来确定水平地震作用的分布系数(ψ_我)沿墙高度为以后分析。

做出清晰的确定每种类型的挡土墙的分布系数,我们提出的色散测试PAMCs在不同高度与默认设置统计箱线图,如图8。促进的相关性ψ_我相对高度比(h_我/H,h_我部分的高度吗我挡土墙挡土墙),提出了PAMC与嗨/ H图8。每种类型的挡土墙有12个数据在每个监视点在不同地震波类型和强度。第90个百分位值可以作为第二大大约分配值,由蓝线连接,如图8。

从盒子里图8,只有一个异常数据为0.6h_我/H垂直的挡土墙可以观察统计框外的下降。范围内的其他数据点的上、下极限边缘线。每个测点的第二大价值定位在正常数据的统计范围。因此,它是合理的第二大值在每个监测点的分布系数满足要求的风险水平。

之间的分配系数的差异来解释三种类型的挡土墙、连接线路图8编译成图9。不仅可以看到,分布系数沿墙高变化,还取决于挡土墙的类型,即。,不同的wall-back面临斜坡。一般来说,与墙的倾向增加,分布系数减少在相同的高度。的顺序分布系数>垂直>斜倚。此外,值得注意的是,对于所有三行,0.6的高度h_我/H大概是一个转折点,之后,wall-back脸斜坡吗ε主要影响拟合曲线的截距,但曲线的斜坡保持本质上是相似的。然而,低于,拟合曲线有相同的拦截,但不同的斜坡。

作为讨论的部分3.2,挡土墙的地震动力响应程度显著影响wall-back斜率。通过总结上述观察和讨论,我们采用不同的计算关系高度低,高于0.6的转折点h_我/H,分别拟合数据,如图9,通过回归一个近似直线(图中虚线9)的功能关系曲线分布系数沿墙高比率。在相同的高度,不同斜率之间的分配系数的差异倾向随边坡倾角的增加而减小。因此,相关公式,提出了计算分布系数考虑平衡严格的风险水平和简单的数学表达式。相关公式所示实验。1),ε表示保留的斜率wall-back脸对垂直方向的弧度值。

3.4。比较与当前ψ_我规范中表达

正如前面所讨论的,墙上的横向惯性载荷放大效应本身沿墙高应考虑挡土墙的动态设计。的设计ψ_我是由中国针对公路工程的抗震设计规范(JTG b02 - 2013)。它的设计表达式ψ_我以下表达式所示(11]:

图10显示了比较分布系数曲线通过计算该表达式在这项工作(经验值。1),从规范获得(Exp。2))。可以看出,低于0.6h_我/H,规范公式计算的结果类似的立式但低于下曲的类型和大于获得的那些倾向于获得的类型,分别。超出0.6h_我/H,规范低于计算的结果增加了经验。1),走到靠墙的结果ε= 20。然而,计算数据大概在实验计算的数据。2),表明提出的适应性Exp。(1在挡土墙的设计。另一方面,由于目前的规范没有考虑wall-back倾向的影响,下弯的挡土墙可能需要计算额外的惯性载荷提高的安全设计,而倾向于挡土墙可能不需要计算大惯性负载。

除了上述典型的墙倾斜角度,我们也为其他分布系数计算倾斜角度。图11显示了分配系数的变化和wall-back倾向。可以看出wall-back倾向分布系数具有明显的影响。在一个特定的墙高,分布稳定系数随wall-back倾角的增加而减小。经验值。1)包括wall-back倾向的影响,它实际上可能反映了真实的反应,也可能被视为一个更全面的关系进行挡土墙设计。

此外,尽管Exp。(1)是基于结果的靠向椅背,垂直和斜挡土墙,它可能仍然适用于其他形式的重力式墙,如凸多边形线和挡土墙,计算水平地震荷载沿墙高的分布系数,这些墙壁可以合理地简化下弯的或斜挡土墙通过几何相似规则部分。

4所示。结论

本文实验研究了挡土墙的wall-back斜率的影响地震波的动力响应振动台试验系统。墙上的倾斜角度对地震动力响应有显著影响的挡土墙。地震动力响应的强度增加而减少wall-back倾斜角度;程度的地震动力响应的顺序是靠挡土墙>垂直挡土墙>斜挡土墙。采用90%的安全级别风险概率,分布系数的计算公式提出了沿墙高,水平地震作用的影响wall-back倾角被认为是。较涉及任何倾角的计算公式,这个改进会更好地反映保留wall-back倾向的影响重力式墙和重力式墙的抗震设计提供一些指导与不同wall-back倾向。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的特殊知识创新项目武汉科技局(批准号2022010801010205)和中国国家自然科学基金(批准号41672309)。