離心模型試驗在土工材料柔性橋臺變形特性中的應用

【摘要】土工離心模型試驗揭示了土工材料柔性橋臺的變形特性，即未加筋橋臺產生的位移明顯大于土工材料柔性橋臺產生的位移；同時，未加筋橋臺產生整體滑移，而土工格室柔性橋臺因微裂縫的阻斷和錯位，臺背未見破壞。進一步分析了土工材料的加筋機理。

【關鍵詞】離心模型試驗；土工材料；柔性橋臺；變形特性

1、引言

土工材料柔性橋臺作為一種新的土體穩定和加固技術，其結構類似于一般的加筋擋土墻。由于該技術發展時間比較短，加之其構造復雜，所以迄今為止，國內外研究人員對土工材料的研究主要是針對具體工程應用而進行的一些試驗和一般的理論研究，并且非常有限，借助離心模型試驗來研究土工材料柔性橋臺的變形特性更是少見。本文通過土工離心模型試驗進一步分析了土工材料柔性橋臺的變形特性和破壞機理，為相關的

設計與施工提供參考依據。

2、土工格室柔性橋臺離心模型試驗

2.1 試驗模型設計

2.1.1 模型比尺

土工離心模型試驗是將模型置于特制的離心機中，使1/n的模型在ng離心加速場中進行試驗。本次試驗所用的模型比尺n=20。

2.1.2 結構模擬

（1）地基與填料的模擬

由于本試驗主要是針對臺背填料在交通荷載與回填材料自重作用下的變形特性與破壞機理進行定性分析，所以在試驗過程中假設地基是穩定的，不產生下沉變形。臺背填料選用現場的紅砂巖碎石土，采用去掉大顆粒法進行填料模擬，通過篩分使最大粒徑不超過1mm，按密實度93%控制。

（2）土工材料的模擬

土工材料的厚度較薄，彈性模量高，如按相似率將尺寸縮小，根本無法實現，因此，必須采用替代材料。根據朗肯土壓力理論，考慮土體任意深度單元體的穩定平衡，一個結點拉筋所受的拉應力應等于填土產生的側向應力，得出等應變原則：

（St）m/（St）p=1/n （1）

εm/εp=1 （2）

公式（1）中St為單位寬度拉拔強度，KN/m（通過拉拔試驗測定）；n為縮尺比率；公式（2）中ε為土工材料的應變。上述二公式中下標“m”、“p”分別表示模型與原型。

為此，本試驗采用5mm×5mm×10mm的塑料網格代替土工材料，從上往下埋設7層，間距為30mm。

（3）臺背結構模擬

一般用鋁板作為結構物的替代材料，但鋁板的彈性模量與混凝土相差太遠，因此，必須選用合適厚度的鋁板，即應使兩者抗彎剛度相等。按照離心模型試驗相似率，所需鋁板厚度為：

δm=（δp/n）×（Ep/Em）1/3 （3）

公式（3）中：Em、Ep分別為模型與原型的彈性模量，MPa；δm、δp分別為模型與原型的厚度，m。

經計算，本次試驗選用3mm厚的鋁板代替混凝土臺背，而鋁板的長、寬按相似率設計。

2.2 試驗過程及其分析

本試驗分加筋和未加筋2種工況。參照常規方法，在模型一側劃分網格，選擇觀測點埋設大頭針，考察背墻水平位移與離心加速度的關系。

本試驗將2種工況的模型放在同一模型箱中進行同步試驗。試驗結果如圖1-2。

圖1 未加筋橋臺水平位移曲線

圖2土工材料柔性橋臺水平位移曲線

圖2曲線顯示，離心加速度 0～20g（g為重力加速度）主要為豎向沉降，20～40g之間模型中逐漸的出現微小裂縫，背墻頂部向前傾移承受主動土壓力，而底部土體承受被動土壓力，在圖中表示為負值。隨著離心加速度的增大，微裂縫變大并相互貫通，到60g時開始出現整體滑動，接近100g時，模型破壞，墻體最大位移為0.73cm。

與圖1相比，圖2曲線變化平緩，墻背頂部最大位移為0.57cm，而墻腳位移幾乎為零；并且各層之間的微裂縫在加筋界面相互“錯位”而未貫通。同時還進一步發現，加筋后使裂縫逐漸“遠離”背墻，未見整體滑移現象。

3、土工材料柔性橋臺變形特性

離心模型試驗揭示，雖然上述2種工況的背墻頂部水平位移均隨離心加速度增加而增大，變化速率也隨之增加，且沿非線性分布，但未加筋橋臺產生的位移明顯大于土工材料柔性橋臺產生的位移；同時，未加筋橋臺產生整體滑移，而土工材料柔性橋臺由于微裂縫的阻斷和錯位，臺背未見破壞。

各種相關試驗揭示，土工材料柔性橋臺大致呈現如下變形特性：

1）、 在離心模型試驗過程中，土工材料柔性橋臺既有豎向變形，也有水平變形，但當離心加速度較少時，以豎向變形為主，水平變形并不明顯。

2）、隨著離心加速度的增加，相當于填土高度或車輛荷載的增加，水平位移逐漸增大，土體內部出現拉應力，從而產生豎向裂縫。

3）、隨著離心加速度的進一步增加，豎向裂縫不斷擴大，導致在土體內部產生局部塑性區，并隨之增大而擴散，從而產生了局部剪切破壞，最后加速了橋臺的滑移。

4、結論

（1）通常背墻頂部水平位移均隨離心加速度增加而增大，變化速率也隨之增加，且沿非線性分布；

（2）未加筋橋臺產生的位移明顯大于土工材料柔性橋臺產生的位移，同時，未加筋橋臺產生整體滑移；而土工材料柔性橋臺由于微裂縫的阻斷和錯位，臺背未見破壞

（3）隨著筋材的彈性伸長變形，給土體內部一個預加壓力來抵消外部荷載引起的土壓力，從而有效的減少了橋臺的側向位移，抑制了豎向裂縫的產生并阻斷其擴大和貫通，大大提高了土工材料柔性橋臺的穩定性。

參考文獻：

[1] 李健.柔性擋土墻技術的應用及改進[J].建筑技術開發，2002.11

[2] 包承綱等.土工離心模型試驗原理[J]. 長江科學院院報，1998.4

[3] 葛折圣，黃曉明. 含EPS夾層臺背回填材料的離心模型試驗[J].交通運輸工程學報，2004.3