公路填筑路基動力特性的地震臺模擬試驗研究

陳瑋

（招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067）

1 模型制作

1.1 模型箱

根據試驗要求并結合試驗臺陣的實際情況設計和加工模型箱，具體尺寸為3.2 m×2.8 m×2.45 m（長×寬×高）。模型箱外觀照片見圖1。

圖1 模型箱外觀照片

1.2 試驗模型制作及傳感器布置

本試驗主要針對地震相對敏感的斜坡地基上的高填路基建立模型。

由于是模型試驗，因此，模型材料及試驗過程必須滿足一定的相似關系。本次以西南地區分布廣泛的紅層軟巖路基填料為對象，以斜坡地基上高填路基為原型，將1∶20 的幾何相似關系作為基礎，并根據量綱分析法確定其他各相似關系并制作模型[1]。另外，本試驗在模型箱內壁粘貼了一層防水海綿作為減震層內襯材料，以此來降低模型箱邊界對試驗過程地震波出現的反射等影響。

模型材料選用紅層軟巖地區實際路基填料與石英砂組合，并通過大量室內物理力學試驗，結合各物理參數的相似關系，分別確定出了地基及路基模型材料中石英砂的百分含量及模型壓實度。完成上述步驟后，采用分層填筑的方式制作模型。其中，對于重力式擋墻采用預制混凝土，選擇在模型制作過程中埋設。

在試驗過程中，主要采集的是路基在不同地震動荷載作用其內部不同部位的加速度及位移變化規律[2]，故試驗用傳感器主要為加速度傳感器、位移傳感器。模型尺寸及傳感器布置如圖2 所示。

圖2 模型尺寸及傳感器布置（單位：cm）

2 模型試驗

本文主要針對試驗過程中采用的汶川地震波（WCB）作為激震波，按照相似率確定的時間壓縮比對地震波形進行壓縮處理。通過改變地震波的峰值加速度（0.05 g，0.1 g，0.2 g，0.3 g和0.4 g）逐級進行加載。每級別施加完成之后大約停止5 min，期間主要進行試驗效果的觀測，并在此基礎上進行下一級的加載。

3 結果分析

3.1 路基加速度響應規律

對于路基內部與路基坡面來說，隨著高度的不斷增加，路基的水平及豎直加速度響應峰值均成增大趨勢，并在路基頂面達到最大。在路基頂面，因本工程是斜坡地基的緣故，所以填筑路基的厚度較容易受原地基控制。

試驗表明，在該模型所示的路基結構中，水平及豎直加速度響應峰值也均隨路基填筑厚度的增大而增大。這說明，與原始地基對比，新填路基對地震加速度的響應相對較大，反應也較敏感。

3.2 位移響應規律

就路基坡面而言，路基會隨高度的不斷增加，水平及豎直向位移響應峰值均成增大趨勢，并在路基頂面達到最大。在路基頂面，該模型所示的路基結構中，水平向位移響應峰值會隨路基填筑厚度的增大而增大。這說明，新填路基相對原始地基更易產生水平向變形，反應也較為敏感。豎直向位移響應峰值方面，試驗結果表明，豎直向位移峰值在路基中心線達到最大，向兩側逐漸減小，這說明對豎直向位移峰值的變化主要受控于路基形狀，而受新填與原始地基的影響微弱。

3.3 路基對不同地震荷載的響應規律

為研究路基對不同地震動荷載的響應特點與規律，本文針對所建模型進行了多種地震工況的試驗，包括WCB-0.05 g，WCB-0.1 g，WCB-0.2 g 和WCB-0.4 g 等。為研究方便，WCB-0.1 g 相對于WCB-0.05 g 的動力放大效應為1 級響應，WCB-0.2 g 相對于WCB-0.1g為2級響應，WCB-0.4g相對于WCB-0.2g為4級響應，正弦波類似。圖3為模型I水平加速度響應趨勢圖。

圖3 模型水平加速度響應趨勢

根據圖3 可知，無論在路基內部還是在路基坡面，其呈現的規律有：（1）隨高度的不斷增加，水平加速度峰值增大倍數均成增大趨勢，在路基頂面達到最大；（2）在路基頂面，由于本模型是斜坡地基上的填筑路基，其水平加速度峰值增大倍數隨路基填筑厚度的增大而增大；（3）隨震級的增大，路基各點水平加速度峰值雖然隨之增大，但其增大倍數呈減小趨勢。

此外，隨地震動荷載的增加，相關趨勢主要有：（1）路基坡面上各點的水平位移增大倍數（相對前一級動荷載）隨路基高度的增加而增大；（2）在路基頂面上，隨地震動荷載的增加，與頂面各點位移峰值的變化規律相反，且頂面上各點水平位移增大倍數隨新填路基厚度的增大而減小，但這種變化趨勢相對較小；（3）值得注意的是，對于地震荷載的響應，水平加速度峰值增大倍數隨地震動荷載的增加呈減小趨勢，但水平位移峰值增大倍數則相反，隨地震動荷載的增加而增加。

4 結語

通過對斜坡地基上高填路基進行的大型地震臺試驗，明確了地震荷載作用下路基動力響應特點與規律，分析了不同參數的變化趨勢。試驗結果對路基的動力穩定計算方法的研究具有一定的借鑒意義，同時可為減小路基震害的措施提供重要的理論依據。