地震作用下新型反濾層減載性能及參數優化研究

黃卿德

(閩南科技學院土木工程學院，福建泉州362300)

我國作為一個地震多發的國家，在規劃公路、高鐵路線時往往不可避免地會經過高烈度地震區，這些以惠民為主要目標的基礎工程建設，使得我國中西部的四川、云南、貴州等地方的鐵路、公路基建產生大量的高填深挖邊坡工程，所以地震荷載作用下支擋結構的穩定性及安全性[1]需要著重考慮，防止給邊坡工程的建設及運營留下安全隱患[2]。

支擋結構在設計時，為了解決墻背土體內的積水、土體流失產生的滲透破壞等問題，會在擋墻背部設置不同形式的反濾層結構[3]。一般的擋土墻反濾層結構通常是由2～4層級配不同的砂、碎石或卵石組成，但隨著工程技術及材料科學的發展，新型反濾層結構的研究有了進一步的發展。針對現有的碎石、片石反濾排水結構的不足之處，提出的新型反濾墊層結構[4]如圖1所示。

圖1 新型反濾層結構

新型反濾墊層主要包含2部分：一部分是熱融噴絲盤繞形成的彈簧狀芯材，可以通過調整彈簧間距控制反濾層的排水能力，調整彈簧簧絲粗細、間距、簧圈直徑與彈簧間距以控制單根彈簧的環剛度與整體的壓縮模量，調整彈簧直徑以控制墊層厚度；另一部分是彈簧狀芯材上下覆蓋長絲熱壓土工布，土工布的存在可以良好的過濾墻后土體積水滲流時土體顆粒流失的情況，從而防止擋土墻排水孔堵塞。

現有反濾層的設計僅僅考慮過濾砂石，但已有的研究成果表明墻背反濾層在地震作用下會起到一定程度的消能減震作用。國內外學者通過理論力學研究[5-7]，室內振動臺模型試驗[8-10]以及有限元數值模擬分析[11-15]等方法，對地震作用下支擋結構的響應已經有了許多研究及成果。但對于支擋結構反濾墊層用于消能減震的研究工作較為欠缺，因此地震作用下反濾墊層參數對支擋結構的消能減震作用的研究具有對實際工程具有重要的意義。

1 數值分析模型

1.1 幾何模型建立

由于重力式擋土墻沿線路延伸長度方向的結構形式完全一致，所以在進行數值模擬分析時為了簡化計算，可以采取平面應變模型[16]。數值計算模型參考重力式路塹擋土墻通用圖集尺寸建立。計算模型具體尺寸為：擋土墻墻高為5 m，墻頂寬度2.35 m，墻后土體坡度1∶0.25，墻身埋于地表以下1.5 m。墻身底部為10 m厚地表黏土層，黏土層下部簡化為30 m厚基巖。考慮動力分析中邊界對地震波的影響，墻身距兩側邊界寬度取值100 m，墻底距下邊界40 m。為滿足規范對邊坡安全系數的要求，墻后土體設置二級邊坡，距擋土墻頂8 m高度設置平臺，坡頂高于擋土墻頂16.5 m。

由于邊界效應的影響，在模型底部和左右兩側建立寬5 m的粘彈性邊界[17]，用于吸收地震波的反射波，計算模型如圖2所示。

1.2 本構模型及材料參數

土體本構模型可選取較多，其中最為常用的是M-C(摩爾-庫侖)，適用于大部分土體，因此，本文計算中采用M-C模型。土體的密度、粘聚力和內摩擦角等可通過現場測定和室內直剪試驗結果獲取，其余參數可參考同類土體的通用參數，擋土墻的彈性模量和泊松比通過標準的混凝土材料選取。

地表黏土層采用Mohr-Coulomb破壞準則的理想彈塑性模型，擋土墻和巖體均采用線彈性本構梁單元模型，模型邊界采用無限元單元CINPE4。擋土墻與土界面采用無厚度接觸面單元“Interface單元”進行模擬。模型兩側采用黏彈性邊界，模型內部采用5%局部阻尼比近似表征土體在地震波傳播過程中的阻尼作用。材料參數如表1所示。

地震波從模型底部輸入，波形選取為川西高原人工擬合地震波，根據場地地震反應譜生成，并通過基線修正等方式對其進行處理，地震峰值加速為0.2g，最終得到地震波形如圖3所示。

表1 各分組材料參數

圖3 模型輸入地震波

1.3 數值模擬分析工況

通過振動臺試驗分析可知反濾墊層具有減震消能作用[18]，且發現反濾墊層的厚度越大其減載性能越明顯。但由于室內振動臺試驗的局限性，通過有限元方法，設計不同的反濾層厚度、模量參數，通過數值模擬計算其對反濾墊層減震消能作用的影響。在基本參數基礎上進行反濾墊層參數敏感性分析，具體有：

(1)控制反濾墊層模量0.1 MPa不變，改變反濾墊層的厚度，分別設置為：50 cm、40 cm、30 cm、20 cm、10 cm、5 cm、2 cm。

(2)控制反濾墊層厚度10 cm不變，改變反濾墊層模量，分別設置為：1 MPa、0.5 MPa、0.25 MPa、0.1 MPa、0.05 MPa、0.01 MPa。

2 重力式擋土墻新型反濾層動力響應

2.1 反濾層厚度敏感性分析

將1.3(1)中不同工況下數值模擬結果下的地震土壓力最大響應統計于表2并作圖4、圖5。由以上圖表可以看出，隨著反濾墊層厚度增加，墻背土壓力最大值逐漸變小，減載率逐漸增大。

表2 不同反濾層厚度下墻背地震土壓力最大響應值 單位：kPa

由圖4可以發現隨著反濾層厚度的增加，墻底位置處墻背土壓力逐漸降低，墻頂位置處墻背土壓力則逐漸增大，土壓力合力呈逐漸降低的趨勢。如在無反濾層工況下總土壓力為287 kN/m，反濾層厚度為50 cm時僅為160 kN/m，減載率達到了44%。呈現出反濾層厚度越大，土壓力減載率也逐漸增大的趨勢。

圖4 不同反濾層厚度下墻背土壓力

圖5 土壓力減載率

但從圖5可以發現總土壓力減載率曲線斜率在逐漸降低，即表明反濾墊層厚度參數對擋土墻地震作用下的減震消能作用敏感性逐漸降低。反濾墊層厚度在20 cm以上時，其對墻背土壓力的影響逐漸減小，減載效果增加不再那么顯著。

接著對擋墻及墻后填土位移響應進行分析，數據如表3所示。

從表3可以看出隨著反濾墊層厚度增加，墻后填土位移量在增大，但擋墻位移量卻在逐漸減小，墻土相對位移亦逐漸增大。結合減載率隨反濾墊層厚度變化規律，分析反濾墊層減震消能作用：墻后墊上反濾墊層后，在地震作用下反濾墊層通過類似彈簧產生形變從而消耗部分地震波能量，故擋墻受到土壓力就相應減小，擋墻位移也因此減小。

表3 不同反濾層厚度下墻頂處墻土相對位移計算

通過圖6可以發現墻土相對位移隨著反濾墊層厚度增加而增大，但增長率在漸漸變小。這再次表明反濾墊層厚度增大到一個值，其對于反濾墊層減震消能作用影響將不再顯著。

圖6 墻頂位置墻土相對位移

出于減載效果與經濟性綜合考慮，反濾墊層厚度并不是越厚越好，應該綜合考慮而定。

2.2 反濾層彈性模量敏感性分析

為了深入分析反濾墊層彈性模量參數對其消能減震作用的影響，借助有限元對不同反濾墊層模量水平細化分析，將數據匯總統計于表4中。

由圖7、圖8可知，隨反濾層模量的減小，擋墻墻背底部墻背土壓力逐漸減小，土壓力的減載率逐漸增大。但是當反濾墊層彈性模量位于0.5 ～1.0 MPa之間時，其減載率小于10%，且減小情況不顯著，即反濾墊層在此彈性模量區間的減震消能效果不明顯，所以不建議工程中反濾墊層的彈性模量設置大于0.5 MPa。

表4 不同反濾層模量下墻背地震土壓力值 單位：kPa

圖8 不同模量下土壓力減載率

進一步分析地震作用時不同反濾墊層模量工況下墻頂位置處墻、土的位移響應，研究反濾層模量對減震消能作用的影響，數據如表5所示。

由表中數據繪得圖9，分析圖表可知，隨著反濾墊層模量的逐漸減小，地震作用下其形變量增大，由反濾層變形所損耗地震波能量增加，墻背土壓力降低導致擋墻位移減小。當彈性模量大于0.5 MPa時，墻土相對位移量僅有不到1 mm，可見反濾墊層并不能很好發揮其消能減震作用。當彈性模量小于0.1 MPa時，墻土相對位移增長率陡升。可見這時反濾墊層盡管具有很好消能減震作用，但也因為其彈性模量過小導致位移量大大增大。故綜合考慮建議工程采用彈性模量為0.1～0.5 MPa反濾墊層。

表5 不同反濾層模量下墻頂處墻土相對位移

圖9 不同模量下墻頂位置處墻—土相對位移

3 結論

借助有限元數值分析模擬軟件對反濾墊層厚度及彈性模量2個參數對其消能減震作用敏感性進行分析。研究表明：

(1)隨著反濾墊層厚度增加，墻背土壓力最大值逐漸變小，減載率逐漸增大。當厚度大于20 cm，反濾墊層厚度參數對其減震消能作用敏感性在降低。反濾墊層用于耗能而產生的形變量在增加，但增長率在漸漸變小。這再次表明反濾墊層厚度增大到一個值，其對于反濾墊層減震消能作用影響將不再顯著。綜合考慮減載率、土體位移量及經濟性，實際工程中推薦使用反濾墊層厚度為4～20 cm。

(2)隨著反濾墊層模量的減小，擋墻墻背底部墻背土壓力逐漸減小，減載率增大。當反濾墊層彈性模量大于0.5 MPa時，反濾墊層減震消能作用不佳。當反濾墊層彈性模量小于0.2 MPa時，其對反濾墊層減載作用敏感性增大。同時反濾墊層模量減小，墻體位移逐漸變小，土體位移增大，墻體相對位移也漸漸增大。當彈性模量大于0.5 MPa時，墻土相對位移量僅有不到1 mm，可見反濾墊層并不能很好發揮其消能減震作用。當彈性模量小于0.1 MPa時，墻土相對位移增長率陡升。可見這時反濾墊層盡管具有很好消能減震作用，但也因為其彈性模量過小導致位移量大大增大。故綜合考慮建議工程采用彈性模量為0.1～0.5 MPa反濾墊層。

綜合結論，地震作用下擋墻反濾墊層可以通過形變消耗地震波的能量，具備一定的消能減震作用，減小墻背土壓力，但是同時也會增加土體位移。綜合考慮土壓力減載率、墻土位移及經濟性，建議在工程中使用厚度為4～20 cm彈性模量為0.1～0.5 MPa的反濾墊層。