高速鐵路模塊式加筋土擋墻動態(tài)行為分析

黃作明

摘 要：文章以實(shí)際工程為例，開展了加筋土擋墻現(xiàn)場激振試驗(yàn)，對加筋土擋墻路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，深入認(rèn)識模塊式加筋土擋墻結(jié)構(gòu)的動態(tài)行為，總結(jié)模塊式加筋土擋墻路基內(nèi)部的加速度、動位移、動應(yīng)力的分布規(guī)律，以為高速鐵路模塊式加筋土擋墻設(shè)計(jì)和施工提供重要的數(shù)據(jù)來源。

關(guān)鍵詞：高速鐵路 模塊式加筋土擋墻 現(xiàn)場激振試驗(yàn)

1.擋墻工點(diǎn)概況

加筋土擋墻試驗(yàn)段里程位于榮成站DK315+885～DK316+179.36斷面兩側(cè)，左、右側(cè)DK315+885～DK316+101段采用模塊式加筋土擋墻。模塊式預(yù)制塊尺寸為0.5×0.3×0.3m，模塊采用C30混凝土預(yù)制，坡率為1：0.05。

DK315+913右側(cè)斷面：擋墻高度為7.95m；自基礎(chǔ)頂面以上鋪設(shè)28層格柵，其中自下而上1～3層格柵型號是HDPE170R單向格柵，長8.0m，層間距0.3m；4～28層格柵型號是HDPE130R單向格柵，長8.0～10.5m，層間距0.3m。

2.試驗(yàn)加載方案設(shè)計(jì)

2.1激振設(shè)備的選擇

試驗(yàn)采用原位激振試驗(yàn)系統(tǒng)（DTS-1），由電氣系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、激振器、振動架、油路循環(huán)和信號檢測等組成，利用兩傳動軸以一樣的速度反向轉(zhuǎn)動在水平方向產(chǎn)生的合力為零的原理，在垂直方向上產(chǎn)生的合力是即為激振力。

2.2激振頻率的確定

移動列車荷載通過鋼軌、軌枕將動荷載傳遞至路基的表面，列車荷載產(chǎn)生的正弦式基頻對路基面影響最大，故本次試驗(yàn)應(yīng)用正弦波加載。青榮城際鐵路設(shè)計(jì)時速為250km·h-1。有研究表明路基內(nèi)部的動力時程曲線峰值與轉(zhuǎn)向架是相對應(yīng)的，但隨著荷載向下的傳遞，荷載的影響相互疊加，路基內(nèi)的動應(yīng)力時程曲線一個周期與前后兩車的相鄰轉(zhuǎn)向架長度相對應(yīng)，試驗(yàn)時取激振頻率為13Hz。

2.3激振荷載的確定

（1）道床內(nèi)部應(yīng)力分布

根據(jù)我國高鐵規(guī)范中給出了時速200～250km·h-1正線有砟軌道鋪設(shè)Ⅲ型混凝土軌枕，每根軌枕長2.6m，底面寬度為0.32m。

（2）路基面設(shè)計(jì)應(yīng)力幅值

根據(jù)《高速鐵路工程測量規(guī)范》（TB 10601-2009），動應(yīng)力幅值計(jì)算見式（1）。

（3）激振設(shè)備混凝土板設(shè)計(jì)

為了滿足上述路基面的設(shè)計(jì)動應(yīng)力，綜合考慮激振設(shè)備的穩(wěn)定性、激振器的加載參數(shù)、現(xiàn)場設(shè)備的吊裝及混凝土板中的構(gòu)造筋的鋪設(shè)等因素，最終擬定混凝土塊的尺寸為2.6×2.6×0.3m。

（4）路基面實(shí)際動應(yīng)力參數(shù)

在確定激振設(shè)備及混凝土配重后，現(xiàn)場實(shí)際取值計(jì)算得試驗(yàn)系統(tǒng)總靜重為1 5 0. 8 9k N。對應(yīng)加載頻率1 3 H z，最大激振力為30.50k N，施加到路基面上的最大動應(yīng)力為8 0. 6 2 k P a，最小動應(yīng)力為5 3 . 5 0 k P a，動應(yīng)力幅值13.56kPa。本試驗(yàn)激振位置在加筋體的頂面，其設(shè)計(jì)上部還有基床強(qiáng)化層和道砟。

3.試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1動應(yīng)力分析

動應(yīng)力能反映出列車通過時加筋土擋墻路基內(nèi)部的動力作用大小，體現(xiàn)出列車動荷載在加筋體內(nèi)部的傳遞機(jī)制，影響路基的穩(wěn)定性和永久變形大小。

（1）豎向動土應(yīng)力隨激振次數(shù)變化分析。①隨激振次數(shù)的增加靠近激振點(diǎn)附近的動壓力有微小的波動，中下部豎向動土壓力值大小無明顯變化，擋墻在長期循環(huán)荷載作用下表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性、適應(yīng)性。②擋墻內(nèi)部各層的豎向動土壓力存在一定的差異，上部受波動較大施工時要加強(qiáng)擋墻上部的施工質(zhì)量，提高擋墻加筋填料的壓實(shí)度，提高擋墻整體剛度，保證擋墻在較高的動力下保持穩(wěn)定。

（2）水平動土應(yīng)力隨激振次數(shù)變化分析。①加筋土擋墻路基內(nèi)部水平動土壓力隨加載次數(shù)的增加而略有減小并趨于穩(wěn)定，原因是擋墻的面板因振動發(fā)生了背離土體的移動，使水平動土壓力部分得到釋放，隨著激振次數(shù)的增加筋材與土體之間的相互作用也進(jìn)一步增強(qiáng)，加筋體逐漸達(dá)到密實(shí)，剛度逐漸增加，整體性趨于穩(wěn)定，水平動土壓力保持不變。②實(shí)測最大水平動土壓力位于墻高6m處，其值約為4.96kPa，約占頂面最大豎向動土壓力的7.0%，面板實(shí)際受到的水平動土壓力已經(jīng)很小，說明筋材的鋪設(shè)給路基提供了一定的側(cè)向約束，承擔(dān)了部分墻面板受到的水平動土壓力，由于筋材與土體形成復(fù)合體使動力向下的擴(kuò)散角變大，影響深度減小，造成擋墻上部受水平動應(yīng)力較大。

（3）豎向動土壓力沿墻高的衰減。①加筋擋墻內(nèi)部的豎向動土壓力在擋墻內(nèi)部距離激振頂面深度2.4m范圍內(nèi)衰減較快，2.4m以下豎向動土壓力衰減緩慢。②在加筋擋墻路基內(nèi)部距激振荷載作用點(diǎn)下2.4m處，豎向動土壓力衰減了78～81%，說明筋材與土體之間的摩擦、嵌固作用消耗了大部分動應(yīng)力，同時加筋體的形成使路基的承載面積變大，弱化了剪切作用力，均化了動應(yīng)力，使動應(yīng)力傳播深度減小衰減速率變慢。

（4）水平動土壓力沿墻高的衰減。墻背處水平動土壓力基本呈線性衰減，從擋墻路基深2.4～3.6m處水平動土壓力衰減了約54%，表明加筋擋墻在中上部墻背處水平動土壓力較大，是較容易發(fā)生擋墻面板破壞的位置。

3.2加速度分析

路基內(nèi)部的振動加速度的大小是評價振動荷載對路基結(jié)構(gòu)及上部軌道結(jié)構(gòu)破壞作用的重要參數(shù)，振動加速度隨加載次數(shù)的變化規(guī)律描繪了加筋土擋墻路基的穩(wěn)定性。

（1）加速度隨加載次數(shù)的變化分析。隨加載次數(shù)的增加加速度響應(yīng)大小無明顯波動，加筋土擋墻路基內(nèi)部振動加速度均<5m·s-2，這是由于隨著激振次數(shù)的增加，筋材與土體之間的摩擦和嵌固作用增強(qiáng)，本身剛度較大的加筋體剛度進(jìn)一步增加，擋墻整體性增強(qiáng)，隨著加筋體剛度的增加加速度響應(yīng)會減小，加筋體擋墻的本身剛度較大，在200萬次激振荷載作用下表現(xiàn)出了良好的長期動力穩(wěn)定性。

（2）加速度沿墻高的衰減規(guī)律。①豎向加速度峰值沿墻高呈指數(shù)型衰減，且上部衰減速率大于擋墻路基下部。這是由于加筋體的幾何效應(yīng)與材料的阻尼作用使動態(tài)響應(yīng)逐漸減弱，同時擋墻剛度隨深度增加逐漸增大，剛度增加使擋墻下部加速度響應(yīng)變小。②從數(shù)值上來看在墻深1.8m以上豎向加速度基本呈線性衰減，衰減率為59～66%，衰減速率較快；墻深1.8m以下衰減速率變緩。這是由于筋材的存在使路基的整體增強(qiáng)，在動載作用下，顆粒重分布得到阻止，土體承載范圍變大，加速度值表現(xiàn)出衰減且衰減速率較大。

3.3動位移分析

動位移大小能反映路基系統(tǒng)的振動劇烈程度和路基的彈塑性變形的變化情況。

（1）動位移隨加載次數(shù)的變化。隨激振次數(shù)的增加擋墻路基內(nèi)部的豎向動變形沒有明顯的變化，只在靠近激振點(diǎn)處有稍許的波動，但動位移變化值不大，表明在激振200萬次后，加筋土擋墻路基仍處于彈性工作狀態(tài)。

（2）動位移沿墻高的衰減。①擋墻路基內(nèi)部動變形沿路基深度大致呈指數(shù)型衰減，并且衰減速率逐漸變緩。從數(shù)值來看，路基深1.8m處動位移衰減了63～65%，加筋體上部單位深度衰減率較為明顯，隨著路基深度的逐漸增加，各層的凈衰減率逐漸減小。②墻背處動彈性變形呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，且隨激振次數(shù)的增加動彈性變形值有減小的趨勢，這是由于動載作用前期，墻面板后的加筋土體與面板的相互耦合作用產(chǎn)生微小變形，隨著激振次數(shù)的增加模塊式面板的剛度大、筋材與土體相互作用，較好的限制了動變形并趨于穩(wěn)定。

4.結(jié)束語

綜上所述，加筋土擋墻作為一種結(jié)構(gòu)路基形式首次在高鐵上應(yīng)用，不論是從動特性還是工后沉降變形角度，均能滿足動力穩(wěn)定性要求。該工程工后路基頂面的單點(diǎn)沉降計(jì)測得沉降最大值在15mm左右，能滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621-2014）中關(guān)于有砟軌道對沉降的要求，即滿足

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