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        一種用于對由巖嵌樁基礎支撐的擋土墻上地震作用進行物理建模的新方法

        《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》:A novel approach for physical modelling of seismic actions on a retaining wall supported by the rock-socketed pile foundation

        【字體: 時間:2026年02月27日 來源:Soil Dynamics and Earthquake Engineering 4.6

        編輯推薦:

          通過縮尺擋土墻模型與旋轉彈簧模擬基礎,進行1g地震動臺試驗,研究回填土慣性力對擋土墻地震響應的影響,揭示彈性旋轉對主動/被動旋轉的顯著作用。

          
        羅希特·蒂瓦里(Rohit Tiwari)| 安基特·巴爾德瓦杰(Ankit Bhardwaj)| 尼爾森·蘭姆(Nelson Lam)
        技術設計與工程,新南威爾士州運輸部門,新南威爾士州,2150,澳大利亞

        摘要

        在本研究中,對一個縮放版的擋土墻(RW)模型進行了多次1g地震臺實驗,該模型放置在旋轉彈簧組件上。這種新穎的物理建模方法克服了縮放版擋土墻和混凝土巖嵌樁(RSP)基礎復雜物理建模的挑戰。評估了縮放版擋土墻模型復制原型擋土墻地震響應的能力。通過使用多種高速度脈沖和不同最大施加加速度(Amax-Applied)的脈沖序列,對縮放版擋土墻模型進行了地震臺實驗。通過捕捉縮放版擋土墻的位移和旋轉以及回填土中的加速度來研究其地震響應。觀察到回填土的慣性力主導了縮放版擋土墻-旋轉彈簧組件的地震位移和旋轉。在輸入高速度脈沖時,發現回填土頂部的水平加速度(AX)發生了衰減。旋轉彈簧的彈性旋轉對縮放版擋土墻的主動和被動旋轉產生了顯著影響,這突顯了在支撐擋土墻時考慮RSP基礎延性的重要性。

        引言

        擋土墻(RW)由于能夠輕松適應各種基礎設施的支撐需求,被認為是現代基礎設施中的關鍵組成部分。擋土墻不僅為所支撐的結構提供穩定性,還影響其在不同荷載條件下的性能。鑒于其在現代基礎設施中的重要性,應評估擋土墻的地震性能,以確保基礎設施系統的安全性和可靠性。在過去的地震中,各種擋土墻的過度向外移動和旋轉對其本身及其所支撐的結構造成了嚴重損壞([1];[2];[3])。地震荷載會在回填土中產生比擋土墻本身更大的慣性力。這些增強的慣性力會對擋土墻施加額外的壓力,可能引發其移動([4],[5],[6])。許多研究人員研究了作用在受約束和滑動擋土墻上的地震土壓力,并得出結論:地震土壓力的大小主要取決于最大施加加速度(Amax-Applied)、回填土類型、高度、擋土墻的柔韌性和支撐條件([6],[7],[8])。另一方面,不同擋土墻的地震位移和旋轉受到回填土剪切強度的激活、剪切模量退化以及擋土墻基礎變形的顯著影響[9,10]。眾所周知,在問題土壤或承載能力較低的土壤中,使用樁基礎來支撐不同類型的擋土墻結構是常見的做法。巖嵌樁(RSP)基礎通過將軸向和橫向荷載傳遞到更堅固的巖層中來支撐各種結構。RSP的嵌套長度取決于巖石強度、地質條件、荷載大小和樁直徑[11]。軸向受載的RSP的端承載能力可以根據樁載荷試驗的結果或經驗公式進行估算[12],[13]。
        當受到橫向荷載時,可以利用p-y方法([14];[15])來估算樁的p-y關系。在地震荷載情況下,利用樁基礎的抗彎強度來耗散地震誘導的力是現代承載能力設計的一個重要方面。樁基礎的承載能力設計允許樁在靠近樁帽的位置發揮其抗彎強度,以耗散地震能量,并適應地震后的監測和修復工作。然而,在支撐擋土墻時,增強的動態回填土壓力會對剛性擋土墻施加顯著的動態力矩(旋轉),這種復合的地震作用可能導致樁的抗彎強度完全被激活,從而引起擋土墻的過度旋轉[16]。此外,對于由RSP基礎支撐的擋土墻,由于質量集中效應,樁頭的地震誘導旋轉可能非常顯著。因此,需要考慮RSP的地震旋轉和位移,以確保擋土墻和其他由RSP基礎支撐的擋土結構的地震性能的穩健性和可靠性。已經進行了多項研究,探討地震強度、結構延性和樁直徑對具有深基礎擋土墻地震響應的影響[16],[17],[18]。還對縮放版和大型擋土結構進行了實驗研究,以了解地震作用對它們的影響[9],[19],[20],[21];[22];[23]。然而,關于基于樁基礎的擋土結構的地震誘導位移或旋轉的研究相對較少。固定端樁的橫向位移的靜態服務極限建議為樁直徑的1%[11]。樁的橫向位移的最大彈性極限建議為樁直徑的2%至4%,超過這個范圍可能會導致樁發生塑性變形,從而導致擋土墻在弱土層中過度沉降[17]。Callisto和Rampello[16]進行了分析研究,探討了基于樁基礎的橋墩的曲率延性要求,并觀察到樁中的慣性力與作用在橋墩上的慣性力有關。Ichihara和Matsuzawa[24]、Sherif和Feng[25]以及Ishibashi和Fang[26]對考慮墻體旋轉的擋土墻進行了地震臺實驗,并觀察到了回填土壓力的非線性分布。
        根據詳細的文獻綜述,可以總結出,由RSP基礎支撐的擋土墻的地震性能主要取決于擋土墻-樁組合體的地震位移/旋轉以及回填土的慣性力。然而,文獻中尚未提出考慮RSP基礎對擋土墻地震響應影響的詳細實驗研究。此外,文獻中也未討論RSP的彈性旋轉對擋土墻和回填土地震性能的作用。
        因此,對一個縮放版的擋土墻模型進行了詳細的地震臺實驗,驗證了該模型復制原型擋土墻地震響應的能力。采用旋轉彈簧實現了RSP基礎的縮放旋轉,這是一種新穎的物理建模方法。第2節介紹了擋土墻和旋轉彈簧組件的物理建模細節。第3節介紹了縮放版擋土墻模型的構建過程。分析了放置在旋轉彈簧上的縮放版擋土墻模型在兩種不同類型輸入激勵下的地震響應。進行了兩組不同的地震臺實驗,一組使用多種高速度脈沖,另一組使用具有不同峰值加速度的脈沖序列。根據捕獲的響應,研究了縮放版擋土墻模型在強迫振動和自由振動階段、回填土加速度、擋土墻位移和擋土墻旋轉方面的地震響應。還研究了不同Amax-Applied下回填土剪切強度的激活情況。

        部分摘錄

        縮放版擋土墻的物理建模

        在地質技術結構中,物理模型被廣泛用于研究其在不同荷載條件下的復雜行為([21];Yazdan,2017;[23])。在地震工程中,可以通過對其施加不同形式的動態荷載來評估地質技術模型的地震響應。可以使用大型地震臺對原型或大型地質技術模型進行地震臺實驗,以評估其地震性能。或者,也可以采用其他方法

        縮放版擋土墻模型的構建

        縮放版擋土墻模型的構建首先是在模型底部放置旋轉彈簧。制作了一個木制容器來支撐不同旋轉彈簧的位置,并保持縮放版擋土墻后面的回填土。圖12a和b顯示了縮放版擋土墻底部不同旋轉彈簧的布置情況。直徑為22.5毫米的旋轉彈簧安裝在一個直徑為19毫米的鋼棒上,以確保它們能夠連續旋轉并便于操作

        儀器設置

        使用高分辨率激光傳感器和加速度計分別捕捉縮放版擋土墻和回填土的位移和加速度響應。圖14展示了縮放版擋土墻模型的儀器設置。安裝了三個激光傳感器,用于捕捉縮放版擋土墻頂部下方13毫米、189毫米和313毫米處的位移,以及一個激光傳感器用于捕捉地震臺平臺的移動。還安裝了多個單軸加速度計

        地震臺實驗的輸入激勵選擇

        通過對模型底部施加兩組不同的脈沖來對縮放版擋土墻模型進行地震臺實驗。第一組輸入脈沖包括多個高速度脈沖(也稱為拔弦試驗),這些脈沖在結構動力學中常用于評估強迫振動和自由振動階段的結構響應。圖15顯示了用于拔弦試驗的典型高速度脈沖。每次拔弦試驗后,都會檢查縮放模型

        高速度脈沖作為輸入基礎激勵

        分析了縮放版擋土墻模型在不同高速度脈沖作用下的動態響應,包括強迫振動和自由振動階段。為了估算縮放版擋土墻模型的固有頻率,對回填土頂部捕獲的加速度進行了不同頻域分析。圖17顯示,當施加最大位移為25毫米的高速度脈沖時,縮放版擋土墻模型的第一固有頻率估計為27赫茲(Umax-Applied

        結論

        對一個放置在不同旋轉彈簧上的縮放版聚碳酸酯擋土墻模型進行了詳細的地震臺實驗,這些彈簧代表了RSP基礎的縮放旋轉剛度。這種新穎的物理建模方法能夠復制由RSP基礎支撐的原型擋土墻的地震響應。使用RSP基礎支撐的原型擋土墻的2D有限元模型確定了旋轉彈簧的縮放旋轉剛度。進行了多項地震臺實驗

        本研究工作的局限性

        本研究表明,RSP的延性響應可以顯著提高擋土墻的地震性能。使用旋轉彈簧組件對原型RSP的縮放旋轉剛度進行了建模,這是一種克服RSP基礎縮放建模相關挑戰的新方法。然而,本研究的一個關鍵局限性是采用了原型RSP的平均旋轉剛度來構建縮放模型

        CRediT作者貢獻聲明

        羅希特·蒂瓦里(Rohit Tiwari):撰寫——審閱與編輯、撰寫——初稿、可視化、驗證、軟件、方法論、調查、正式分析、概念化。安基特·巴爾德瓦杰(Ankit Bhardwaj):撰寫——審閱與編輯、調查、正式分析。尼爾森·蘭姆(Nelson Lam):撰寫——審閱與編輯、監督、概念化。

        利益沖突聲明

        作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的財務利益或個人關系。

        致謝

        衷心感謝澳大利亞聯邦政府通過合作研究中心(CRC)計劃提供的支持。同時感謝墨爾本大學(UOM)在作者攻讀博士學位期間提供的獎學金,用于支付生活費用。
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