基于Arias强度的液化场地中T形挡土墙的抗震性能

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic performance of T-shaped retaining walls in liquefiable sites based on Arias Intensity

通过振动台试验研究液化场地T形挡土墙的地震性能，揭示孔隙水压力比与Arias强度非线性关系，提出单参数经验模型。分析表明地震响应不仅与峰值地面加速度相关，更取决于累积输入能量，并建立动土推力与墙顶位移的经验关系。

　　

詹鹏·季|张新雷|程文林|胡正阳|高红梅|王志华|周海军|周永杰

南京工业大学城市地下空间研究中心，南京，211816，中国

摘要

通过一系列的大规模振动台试验，研究了液化场地中T形挡土墙的抗震性能。本研究考察了回填砂中的超孔隙水压力、土墙系统的加速度以及墙顶的水平位移，特别关注它们与Arias强度（I_a）的相关性。结果表明，回填砂的超孔隙水压力比（r_u）受输入地震能量的控制，这由I_a表征。这一累积过程可以分为三个阶段：缓慢积累、快速发展和稳定平台期。为了捕捉这种行为，建立了一个单参数经验模型，将r_u与I_a联系起来。此外，挡土墙的抗震响应不仅取决于地震波的峰值地面加速度（PGA），还取决于地震波作用期间的总能量。仅依赖PGA可能会导致对动态位移响应的严重低估，尤其是在长时程和低幅值输入地震波的情况下。基于能量的分析揭示了墙位移的明显两阶段行为，该行为由一个能量阈值（I_a,th）定义。在输入能量超过I_a,th之前，墙保持静止；之后，位移随I_{a线性增加。值得注意的是，引发位移所需的Ia,th随着输入地震波的PGA增加而增加。最后，利用Ia作为连接变量，建立了墙顶动态土推力与水平位移之间的经验关系。这一关系为挡土墙的抗震性能分析提供了新的基础。}

引言

挡土墙是基础设施项目中广泛用于边坡支撑的关键岩土结构，如道路、铁路和港口，以确保回填土的稳定性[1,2]。然而，这些结构在地震波作用下的稳定性是一个复杂的问题，特别是对于位于液化场地的挡土墙而言。这种情况对其抗震性能构成了严重威胁[3,4]。实际上，在最近的地震中，液化场地中的挡土墙频繁发生破坏[[5], [6], [7]]，突显了它们对地震波和土壤液化双重危害的脆弱性。

挡土墙的抗震性能长期以来一直是广泛研究的主题，通常涉及理论分析、数值建模和物理实验。这些研究旨在改进抗震设计实践。理论分析主要基于动态模型，关注作用在墙上的动态土压力及其分布模式[[8], [9], [10]]。例如，王[11]应用了平面滑动面假设的水平切片方法来计算土压力分布。袁等人[12]后来通过引入层间剪切强度激活因子改进了这种方法，解决了先前被动土压力计算中层间剪切力的局限性，并建立了一种通用计算方法。此外，林等人[10]提出了粘性-摩擦土中地震主动土压力非线性分布的通用解。这种方法克服了Mononobe-Okabe（M-O）理论的一个关键局限性，考虑了土壤的粘聚力并捕捉了非线性压力分布。作为分析方法的补充，数值建模采用了计算技术，如有限元方法（FEM）和离散元方法（DEM）来模拟挡土墙的应力和变形响应[[13], [14], [15]]。例如，郝等人[16]利用非线性FEM研究了高加固土挡土墙的响应，表明响应取决于地震波的频谱特性和强度以及墙的放大效应。孙等人[17]使用FEM模拟了由悬臂挡土墙支撑的微桩加固边坡，分析了土压力作用点以及变形和破坏模式。最后，物理实验是评估抗震性能的重要方法，因为它能够再现真实的地震条件[18,19]。曲等人[20]对地质网格加固的重力挡土墙进行了振动台试验，并使用Hilbert边际谱分析了其动态破坏模式。同样，朱等人[21]使用振动台试验和数值模拟对重力挡土墙进行了动态响应和脆弱性分析，发现峰值地面加速度（PGA）与墙的位移指数之间存在近似指数关系。总体而言，这些发现为挡土墙的抗震性能分析提供了坚实的理论基础和关键数据。

尽管PGA被广泛使用，但它无法考虑累积持续时间和频谱效应，可能导致对场地液化和结构损坏的低估，而这些更多地受到吸收地震能量的控制[22,23]。基于能量的抗震设计方法结合了力和位移两种理念，不仅是对现有设计方法的补充，也是推进基于性能的抗震设计的催化剂。为此，郑等人[24]基于等效速度表示法，开发了四段弹性单自由度（SDOF）系统总地震输入能量谱的公式。他们的研究为不同场地类型和地震强度水平的标准化等效速度谱提供了参数值，为基于能量的结构设计提供了有价值的参考。此外，曲等人[25]基于能量原理开发了重力挡土墙的理论模型。他们的工作解决了传统方法的一个关键局限性，即未能考虑连续地震波的累积效应。通过假设曲线滑动面，他们的模型使用能量平衡方程来计算土压力响应的完整时间历史。鉴于孔隙压力累积和土壤软化本质上是能量驱动的过程，采用Arias强度（I_a）（整合了整个加速度时间历史）与基于峰值的指标相比，提供了更符合物理特性的土壤-墙系统总地震需求的表征[26,27]。

在本研究中，进行了一系列振动台试验，以研究T形悬臂挡土墙的动态行为及其与液化场地的相互作用。在不同地震波条件下分析了墙和回填砂的动态响应。研究了墙-土系统的抗震响应与Arias强度（I_a）之间的关系。此外，建立了墙顶水平位移与动态土推力之间的经验关系。本研究的目的是为基于液化场地的T形悬臂挡土墙的抗震设计提供有价值的指导。

设备与模型缩放律

实验使用了一个大规模单向振动台系统。其主要技术规格包括平台尺寸为4.86米×3.36米（长度×宽度），最大载荷为25吨，最大水平位移为±120毫米，最大水平加速度为±1.0g。作为土壤容器的层流剪切土箱，其内部净尺寸为3.5米×2.0米×2.0米（长度×宽度×高度）。

宏观现象

在深入分析记录信号之前，首先检查了宏观实验现象，以评估土墙系统的破坏模式。图5展示了Taft 0.6g激励后观察到的典型地面变形和结构位移。回填表面上明显出现了土壤液化的证据，表现为沙子沸腾。液化土壤的侧向扩散导致了明显的地面裂缝模式：

Arias强度与动态土推力之间的关系

图16展示了不同测试案例中Arias强度（I_a）与动态土推力（F_p）之间的关系。虽然F_p通常与I_a正相关，但F_p与I_a之间的关系取决于PGA水平。观察到，在更高强度的激励下，需要更多的地震能量输入（更高的I_a）来产生相同水平的动态推力。这种现象可以归因于能量的增强

结论

本研究通过一系列振动台试验研究了液化场地中T形挡土墙的抗震性能。分析了墙和回填砂在不同类型和强度的地震作用下的动态响应。分别建立了Arias强度（I_a）与动态土推力和墙顶水平位移之间的个体关系。通过这个共同的I_a联系，得出了一个功能关系

CRediT作者贡献声明

詹鹏·季：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，方法论，形式分析，数据管理，概念化。张新雷：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，监督，软件，概念化。程文林：验证。胡正阳：形式分析。高红梅：方法论，调查，资金获取。王志华：资源，资金获取。周海军：可视化。周永杰：调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们想感谢国家自然科学基金项目（项目编号：52178336、52478346和52578411）对这项研究的财政支持。作者还要衷心感谢匿名审稿人的细致和批判性审阅，这极大地帮助提高了手稿的清晰度和质量。