一种用于对由岩嵌桩基础支撑的挡土墙上地震作用进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

通过缩尺挡土墙模型与旋转弹簧模拟基础，进行1g地震动台试验，研究回填土惯性力对挡土墙地震响应的影响，揭示弹性旋转对主动/被动旋转的显著作用。

　　

罗希特·蒂瓦里（Rohit Tiwari）| 安基特·巴尔德瓦杰（Ankit Bhardwaj）| 尼尔森·兰姆（Nelson Lam）

技术设计与工程，新南威尔士州运输部门，新南威尔士州，2150，澳大利亚

摘要

在本研究中，对一个缩放版的挡土墙（RW）模型进行了多次1g地震台实验，该模型放置在旋转弹簧组件上。这种新颖的物理建模方法克服了缩放版挡土墙和混凝土岩嵌桩（RSP）基础复杂物理建模的挑战。评估了缩放版挡土墙模型复制原型挡土墙地震响应的能力。通过使用多种高速度脉冲和不同最大施加加速度（A_max-Applied）的脉冲序列，对缩放版挡土墙模型进行了地震台实验。通过捕捉缩放版挡土墙的位移和旋转以及回填土中的加速度来研究其地震响应。观察到回填土的惯性力主导了缩放版挡土墙-旋转弹簧组件的地震位移和旋转。在输入高速度脉冲时，发现回填土顶部的水平加速度（A_X）发生了衰减。旋转弹簧的弹性旋转对缩放版挡土墙的主动和被动旋转产生了显著影响，这突显了在支撑挡土墙时考虑RSP基础延性的重要性。

引言

挡土墙（RW）由于能够轻松适应各种基础设施的支撑需求，被认为是现代基础设施中的关键组成部分。挡土墙不仅为所支撑的结构提供稳定性，还影响其在不同荷载条件下的性能。鉴于其在现代基础设施中的重要性，应评估挡土墙的地震性能，以确保基础设施系统的安全性和可靠性。在过去的地震中，各种挡土墙的过度向外移动和旋转对其本身及其所支撑的结构造成了严重损坏（[1]；[2]；[3]）。地震荷载会在回填土中产生比挡土墙本身更大的惯性力。这些增强的惯性力会对挡土墙施加额外的压力，可能引发其移动（[4]，[5]，[6]）。许多研究人员研究了作用在受约束和滑动挡土墙上的地震土压力，并得出结论：地震土压力的大小主要取决于最大施加加速度（A_max-Applied）、回填土类型、高度、挡土墙的柔韧性和支撑条件（[6]，[7]，[8]）。另一方面，不同挡土墙的地震位移和旋转受到回填土剪切强度的激活、剪切模量退化以及挡土墙基础变形的显著影响[9,10]。众所周知，在问题土壤或承载能力较低的土壤中，使用桩基础来支撑不同类型的挡土墙结构是常见的做法。岩嵌桩（RSP）基础通过将轴向和横向荷载传递到更坚固的岩层中来支撑各种结构。RSP的嵌套长度取决于岩石强度、地质条件、荷载大小和桩直径[11]。轴向受载的RSP的端承载能力可以根据桩载荷试验的结果或经验公式进行估算[12]，[13]。

当受到横向荷载时，可以利用p-y方法（[14]；[15]）来估算桩的p-y关系。在地震荷载情况下，利用桩基础的抗弯强度来耗散地震诱导的力是现代承载能力设计的一个重要方面。桩基础的承载能力设计允许桩在靠近桩帽的位置发挥其抗弯强度，以耗散地震能量，并适应地震后的监测和修复工作。然而，在支撑挡土墙时，增强的动态回填土压力会对刚性挡土墙施加显著的动态力矩（旋转），这种复合的地震作用可能导致桩的抗弯强度完全被激活，从而引起挡土墙的过度旋转[16]。此外，对于由RSP基础支撑的挡土墙，由于质量集中效应，桩头的地震诱导旋转可能非常显著。因此，需要考虑RSP的地震旋转和位移，以确保挡土墙和其他由RSP基础支撑的挡土结构的地震性能的稳健性和可靠性。已经进行了多项研究，探讨地震强度、结构延性和桩直径对具有深基础挡土墙地震响应的影响[16]，[17]，[18]。还对缩放版和大型挡土结构进行了实验研究，以了解地震作用对它们的影响[9],[19]，[20]，[21]；[22]；[23]。然而，关于基于桩基础的挡土结构的地震诱导位移或旋转的研究相对较少。固定端桩的横向位移的静态服务极限建议为桩直径的1%[11]。桩的横向位移的最大弹性极限建议为桩直径的2%至4%，超过这个范围可能会导致桩发生塑性变形，从而导致挡土墙在弱土层中过度沉降[17]。Callisto和Rampello[16]进行了分析研究，探讨了基于桩基础的桥墩的曲率延性要求，并观察到桩中的惯性力与作用在桥墩上的惯性力有关。Ichihara和Matsuzawa[24]、Sherif和Feng[25]以及Ishibashi和Fang[26]对考虑墙体旋转的挡土墙进行了地震台实验，并观察到了回填土压力的非线性分布。

根据详细的文献综述，可以总结出，由RSP基础支撑的挡土墙的地震性能主要取决于挡土墙-桩组合体的地震位移/旋转以及回填土的惯性力。然而，文献中尚未提出考虑RSP基础对挡土墙地震响应影响的详细实验研究。此外，文献中也未讨论RSP的弹性旋转对挡土墙和回填土地震性能的作用。

因此，对一个缩放版的挡土墙模型进行了详细的地震台实验，验证了该模型复制原型挡土墙地震响应的能力。采用旋转弹簧实现了RSP基础的缩放旋转，这是一种新颖的物理建模方法。第2节介绍了挡土墙和旋转弹簧组件的物理建模细节。第3节介绍了缩放版挡土墙模型的构建过程。分析了放置在旋转弹簧上的缩放版挡土墙模型在两种不同类型输入激励下的地震响应。进行了两组不同的地震台实验，一组使用多种高速度脉冲，另一组使用具有不同峰值加速度的脉冲序列。根据捕获的响应，研究了缩放版挡土墙模型在强迫振动和自由振动阶段、回填土加速度、挡土墙位移和挡土墙旋转方面的地震响应。还研究了不同A_{max-Applied下回填土剪切强度的激活情况。}

部分摘录

缩放版挡土墙的物理建模

在地质技术结构中，物理模型被广泛用于研究其在不同荷载条件下的复杂行为（[21]；Yazdan，2017；[23]）。在地震工程中，可以通过对其施加不同形式的动态荷载来评估地质技术模型的地震响应。可以使用大型地震台对原型或大型地质技术模型进行地震台实验，以评估其地震性能。或者，也可以采用其他方法

缩放版挡土墙模型的构建

缩放版挡土墙模型的构建首先是在模型底部放置旋转弹簧。制作了一个木制容器来支撑不同旋转弹簧的位置，并保持缩放版挡土墙后面的回填土。图12a和b显示了缩放版挡土墙底部不同旋转弹簧的布置情况。直径为22.5毫米的旋转弹簧安装在一个直径为19毫米的钢棒上，以确保它们能够连续旋转并便于操作

仪器设置

使用高分辨率激光传感器和加速度计分别捕捉缩放版挡土墙和回填土的位移和加速度响应。图14展示了缩放版挡土墙模型的仪器设置。安装了三个激光传感器，用于捕捉缩放版挡土墙顶部下方13毫米、189毫米和313毫米处的位移，以及一个激光传感器用于捕捉地震台平台的移动。还安装了多个单轴加速度计

地震台实验的输入激励选择

通过对模型底部施加两组不同的脉冲来对缩放版挡土墙模型进行地震台实验。第一组输入脉冲包括多个高速度脉冲（也称为拔弦试验），这些脉冲在结构动力学中常用于评估强迫振动和自由振动阶段的结构响应。图15显示了用于拔弦试验的典型高速度脉冲。每次拔弦试验后，都会检查缩放模型

高速度脉冲作为输入基础激励

分析了缩放版挡土墙模型在不同高速度脉冲作用下的动态响应，包括强迫振动和自由振动阶段。为了估算缩放版挡土墙模型的固有频率，对回填土顶部捕获的加速度进行了不同频域分析。图17显示，当施加最大位移为25毫米的高速度脉冲时，缩放版挡土墙模型的第一固有频率估计为27赫兹（U_max-Applied

结论

对一个放置在不同旋转弹簧上的缩放版聚碳酸酯挡土墙模型进行了详细的地震台实验，这些弹簧代表了RSP基础的缩放旋转刚度。这种新颖的物理建模方法能够复制由RSP基础支撑的原型挡土墙的地震响应。使用RSP基础支撑的原型挡土墙的2D有限元模型确定了旋转弹簧的缩放旋转刚度。进行了多项地震台实验

本研究工作的局限性

本研究表明，RSP的延性响应可以显著提高挡土墙的地震性能。使用旋转弹簧组件对原型RSP的缩放旋转刚度进行了建模，这是一种克服RSP基础缩放建模相关挑战的新方法。然而，本研究的一个关键局限性是采用了原型RSP的平均旋转刚度来构建缩放模型

CRediT作者贡献声明

罗希特·蒂瓦里（Rohit Tiwari）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、概念化。安基特·巴尔德瓦杰（Ankit Bhardwaj）：撰写——审阅与编辑、调查、正式分析。尼尔森·兰姆（Nelson Lam）：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

衷心感谢澳大利亚联邦政府通过合作研究中心（CRC）计划提供的支持。同时感谢墨尔本大学（UOM）在作者攻读博士学位期间提供的奖学金，用于支付生活费用。