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文章编号（黑体加粗）：1000－
超载作用下剪力墙变形响应的离心机试验
Y.-B. Lee1, H.-Y. Ko2 and J. S. McCartney3
1Post-Doctoral Fellow, University of Colorado at Boulder, Department of Civil, Environmental, and
Architectural Engineering, UCB 428, Boulder, CO 80309, USA, Telephone: 1 303 492 0492,
Telefax: 1 303 492 7317, E-mail: yong.lee@colorado.edu
2Emeritus Professor, University of Colorado at Boulder, Department of Civil, Environmental, and
Architectural Engineering, UCB 428, Boulder, CO 80309, USA, Telephone: 1 303 492 0492,
Telefax: 1 303 492 7317, E-mail: ko@colorado.edu
3Assistant Professor and Barry Faculty Fellow, University of Colorado at Boulder, Department of Civil,
Environmental, and Architectural Engineering, UCB 428, Boulder, CO 80309, USA,
Telephone: 1 303 492 0492, Telefax: 1 303 492 7317, E-mail: john.mccartney@colorado.edu
摘 要：在科罗拉多等山区，通常需要延长高速公路路堤的宽度来添加行车线。在这种情况下，一个可行的设计选择方案是在现有的稳定堤岸旁建造一个机械稳定土（MSE）墙。由于稳定的路堤面存在，支撑机械稳定土（SMSE）墙可以用比传统MSE更短的增强材料长度来构造墙壁。尽管最近对SMSE墙的全面实地研究已经验证了这些系统的可行性，但仍需要对SMSE墙体系统的变形响应有更深入的了解。本文介绍了一种在土工离心机的附加负荷下评估SMSE墙体变形机制的测试方法。在离心机测试中，比例关系用于选择适当的增强材料来代表典型的全尺寸SMSE墙壁。该方法依赖于精密的仪器来测量用于施加附加负荷、侧面位移和内部应变加筋土块基础的竖直沉降。通过观察，附加负荷的作用仅影响了墙壁上部的变形响应以及发生在墙中间高度的最大侧面位移。利用试片（tell-tales）和数字成像仪器测试墙体内部增强体应变分布分析表明，SMSE墙中的土工合成增强材料最大拉伸应变的位置不同于传统MSE墙中的增强材料。该观察结果表明，应在SMSE墙内使用足够强的增强材料来避免附加负荷时内部破裂。
关 键 词：土工合成材料；MSE墙；道路系统；离心机试验；缩放；钢筋应变
1 引言
机械稳定土（MSE）墙的设计概念不断发展，以响应在陡峭地形下克服几何约束的需求或限制公路用地（Chang和Forsyth 1977; Allen等人1992; Tatsuoka等人1992; Izawa et人， 2009）。在这些新发展的系统中，支撑机械稳定土（SMSE）墙作为扩大宽度的技术得到普及（Woodruff 2003; Leshchinsky et al.2004; Law son and Yee 2005; Morrison et al.2006; Yang et al.2007）。SMSE墙被定义为建在一个稳定的路堤面前的MSE墙，其纵横比（钢筋长度与墙壁高度的比率）小于0.7。这个纵横比在传统MSE墙壁推荐的值是最小的（Elias等人 2001; AASHTO 2002; Collin 2002）。因为现有的斜坡已经稳定，对SMSE墙的主要设计要求是墙壁支撑其自重和任何附加负荷的最大值。SMSE墙往往有不同的侧向土压力，这是来自Rankine或Cou lomb类型分析的预期分布（Leshchinsky et al.2004; Lawson and Yee 2005;杨等人 2007）。此外， 在壁内的增强体中的拉应力分布不同于传统的MSE墙，可能导致不同的变形和失效机理。传统的MSE墙通常在墙脚趾附近的增强体因内部破裂而失效，而墙顶附近的增强体拔出或整体失稳（Koerner和宋2001年; Yoo和Jung 2006;哈达德Shafabakhsh 2008）。相反，在没有附加负荷作用下，SMSE墙的破坏通常是由于内部破裂或倾覆（Woodruff 2003）。对于在有附加负荷的SMSE墙壁的失效模式是没有可利用的证据，可能是附加负荷有助于抵抗倾覆。技术文献中形成的SMSE墙壁性能的可用数据库包括相对少量的全面现场测试（Morrison等人2006），离心机建模参数研究（Woodruff 2003）和数值分析（Leshchinsky等2004;杨等人2007）。但是，这个数据库仍然没有提供可用于了解SMSE墙壁和传统的MSE墙壁的响应差异的全面信息。这项研究的目标是通过离心机建模的延伸来开发一种岩土工程测试方法。这种方法可以用于扩展SMSE墙壁性能的数据库，用于验证数值分析的信息和提供设计指导的基础。
2 剪力墙特性
2.1以前的离心机测试
Woodruff（2003）在MSE墙上进行了一系列离心机测试，以研究具有不同几何构型的墙体的失效机理. 该参数研究包括具有宽高比的墙壁范围从0.17到0.90两种类型构建具有不同增强物的非织造土工织物优势。对于给定的SMSE墙模型，Woodruff（2003）增加了G级，直到发生故障。 三次失败模式被观察到：内部故障（一个故障平面穿过墙壁）; 复合故障（失败平面通过顶部的支撑墙界面墙壁区域和相交的下加强层）;和外部故障（倾覆）。SMSE墙模型长宽比大于0.7（这代表传统MSE墙）经历了内部故障，失败平面具有与朗肯失效一致的形状表面。然而，随着纵横比的降低，Woodruff（2003）观察到，失败模式从内部转变为翻倒失败。 纵横比降低表明a仍然遵循Rankine故障表面的故障平面直到相交稳定的面，在其上滑动发生在稳定的面上。这表明稳定的表面可能起到边界效应的作用，从而改变了加筋土区的应力分布。
2.2以前的离心机测试
Morrison等人 （2006）调查了在美国华盛顿特纳费尔班克斯高速公路研究中心建造的全尺寸SMSE墙的性能。 田间尺度试验墙的高度为5.5 m，短MSEreinforce（即0.25H的底宽增加到顶端的0.4H）墙体由湿砂浆砂石构成，加入12层Tensar1 UX1500MSEgeogrid，一种通常用于MSE墙的高密度聚乙烯（HDPE）单轴格栅。 墙面由一层电焊网组成，一种面向防止沙子损失的防水纺织布，以及土工格栅加固层的环绕部分。 SMSEwall和支撑墙组件是用1:24和1：6（水平：垂直）634/5000
分别。 在混凝土坑中构建的现场测试墙由两个宽度为3.5米的半部组成。 通过将土工格栅连接到支撑墙上来构建墙的一半; 另一半的增援部队则没有联系。 通过对位于试验墙顶部的尺寸为2.5米31.0米的混凝土基础施加额外的荷载，对墙的两半分别进行了测试。 增量载荷应用于混凝土梁基脚，导致最大附加压力为356 kPa。 连接的墙与没有连接的墙之间的行为差异不大
在最大附加负荷356 kPa的情况下，两种场地规模的加筋土墙被认为是合适的。 在此附加负载下获得最大垂直底脚沉降约17毫米。 使用与土工格栅粘合的应变计测量的增强物中的应变通常随着施加的压力增加而增加。 尽管最大应变小于1％，但在壁的顶部测得的应变值较大。 这表明在现场测试中只有一小部分土工格栅的强度已经动员起来。下层最大应变的位置靠近支撑墙，这与Woodruff（2003）测试的SMSE墙模型中观察到的破坏面的位置相矛盾，在最大附加负荷356 kPa的情况下，两种场地规模的加筋土墙被认为是合适的。 在此附加负载下获得最大垂直底脚沉降约17毫米。 使用与土工格栅粘合的应变计测量的增强物中的应变通常随着施加的压力增加而增加。 尽管最大应变小于1％，但在壁的顶部测得的应变值较大。 这表明在现场测试中只有一小部分土工格栅的强度已经动员起来。下层最大应变的位置靠近支撑墙，这与Woodruff（2003）测试的SMSE墙模型中观察到的破坏面的位置相矛盾，这可能是由于安装和加载过程中现场应变计损坏造成的。在无连接墙的支护墙附近测得的侧向土压力小于或等于兰金理论的主动土压力，即使在最大附加压力356千帕。 在墙的较低部分观察到8mm的最大横向运动，并且从安装在墙面的倾斜计观察到的墙的顶部没有观察到变形。 这与常规MSE墙的行为形成对比，这表明最大面向位移应该发生在墙的中部或顶部附近（Gotteland等1997; Bueno等2005; Hatamiand Bathurst 2005,2006; Wu等2006）。 然而，这种差异可能是由于测斜仪设置用于测量壁面偏转，因为测斜仪套管在壁顶部和壁部都受到限制基础。 报道相对于测斜仪套管顶部的侧向运动。 这些问题可能导致Morrison等人错误地识别最大壁面偏转的位置。（2006年）。 Morrison等人的实地测量数据。 （2006）由Lee等人详细评估 （2010）。一般来说，Morrison等人报道的田间尺度测试结果 （2006）提供了对SMSE墙体系统行为的深入了解，并指出SMSE墙体可能是延长稳定边坡宽度的可行解决方案。然而，需要额外的测试来揭示SMSE墙体和传统MSE墙体的变形行为之间的差异。 本文中介绍的离心机测试方法提供了一种经济有效的方法，用于在全面的现场测试中阐明数据记录的问题。
3 扩展关系
3.1 几何缩放
土工离心机已用于物理建模，因为模型和原型之间的相似条件可以通过施加离心力来增加模型的重力水平来实现。相关的原型几何和本构参数可以根据离心机模型进行缩放到Ko（1988）总结的法律。这里描述的SMSE墙模型是Morrison等人评估的场尺度测试墙的尺寸的十分之一。 （2006年）。尽管SMSE墙模型被缩放以复制Morrison等人测试的墙的尺寸。 （2006年），本研究的目标不是执行离心机测试来复制此特定现场测试的行为。 Morrison等人的实地测试。 （2006）没有被用作原型，因为难以评估现场仪器的数据质量。这个比例因子还允许在最大尺寸的0.24米宽3 0.63米长30.72米高的最高强度箱内构建最大尺寸的SMSE墙模型），这些尺寸可以放置在大学土工离心机的篮子内科罗拉多在博尔德。较大的模型高度（550 mm）有助于适应用于测量SMSE壁变形的密集仪器阵列。
3.2 缩放钢筋属性
在加筋土结构的离心机建模中遇到的一个挑战是土工合成材料性能的缩放。 其中包括每单位长度的抗拉强度，用于确保钢筋破裂的安全裕度，以及每单位长度的拉伸刚度，这是确定工作负荷下的土工合成应变所需的。 文献（Law等1992; Springman等1992; Porbaha和Goodings 1996; Zornberg等1998; Viswanadham和Kouml;nig1999）对地基技术离心机试验中的土工合成增强特性的缩放关系进行了全面评估 2004年，2009年）。 假设增援中的应力和应变满足Ko（1988）总结的比例关系，模型土工格栅抗拉强度的比例因子可定义为
下标m和p代表模型和原型，分别; T是抗拉强度土工格栅;Eg是土工格栅的杨氏模量;ε是土工格栅的拉伸应变;Arsquo;是肋骨横截面，每单位长度的截面积; tg是肋骨的厚度土工格栅。同样，该比例的关系割线刚度（Jr）也可以定义为1 / N，因为T=Jrε这个事实。换句话说，假设在模型和原型中使用相同的土壤结构（确保类似的联锁和接口摩擦行为），应该获得类似的变形在模型和原型SMSE墙壁如果模型钢筋具有拉伸强度和刚度如图所示，为原型钢筋的1 / N倍在图1的示意图中.Zornberg等人（1997年）通过假设有效性来验证这些缩放关系极限平衡在计算alpha;稳定性中的应用加筋土坡。此外，土工格栅筋的横截面在纵向和横向上每单位长度的面积方向应该按N缩小以获得几何相似（Springman等，1992; Viswanadham和Ko#39;nig 2004）。
图1.模型和原型土工格栅的示意拉伸应力 - 应变曲线，突出了离心缩放关系的定义
Wu等人 （2006）建议将土工合成材料的抗拉强度定义为1％的应变。 这被假定为在工作应力条件下的最大加固应变，由在役土工合成材料加固的土桥支撑结构获得。 Lee（2010）开发的分析模型表明，土工格栅的刚度是影响SMSE墙体变形行为的主要变量之一。 这个论点意味着模型土工格栅的刚度超过了墙体变形分析的极限强度，因为由地应力刚度给出的变形特性能够影响壁的性能。一些研究表明，模量和类型增强材料可能会影响变形行为以及MSE墙的破坏机理（Bathurstet al。2000; Holtz and Lee 2002; Hatami
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