落石冲击下预应力加筋土路堤变形及荷载传递机制_马书文.pdf

第 44 卷第 3 期 岩 土 力 学 Vol.44 No.3 2023 年 3 月 Rock and Soil Mechanics Mar.2023 收稿日期：2022-04-08 录用日期：2022-05-05 基金项目：国家自然科学基金项目（No.52178314）；重庆市研究生科研创新项目（No.CYB22031）。This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(52178314)and the Graduate Scientific Research and Innovation Foundation of Chongqing(CYB22031).第一作者简介：马书文，女，1992 年生，博士研究生，主要从事岩土工程灾害预警与防治方面的研究。E-mail: 通讯作者：卢谅，女，1978 年生，博士，副教授、博士生导师，主要从事岩土工程灾害等方面的教学和研究。E-mail: DOI：10.16285/j.rsm.2022.0471 落石冲击下预应力落石冲击下预应力加筋土路堤加筋土路堤变形及荷载传递机变形及荷载传递机制制 马书文1,2，卢 谅1,3,4，王宗建5，王经天1,3，李蓝星1,3（1.重庆大学 土木工程学院，重庆 400045；2.重庆工业职业技术学院 建筑工程学院，重庆 401120；3.重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045；4.重庆大学 库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心，重庆 400045；5.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074）摘摘 要：要：针对偏远山区素填土公路在落石冲击下易产生大面积凹陷破坏的问题，提出运用预应力加筋土路堤解决的方法。为了探究预应力加筋土路堤在落石冲击下的变形性能、力学响应规律和荷载传递机制，设计并实施了落石冲击作用下预应力加筋土路堤和素填土路堤对比模型试验。试验发现：预应力加筋土路堤中形成的凹坑尺寸明显小于素填土路堤，体现了预应力加筋土路堤良好的抗冲击变形性能；随着冲击次数的增加，路堤刚度逐渐增加，导致路堤内部冲击附加应力时程曲线逐渐由“抛物线型单峰”转变为“双峰”分布，且预应力加筋土路堤工况中“双峰”的出现早于素填土路堤；落石在预应力加筋土路堤中的冲击力持续作用时间小于其在素填土路堤中的持续作用时间，且分布更趋均匀，更有利于冲击荷载的扩散；随着冲击次数的增加，预应力加筋土路堤内部冲击力传递率呈先增加后减小的变化趋势，与筋材变形规律一致。结合Levenberg-Marquardt 优化算法得到了关于凹坑尺寸和冲击次数的预测方法，可为预应力加筋土路堤在崩塌灾害多发地区的工程应用提供借鉴，为工程预警提供参考。关关 键键 词：词：落石冲击；预应力加筋土路堤；冲击变形；附加应力；冲击持续时间；冲击力传递率 中图分类号：中图分类号：TU472 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10007598(2023)03079911 Deformation and load transmission mechanism of prestressed reinforced embankment subjected to rockfall impacts MA Shu-wen1,2,LU Liang1,3,4,WANG Zong-jian5,WANG Jing-tian1,3,LI Lan-xing1,3(1.School of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China;2.Department of Architectural&Engineering,Chongqing Industry Polytechnic College,Chongqing 401120,China;3.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area,Ministry of Education,Chongqing 400045,China;4.National Joint Engineering Research Center of Geohazards Prevention in the Reservoir Areas,Chongqing University,Chongqing 400045,China;5.College of River&Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)Abstract:The prestressed reinforced soil structure was proposed to solve the problem of large-area depressions of soil highways under rockfall impacts in remote mountain areas.Comparative model tests for prestressed reinforced soil embankment and traditional soil embankment were conducted to explore the deformation performance,mechanical response,and load transmission mechanism of both embankments under rockfall impacts.The results show that the size of pits formed in prestressed reinforced soil embankment is significantly smaller than that in traditional soil embankment,which reflects the good impact deformation resistance of prestressed reinforced soil embankment.The embankment stiffness increases with the increase of impact times,resulting in the change of the time history of impact-induced additional stress in the embankment from“parabolic single peak”to“double peak”,and the“double peak”in the prestressed reinforced soil embankment occurs earlier than that in the traditional soil embankment.The duration of rockfall impact on the prestressed reinforced soil embankment is less than that on the traditional soil embankment,and the distribution of the impact on the prestressed reinforced soil embankment is more uniform,indicating that the prestressed reinforced soil embankment is more conducive to the impact diffusion.In addition,the internal impact load transmission ratio for prestressed reinforced soil embankment increases first and then decreases with the increase of impact times,which is consistent with the deformation law of reinforcement structure.The pit sizes corresponding to various impact times are predicted by the 800 岩 土 力 学 2023 年 Levenberg-Marquardt optimization algorithm,which can provide reference for the engineering application of prestressed reinforced soil embankment and early warning in collapse disaster prone areas.Keywords:rockfall impact;prestressed reinforced soil embankment;impact deformation;additional stress;impact duration;impact transmission ratio 1 引 言 落石灾害作为山区常见且影响严重的地质灾害之一，具有破坏大，速度快，运动路径和落石体积无规则等特点1-3。由于施工条件恶劣和经济发展较慢，偏远山区公路在落石冲击下往往产生较深的凹陷变形，据统计落石最大直径可达 3.8 m4，这不仅影响正常通车，而且增加重大灾情救援难度，严重的造成重大人员伤亡和经济损失5。传统的路面抗冲击防治措施以换土垫层法、强夯法和临时法为主，但由于施工机械庞大，施工工期长和修复成本高等原因使其在偏远山区公路的应用受到限制。“加筋土技术”凭借其可大幅提高道路整体稳定性6、优异的抗变形能力7、高动态柔性及延性8、抗冲击能力强、高强度及其刚度质量比9和经济性好等优势成为治理道路崩塌灾害的一项重要技术手段，该技术在日本等地震多发地区的应用尤为广泛10-14。例如，日本一应用于山区的加筋土路堤在一次突如其来的大规模崩塌落石灾害中成功拦截了大小不一、总重为 76 t 的落石4。但由于加筋土路堤在落石冲击下柔度高、延性高和刚度低等变形特性，使受冲击位置处发生局部大规模凹陷变形，虽然未发生整体坍塌，但却丧失了再次抵御此等大规模崩塌落石冲击的能力。因此，提出一种抗变形能力强的加筋土路堤结构显得尤为重要。“预应力加筋土”15的提出成功地解决了以上顾虑，并率先在日本得到应用和发展10,16。研究表明，在加筋土结构上施加预应力可以有效地提高加筋土结构的抗变形性能17，并将其所受的上覆载荷分散到更大的区域。Roh 等18通过平面应变压缩试验研究了筋材和预应力对加筋饱和黏土应力应变特性的影响。结果显示，结构刚度随筋材数量的增加无明显提高趋势，但随预应力水平的增加而显著提高。Shivashankar 等19提出了一个分析模型，用于预 测 预 应 力 软 弱 土 加 筋 颗 粒 床 的 承 载 力。Jayamohan20、Lovisa21等通过室内模型试验研究了永久预应力加筋垫层的变形特性和承载性能。杜运兴等22利用室内三轴试验研究了预应力碳纤维增强塑料加筋土的工作原理，提出了“伪黏聚力”概念，为预应力加筋土结构的力学分析提供参考。综上所述，预应力加筋技术不仅能保证结构的变形稳定性，还具有良好的工程适用性，但关于预应力加筋土路堤的抗冲击变形性能、内部力学响应和荷载传递机制开展的研究尚不多见。基于以上分析，为了探究预应力加筋土路堤在落石冲击下的抗变形