地震作用下土釘支護(hù)邊坡動(dòng)力分析與抗震設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、我國(guó)西北地區(qū)大多為黃土山區(qū)，在高等級(jí)公路、鐵路的修建和城市的建設(shè)都需要對(duì)邊坡進(jìn)行支擋。而我國(guó)又是地震高發(fā)區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，很多公路和鐵路不可避免地穿越高烈度地震帶．所以，研究在地震作用下土釘支護(hù)邊坡的動(dòng)力分析及抗震設(shè)計(jì)方法是很有必要的。更何況，土釘支護(hù)邊坡與純土質(zhì)邊坡又有所不同，它不僅存在土體和土釘錨固體的相互作用和協(xié)同工作，還存在擋土結(jié)構(gòu)與土體的相互作用和協(xié)同工作，所以其振動(dòng)特性比純土質(zhì)邊坡復(fù)雜得多。本文對(duì)土釘支護(hù)邊坡動(dòng)力分析及抗震設(shè)

2、計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行了研究，提出了新的思路及計(jì)算方法。 (1)在動(dòng)力荷載下，土體和結(jié)構(gòu)是一個(gè)受力的整體，變形和運(yùn)動(dòng)相互制約，無(wú)論是土體還是結(jié)構(gòu)的性質(zhì)都將影響土與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)。因此同時(shí)考慮了土體與結(jié)構(gòu)的性質(zhì)以及它們之間的相互影響和協(xié)同工作，建立了土與土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力計(jì)算模型，這種模型將土體對(duì)土釘?shù)淖饔锰幚沓梢粋€(gè)線(xiàn)性彈簧和一個(gè)與速度有關(guān)的阻尼器，把面板對(duì)土釘?shù)膽T性作用簡(jiǎn)化為集中于土釘頭上的等效質(zhì)量加以考慮，以此為基礎(chǔ)，建立土釘土

3、體系統(tǒng)地震動(dòng)力作用下的阻尼微分方程，求解了在簡(jiǎn)諧地震作用下土釘動(dòng)力響應(yīng)的解析解。最后，結(jié)合一案例進(jìn)行分析，并用大型非線(xiàn)性有限元軟件ADINA對(duì)此計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明該計(jì)算模型可以比較準(zhǔn)確地反映土釘?shù)膶?shí)際受力，實(shí)現(xiàn)了土釘、面板和土體的協(xié)同工作計(jì)算，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全可靠。 (2)參照上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法，對(duì)土釘支護(hù)邊坡的抗震設(shè)計(jì)提出了三個(gè)水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求和兩階段設(shè)計(jì)法。綜合考慮輸入地震波的特性、邊坡土體特性、坡高因素，以

4、及土體邊坡在水平地震激勵(lì)下，其位移響應(yīng)主要為剪切型變形，建立了土釘支護(hù)邊坡地震動(dòng)力簡(jiǎn)化模型。該模型將同一水平層不穩(wěn)定土體、穩(wěn)定土體在水平地震作用下運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)假想為同步，兩者之間相互作用很小，因此取不穩(wěn)定土體和面板為研究對(duì)象。由于面板很柔，其運(yùn)動(dòng)隨著土體的運(yùn)動(dòng)而變化，其剛度只考慮剪切剛度，將土釘處理成彈性支座，建立了土釘支護(hù)邊坡振動(dòng)方程，求解了在簡(jiǎn)諧地震作用下土釘支護(hù)邊坡動(dòng)力響應(yīng)的解析解，通過(guò)該模型可以得到滑移面附近土釘軸力動(dòng)力響應(yīng)和土釘支

5、護(hù)邊坡的彈性動(dòng)位移響應(yīng)，也可以得到地震響應(yīng)沿豎向的變化。對(duì)傳統(tǒng)基于剛性擋墻的土壓力求解進(jìn)行了改進(jìn)，而傳統(tǒng)的土壓力只能計(jì)算主動(dòng)和被動(dòng)這兩種極限破壞狀態(tài)下地震土壓力的合力，不能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)地震土壓力的分布，沒(méi)有考慮墻體的變形、設(shè)計(jì)參數(shù)以及破裂面的影響。根據(jù)破壞模式及極限平衡理論，推導(dǎo)了面板的沖切和釘頭粘結(jié)承載力驗(yàn)算公式。最后，結(jié)合案例進(jìn)行了分析，比較了按此分析方法與用ADINA按彈性有限元方法計(jì)算的結(jié)果，兩者吻合較好。故這種方法可用于土釘支護(hù)

6、邊坡的第一階段的抗震分析與設(shè)計(jì)。 (3)在考慮土釘支護(hù)作用的情況下，根據(jù)土質(zhì)邊坡的破壞模式，基于極限平衡理論和擬靜力法建立了土釘支護(hù)邊坡地震穩(wěn)定性分析模型。對(duì)邊坡作用水平加速度時(shí)采用豎向條分的不合理性，提出了水平條分和豎向條分聯(lián)合的方法進(jìn)行改進(jìn)。推導(dǎo)了基于計(jì)算機(jī)搜索法的邊坡土釘支護(hù)滑移面動(dòng)態(tài)搜索模式，實(shí)現(xiàn)了隨著土釘墻設(shè)計(jì)參數(shù)變化的土釘支護(hù)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)分析過(guò)程。經(jīng)計(jì)算表明，土釘墻設(shè)計(jì)參數(shù)的變化與土釘墻最危險(xiǎn)滑移面之間是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化

7、過(guò)程，基于滑移面動(dòng)態(tài)搜索模型進(jìn)行土釘支護(hù)動(dòng)力穩(wěn)定性分析，較好地解決了通常由經(jīng)驗(yàn)指定最危險(xiǎn)滑移面，或者未考慮土釘作用進(jìn)行穩(wěn)定性分析存在的不合理性。利用遺傳算法對(duì)最危險(xiǎn)滑移面的圓心進(jìn)行動(dòng)態(tài)搜索，并且避免了在圓弧搜索中陷入局部最小值的缺點(diǎn)。最后，編制了土釘支護(hù)邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性分析程序。 (4)基于穩(wěn)定性分析模型，建立了地震作用下土釘支護(hù)邊坡永久位移計(jì)算模型。提出了永久位移由地震作用過(guò)程中位移和震后位移兩部分組成。在求解平均加速度時(shí)，通過(guò)

8、第3章的彈性動(dòng)力計(jì)算模型對(duì)Newmark有限滑動(dòng)位移法的剛性假定進(jìn)行改進(jìn)。采用遺傳算法動(dòng)態(tài)尋優(yōu)實(shí)現(xiàn)邊坡地震過(guò)程中永久位移計(jì)算。運(yùn)用功能原理建立地震作用后永久位移計(jì)算模型并求解。根據(jù)土釘柔性結(jié)構(gòu)特性，對(duì)土釘震后隨土體滑移機(jī)理提出褶皺臺(tái)階變形來(lái)計(jì)算土釘?shù)幕颇ψ枳龉?。給出基于邊坡永久位移控制的土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念及程序步驟，并用實(shí)例進(jìn)行計(jì)算及數(shù)值驗(yàn)證，結(jié)果表明震后位移量與地震作用過(guò)程中位移的比值很大，因此震后位移不能忽略。 (5