黃土地區(qū)框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)邊坡地震動(dòng)反應(yīng)及穩(wěn)定性分析.pdf

1、我國(guó)是世界上黃土分布最廣、厚度最大的國(guó)家，而這些黃土主要分布于廣大西北地區(qū)的黃土高原，黃土高原縱橫溝壑，存在著大量的邊坡，自西部大開(kāi)發(fā)以來(lái)，有大量的公路、鐵路和城市基礎(chǔ)設(shè)施要在黃土地區(qū)建設(shè)，自然而然會(huì)遇到大量的邊坡工程。歷史記載西北黃土地區(qū)每次的強(qiáng)震，都會(huì)引起嚴(yán)重的地震滑坡。因此，適時(shí)地開(kāi)展地震作用下框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)邊坡的動(dòng)力反應(yīng)和穩(wěn)定性分析是十分必要的。本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：《永久性柔性邊坡支擋結(jié)構(gòu)的地震作用和動(dòng)力穩(wěn)定性分析

2、》(50978129)，并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)黃土地區(qū)框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)邊坡的地震動(dòng)反應(yīng)和穩(wěn)定性分析進(jìn)行了研究，主要針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬，完成的工作和取得的成果如下：
　　 (1)建立了框架-預(yù)應(yīng)力錨桿-土體系統(tǒng)在地震作用下的動(dòng)力計(jì)算模型，這種模型中將預(yù)應(yīng)力錨桿自由段看成一線性彈簧，框架(橫梁、立柱和擋土板)和錨桿錨固段通過(guò)自由段彈簧連接起來(lái)，而錨桿錨固段與土體之間的相互作用處理成一個(gè)線性彈簧和一個(gè)與速度有關(guān)的阻尼器

3、。模型中還同時(shí)考慮了框架結(jié)構(gòu)(橫梁、立柱和擋土板)對(duì)體系響應(yīng)的影響，即將框架(橫梁、立柱和擋土板)亦處理成一個(gè)線性彈簧和一個(gè)與速度有關(guān)的阻尼器。在地震作用下，框架-預(yù)應(yīng)力錨桿自由段-錨桿錨固段-土體之間相互作用，相互協(xié)調(diào)，在地震過(guò)程中，錨桿預(yù)應(yīng)力隨著時(shí)間發(fā)生變化，而預(yù)應(yīng)力的變化通過(guò)自由段彈簧傳遞至錨桿錨固段，錨桿錨固段繼而傳遞至土層。模型中框架結(jié)構(gòu)(橫梁、立柱和擋土板)質(zhì)量和主動(dòng)區(qū)土體質(zhì)量以集中質(zhì)量的形式連接在錨桿自由段，并通過(guò)自由段彈

4、簧與錨固段阻尼器進(jìn)行連接。由此分別建立了框架-錨桿系統(tǒng)和錨桿-土體系統(tǒng)地震作用下的阻尼微分方程，并分別求解了在簡(jiǎn)諧地震作用下錨桿預(yù)應(yīng)力的地震響應(yīng)和錨桿錨固段軸力的動(dòng)力響應(yīng)。最后，結(jié)合一工程實(shí)例進(jìn)行了分析，并用ADINA對(duì)此計(jì)算模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 (2)基于土動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的原理，建立了框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)邊坡的地震動(dòng)分析模型，并得到了支護(hù)邊坡在水平地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。依據(jù)水平條分法，將邊坡高度影響因素考慮進(jìn)去，建立了地震

5、作用下邊坡土壓力的動(dòng)力分析模型。建立支護(hù)結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)分析模型時(shí)，將錨桿預(yù)應(yīng)力考慮在內(nèi)，基于集中質(zhì)量法，以框架柱為計(jì)算單元，形成集中質(zhì)量串，錨桿以彈簧支座形式與土體連接，預(yù)應(yīng)力通過(guò)給定的初始設(shè)計(jì)值施加于錨桿上，據(jù)此，建立結(jié)構(gòu)動(dòng)力控制平衡方程。最后，通過(guò)把動(dòng)土壓力、預(yù)應(yīng)力及地震作用施加于框架結(jié)構(gòu)之上，求解出預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力響應(yīng)值，這一模型能夠?qū)⒌卣鹱饔弥兄ёo(hù)邊坡體系的土壓力分布特性、支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)和預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力反應(yīng)特性近似的表達(dá)出來(lái)

6、，因而可以為框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)邊坡的抗震設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。最后結(jié)合一工程實(shí)例驗(yàn)證了本文方法的適用性。
　　 (3)在考慮錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性影響的情況下，根據(jù)土體邊坡滑移面的破壞模式，建立了框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)邊坡的地震穩(wěn)定性數(shù)值分析模型。利用集中質(zhì)量顯式有限元法，將土體離散為土體靜動(dòng)力微元和土體預(yù)應(yīng)力微元，并建立了相應(yīng)的動(dòng)力平衡方程，分析了支護(hù)邊坡在地震作用下的位移反應(yīng)和滑移面上的應(yīng)力場(chǎng)。并基于位移反應(yīng)和土體應(yīng)力場(chǎng)，提出

7、了框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性安系數(shù)計(jì)算方法。
　　 (4)以西北黃土地區(qū)實(shí)際工程為背景，采用有限元軟件ADINA對(duì)框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)邊坡在地震作用下的位移、錨桿軸力響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算和參數(shù)分析?？紤]框架-錨桿-土體之間的相互作用及協(xié)同工作，建立了框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)邊坡體系在地震作用下的三維有限元模型。模型中以彈塑性模型模擬土體；以雙線性彈性模型模擬錨桿；土體與框架(橫梁、立柱和擋土板)之間采用接觸單元模擬；框架采用雙

8、線性彈性模型模擬。通過(guò)輸入雙向地震波，計(jì)算了錨桿的軸力響應(yīng)，并對(duì)地震前后錨桿的軸力進(jìn)行了對(duì)比；對(duì)比分析了不同烈度、不同工況及不同土體參數(shù)條件下支護(hù)體系的動(dòng)力響應(yīng)，得到了不同因素對(duì)邊坡地震響應(yīng)的影響規(guī)律。
　　 (5)根據(jù)相似理論，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案的分析與研究，以實(shí)際工程為原型，將原型和縮尺模型進(jìn)行相似關(guān)系轉(zhuǎn)化，設(shè)計(jì)了振動(dòng)臺(tái)的室內(nèi)縮尺模型。主要內(nèi)容包括模型的相似設(shè)計(jì)、模型箱設(shè)計(jì)、模型箱的邊界處理、試驗(yàn)材料的選取及性能指標(biāo)的