地震作用下土釘支護邊坡動力分析與抗震設(shè)計方法研究.pdf

1、我國西北地區(qū)大多為黃土山區(qū)，在高等級公路、鐵路的修建和城市的建設(shè)都需要對邊坡進行支擋。而我國又是地震高發(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邊坡的動力分析及抗震設(shè)計方法是很有必要的。更何況，土釘支護邊坡與純土質(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，所以其振動特性比純土質(zhì)邊坡復(fù)雜得多。本文對土釘支護邊坡動力分析及抗震設(shè)

2、計計算方法進行了研究，提出了新的思路及計算方法。 (1)在動力荷載下，土體和結(jié)構(gòu)是一個受力的整體，變形和運動相互制約，無論是土體還是結(jié)構(gòu)的性質(zhì)都將影響土與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應(yīng)。因此同時考慮了土體與結(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結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力計算模型，這種模型將土體對土釘?shù)淖饔锰幚沓梢粋€線性彈簧和一個與速度有關(guān)的阻尼器，把面板對土釘?shù)膽T性作用簡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)地震動力作用下的阻尼微分方程，求解了在簡諧地震作用下土釘動力響應(yīng)的解析解。最后，結(jié)合一案例進行分析，并用大型非線性有限元軟件ADINA對此計算模型進行驗證。結(jié)果表明該計算模型可以比較準確地反映土釘?shù)膶嶋H受力，實現(xiàn)了土釘、面板和土體的協(xié)同工作計算，保證支護結(jié)構(gòu)的安全可靠。 (2)參照上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的方法，對土釘支護邊坡的抗震設(shè)計提出了三個水準的抗震設(shè)防要求和兩階段設(shè)計法。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下，其位移響應(yīng)主要為剪切型變形，建立了土釘支護邊坡地震動力簡化模型。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動趨勢假想為同步，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象。由于面板很柔，其運動隨著土體的運動而變化，其剛度只考慮剪切剛度，將土釘處理成彈性支座，建立了土釘支護邊坡振動方程，求解了在簡諧地震作用下土釘支護邊坡動力響應(yīng)的解析解，通過該模型可以得到滑移面附近土釘軸力動力響應(yīng)和土釘支

5、護邊坡的彈性動位移響應(yīng)，也可以得到地震響應(yīng)沿豎向的變化。對傳統(tǒng)基于剛性擋墻的土壓力求解進行了改進，而傳統(tǒng)的土壓力只能計算主動和被動這兩種極限破壞狀態(tài)下地震土壓力的合力，不能準確地評價地震土壓力的分布，沒有考慮墻體的變形、設(shè)計參數(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)承載力驗算公式。最后，結(jié)合案例進行了分析，比較了按此分析方法與用ADINA按彈性有限元方法計算的結(jié)果，兩者吻合較好。故這種方法可用于土釘支護

6、邊坡的第一階段的抗震分析與設(shè)計。 (3)在考慮土釘支護作用的情況下，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邊坡地震穩(wěn)定性分析模型。對邊坡作用水平加速度時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)合的方法進行改進。推導(dǎo)了基于計算機搜索法的邊坡土釘支護滑移面動態(tài)搜索模式，實現(xiàn)了隨著土釘墻設(shè)計參數(shù)變化的土釘支護穩(wěn)定性動態(tài)分析過程。經(jīng)計算表明，土釘墻設(shè)計參數(shù)的變化與土釘墻最危險滑移面之間是一個動態(tài)的變化

7、過程，基于滑移面動態(tài)搜索模型進行土釘支護動力穩(wěn)定性分析，較好地解決了通常由經(jīng)驗指定最危險滑移面，或者未考慮土釘作用進行穩(wěn)定性分析存在的不合理性。利用遺傳算法對最危險滑移面的圓心進行動態(tài)搜索，并且避免了在圓弧搜索中陷入局部最小值的缺點。最后，編制了土釘支護邊坡動力穩(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邊坡永久位移計算模型。提出了永久位移由地震作用過程中位移和震后位移兩部分組成。在求解平均加速度時，通過

8、第3章的彈性動力計算模型對Newmark有限滑動位移法的剛性假定進行改進。采用遺傳算法動態(tài)尋優(yōu)實現(xiàn)邊坡地震過程中永久位移計算。運用功能原理建立地震作用后永久位移計算模型并求解。根據(jù)土釘柔性結(jié)構(gòu)特性，對土釘震后隨土體滑移機理提出褶皺臺階變形來計算土釘?shù)幕颇ψ枳龉?。給出基于邊坡永久位移控制的土釘支護結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計理念及程序步驟，并用實例進行計算及數(shù)值驗證，結(jié)果表明震后位移量與地震作用過程中位移的比值很大，因此震后位移不能忽略。 (5