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

1、我國是世界上黃土分布最廣、厚度最大的國家，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，自西部大開發(fā)以來，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)，自然而然會遇到大量的邊坡工程。歷史記載西北黃土地區(qū)每次的強震，都會引起嚴重的地震滑坡。因此，適時地開展地震作用下框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護邊坡的動力反應(yīng)和穩(wěn)定性分析是十分必要的。本文依托國家自然科學(xué)基金項目：《永久性柔性邊坡支擋結(jié)構(gòu)的地震作用和動力穩(wěn)定性分析

2、》(50978129)，并結(jié)合工程實例，對黃土地區(qū)框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護邊坡的地震動反應(yīng)和穩(wěn)定性分析進行了研究，主要針對這一問題進行了理論分析和數(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)在地震作用下的動力計算模型，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)和錨桿錨固段通過自由段彈簧連接起來，而錨桿錨固段與土體之間的相互作用處理成一個線性彈簧和一個與速度有關(guān)的阻尼器

3、。模型中還同時考慮了框架結(jié)構(gòu)(橫梁、立柱和擋土板)對體系響應(yīng)的影響，即將框架(橫梁、立柱和擋土板)亦處理成一個線性彈簧和一個與速度有關(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)，在地震過程中，錨桿預(yù)應(yīng)力隨著時間發(fā)生變化，而預(yù)應(yīng)力的變化通過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，并通過自由段彈

4、簧與錨固段阻尼器進行連接。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力響應(yīng)。最后，結(jié)合一工程實例進行了分析，并用ADINA對此計算模型進行了驗證。
　　 (2)基于土動力學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)的原理，建立了框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護邊坡的地震動分析模型，并得到了支護邊坡在水平地震作用下的動力響應(yīng)。依據(jù)水平條分法，將邊坡高度影響因素考慮進去，建立了地震

5、作用下邊坡土壓力的動力分析模型。建立支護結(jié)構(gòu)的地震動分析模型時，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)力通過給定的初始設(shè)計值施加于錨桿上，據(jù)此，建立結(jié)構(gòu)動力控制平衡方程。最后，通過把動土壓力、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邊坡體系的土壓力分布特性、支護結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)和預(yù)應(yīng)力錨桿的軸力反應(yīng)特性近似的表達出來

6、，因而可以為框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護邊坡的抗震設(shè)計提供一定的依據(jù)。最后結(jié)合一工程實例驗證了本文方法的適用性。
　　 (3)在考慮錨桿預(yù)應(yīng)力對黃土邊坡穩(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力微元和土體預(yù)應(yīng)力微元，并建立了相應(yīng)的動力平衡方程，分析了支護邊坡在地震作用下的位移反應(yīng)和滑移面上的應(yīng)力場。并基于位移反應(yīng)和土體應(yīng)力場，提出

7、了框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性安系數(shù)計算方法。
　　 (4)以西北黃土地區(qū)實際工程為背景，采用有限元軟件ADINA對框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護邊坡在地震作用下的位移、錨桿軸力響應(yīng)進行了計算和參數(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。通過輸入雙向地震波，計算了錨桿的軸力響應(yīng)，并對地震前后錨桿的軸力進行了對比；對比分析了不同烈度、不同工況及不同土體參數(shù)條件下支護體系的動力響應(yīng)，得到了不同因素對邊坡地震響應(yīng)的影響規(guī)律。
　　 (5)根據(jù)相似理論，通過對國內(nèi)振動臺試驗方案的分析與研究，以實際工程為原型，將原型和縮尺模型進行相似關(guān)系轉(zhuǎn)化，設(shè)計了振動臺的室內(nèi)縮尺模型。主要內(nèi)容包括模型的相似設(shè)計、模型箱設(shè)計、模型箱的邊界處理、試驗材料的選取及性能指標的