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城市垃圾填埋场振动台模型试验与地震稳定性分析方法研究

邓学晶  
【摘要】: 城市垃圾填埋场的地震稳定性评价是环境岩土工程领域遇到的新问题。鉴于目前对其地震变形机理缺乏深入的了解、工程设计中仍沿用传统土力学边坡稳定分析方法的研究现状,本文结合国家自然科学基金重点项目(50538080)“城市垃圾填埋场固、液、气相互作用及土力学机理”中的第4子题“垃圾填埋场动力稳定机理及分析方法”,利用振动台模型试验技术,在垃圾填埋场地震破坏机理分析的基础上进行理论研究,尝试建立适合城市垃圾填埋场结构特点的地震稳定性分析方法。 论文主要内容如下: 1.针对城市垃圾填埋场的结构形式设计8个缩尺模型,进行振动台模型试验,通过对比分析一系列的试验现象,揭示了地震作用下填埋场的几个响应规律: (1)沿填埋场底部衬垫层和顶部覆盖层的接触面发生较大相对滑移,是地震作用下现代城市垃圾填埋场的主要破坏模式,其中观察到的覆盖层破坏现象能够印证Ling,H.I.提出的“双滑楔体”假定,垃圾堆体内部不容易出现明显的滑动面; (2)填埋场防渗层的永久位移与振动台台面的水平最大位移近似成比例; (3)填埋场衬垫层土工膜能够减弱地震能量向上部结构的传递,输入地震动的加速度峰值越大,减弱的效果越明显。 2.对振动台试验中的模型填埋场进行非线性数值模拟,目的是补充验证振动台试验的主要结论,以及为验证本文第四、五章的填埋场地震稳定性评价方法做准备。 3.假定沿填埋场底部衬垫层的潜在滑动体由三个刚性滑块组成,对基础具有一定坡角的填埋场进行极限平衡分析,推导了衬垫层屈服加速度系数的计算公式,采用非线性数值计算和振动台试验结果对公式进行了验证;在填埋场地震破坏机理分析的基础上,定义了填埋场覆盖层和衬垫层的水平等效加速度(时程)HEA_c(t)和HEA_d(t),通过二维非线性数值计算,说明了以覆盖层和衬垫层的最大水平等效加速度MHEA_c和MHEA_d代表地震在防渗层引起的荷载水平,评价填埋场的地震稳定性具有客观合理性;给出对填埋场防渗层的地震稳定性进行2D拟静力分析的步骤。 4.对具有摩擦型接触面的NewMark双滑块系统进行能量分析,建立NewMark双滑块模型的能量守恒方程,理论分析得到,谐振激励下接触面发生最大相对滑移量时对应的能量系数e与(K_y/K_a)~2存在近似线性关系:利用这一关系对真实地震波作用下地震永久位移的计算结果进行统计分析,给出了地震永久位移的简化计算公式;将简化计算公式与其它学者建议的计算公式进行对比、以及算例表明,本文的公式计算结果合理、具有简单的形式、便于工程应用。 5.对具有典型几何构型的填埋场进行二维分析,以考察填埋场的地震响应特性,研究垃圾土初始剪切波速、填埋场高度、场地条件、输入地震动频谱特性等参数对填埋场顶部加速度响应的影响;作为本文研究成果的工程应用实例,分别以最大水平等效加速度MHEA_d和MHEA_c代表填埋场基底衬垫层和覆盖层的地震荷载水平,评价了填埋场的地震稳定性;针对最危险工况,采用本文建议的公式(5.29)和(5.30),计算了地震作用下填埋场衬垫层和覆盖层的永久位移。 6.对复杂荷载条件下填埋场防渗层HDPE土工膜的受力状况进行了非线性数值模拟,得到的主要结论有:土工膜内的拉应力随着垃圾土分层填埋、基础不均匀沉降、地震荷载的作用而积累,基础不均匀沉陷是影响衬垫层土工膜局部拉应力的主要因素,中等强度地震动输入可使覆盖层土工膜锚固位置的拉应力超过极限拉应力。


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