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《西南交通大学》 2010年
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地震作用下路基工程破坏机理及抗震技术研究

王建  
【摘要】:汶川地震造成了震区路基工程的大量损毁,为西部高烈度山区拟建中的道路与铁道工程敲响了警钟。路基工程震后修复措施、地震作用下土体损伤效应及路基工程抗震技术,已成为当前亟待解决的关键科学问题。 本文基于汶川震区实震调查资料、大型振动台模型试验和数值计算,研究了地震及地震序列作用下路基土体的损伤、变形效应以及基于动力特性和变形控制的路基工程抗震加固技术。主要工作及研究结论如下: (1)对都江堰—映秀公路全线挂网喷砼防护削方边坡和人工填筑路堤震害进行了调查分析,发现挂网喷砼防护边坡和路堤等具有侧向临空面的土体地震变形破坏表现为震陷和滑塌,而路肩墙工程由于墙体的侧向约束,填料的地震变形表现为震陷变形和下陷、隆起交错变形(即凹凸变形)。震陷率和凹凸变形幅值均随地震烈度增加而增大,且均服从正态分布。上边坡震害受平面线型程度影响较大,位于直线段、凹曲线侧和凸曲线侧的边坡震害程度依次递增。经路堤(侧向临空模型)和层状填料(侧向约束模型)振动台模型试验验证,试验结果与现场调查一致,且揭示土体由震陷向凹凸变形转化的峰值加速度阈值约为0.6g。 (2)利用振动台模型试验,重现了中震—大震序列(即前震—主震型)和大震—中震(即主震—余震型)序列地震动对路堤的作用过程及路堤本体的损伤发展过程。试验现象和参数损伤识别结果均表明,大震—中震序列对模型的损伤程度远比同量级中震—大震序列对模型的损伤程度要大。试验中对应于峰值加速度0.616g的地震原波,大震—中震序列对降低模型自振频率的作用比相应中震—大震序列高16.02%,大震—中震序列对增加模型阻尼比的作用比相应中震—大震序列高38.66%。大震—中震作用下,由于大震首先造成了土体的内部损伤,中震作用下使其结构损伤进一步积累,从而造成土体的破坏。中震—大震序列作用下,由于中震下土体结构的压实、固结过程,减低了其在大震作用下的敏感度,使得其自振频率变化及土体的损伤变形趋于平缓。 (3)通过震害调查、振动台模型试验和有限差分动力强度折减法对地震作用下边坡的破坏模式、破坏机理以及滑面特征进行了分析。发现与仅由剪切带组成的重力下滑面不同,边坡在地震作用下的动力下滑面由上部拉裂缝和下部剪切带共同组成。动力下滑面深度随着峰值加速度的增加而增加。距坡顶5m范围内,当地震波峰值加速度PGA=1m/s2时,动力下滑面比拟静力下滑面浅约1m;当地震波峰值加速度PGA=10m/s2时,动力下滑面比拟静力下滑面深约2m;当地震波峰值加速度PGA=2m/s2时,动力下滑面与拟静力下滑面深度相当。基于以上认识,提出了边坡工程抗震设计的重点是防止坡顶张拉裂缝的形成,震后次生山地灾害防治的重点在于抑制顶部张拉裂缝的扩展。因此,张拉裂缝距坡面的深度是边坡上部加固工程设计的关键。 (4)对汶川地震近场区路堤震害进行了调查,发现路堤震害以边坡上部拉裂、下部鼓张这种变形破坏模式为主,而高路堤在强震作用下仍然基本保持完好。利用振动台模型试验及数值模拟发现:加速度和动剪应力在路堤中上部增量最大、数值最大,且其最大值所在部位与拉裂缝出现部位基本一致;动土压力和位移在护坡道上方达到最大值,最大值部位与鼓张裂缝出现部位基本一致;张拉裂缝、鼓张裂缝均出现在距坡面3m深度范围内,表明路堤损害是一种浅表层震害模式。通过动力数值计算,发现不同高度的路堤PGA放大系数形态呈现三种类型:沿程单调递增形态(h≤10m)、随高程增加而增加→衰减→增加的“三段形态”(h20m)、以及介于前二者之间的过渡形态(10mh20m)。最后利用地震波传播理论对高路堤加速度反应及抗震机理进行了解释。 (5)为研究路堤工程的抗震设计问题,通过对汶川8.0级地震震区路堤震害进行调查,发现强震作用下未加筋路堤存在边坡坍塌和路面拉裂两种震害模式,而中上部铺设了土工格栅的路堤在强震作用下仍然基本保持完好。利用振动台模型试验,发现路堤顶部铺设长筋,可以阻断路面张拉裂缝向下扩展,从而防止了路堤本体滑坡的形成;路堤中上部铺设短筋,可以抑制坡面土体的侧向变形,从而防止了路堤坡面滑塌。针对路堤常规加筋方案,提出了路堤中上部铺设短筋的加筋抗震优化设计方法。利用有限差分动力强度折减法,分别对常规加筋模型和加筋优化模型的抗震性能进行了计算。计算结果表明,优化设计以后,筋材用量减少了23.1%,路堤最大地震位移减小了19.0%,土工格栅最大受力减小了14%。优化设计不仅减少了土工格栅用量,而且达到了抑制边坡变形、提高路堤抗震性能的效果。 (6)对汶川地震震区公路沿线岩质边坡进行震害调查表明,路堑岩质边坡震害可分为孤石崩塌和关键块体失稳引发的连锁破坏两种类型。关键块体的识别和加固是抗震设防的关键,锚固是抗震设防的较好手段。应用块体理论分析和动力数值计算对川藏公路沿线某处典型岩坡进行研究发现,节理会造成加速度的显著放大,未锚固的楔形块体加速度放大系数比完好岩体大3倍;锚固后,加速度放大系数比锚固前减小了30%。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:U416.1

【引证文献】
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