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黄土工程边坡在施工荷载作用下的动力特性研究

龚成明  
【摘要】:黄土边坡动力问题是一个涉及多学科交叉的难题,由于各学科之间的隔阂,导致对于边坡动力问题的研究还很不成熟。并且,国内外对于黄土边坡在天然地震作用下的动力响应研究较多,而对于人工地震,特别是打桩、强夯等施工振动对黄土边坡的影响,研究甚少。而施工振源对边坡的影响研究具有重要的理论和工程意义。本文针对郑西客运专线黄土工程边坡在施工荷载作用下发生的滑坡灾害,采用现场测试、室内常规物理模型试验、离心模拟试验和数值模拟相结合的研究方法,就打桩、强夯等施工振动下黄土边坡的加速度、速度、瞬态位移和放大效应等动力响应规律进行研究,取得的研究成果主要有: 1.在黄土路堑地基加固中,在采用柴油柱锤打桩机产生的振动条件下,测试柱锤振动对黄土路堑边坡的动力响应,分析研究动力响应在水平地面上与边坡上的差别,查找施工过程中黄土边坡失稳的外在动力因素。研究结果表明:黄土路堑边坡在振动作用下的动力响应存在明显的放大效应,尤其是边坡的变坡点的动力响应明显强于水平地面上的动力响应,并随边坡的增高而逐渐衰减,但衰减的速度较水平地面上缓慢得多。这种地形对振动产生的动力放大效应是引发黄土路堑边坡失稳的重要因素之一,因此,在处理路堑地基时,应考虑边坡的临时防护与加固措施,确保施工过程中的稳定与安全。 2.设计并完成了1:20比尺的黄土边坡大型动力模型试验,探讨了模型试验中的相似律、边界条件处理等问题;研究了强夯激励下黄土边坡的动力特性变化规律与动力响应规律,以及边坡坡率对动力特性和动力响应的影响。试验结果表明,边坡坡率越大,动力响应幅值越大;强夯激励下黄土边坡的动力响应幅值均随冲击荷载作用而产生并迅速衰减;振动周期在1秒之内,主频率在25~45 Hz之间,不会出现振动叠加现象。强夯激励下黄土边坡对径向加速度的放大效应更显著,下部边坡以竖向振动为主,上部边坡以径向振动为主。黄土边坡的边缘部位对强夯冲击振动的反应幅值较之内部存在放大现象。沿坡高方向,边坡对输入加速度具有明显的放大作用,坡顶处的放大效应最为显著。 3.黄土边坡在开挖卸荷过程中的变形特性及稳定性分析在边坡防护工程中占有重要地位。采用土工离心机进行了1组非支护边坡和2组土钉支护边坡的离心模型试验,研究了开挖卸荷过程中黄土边坡的变形特性、稳定性变化规律及土钉的加固效应。离心模型试验研究表明,土钉能够显著提高黄土边坡的稳定性。土钉支护的边坡土体,因土钉的锚固效应,边坡的变形范围更大,但变形量较小,最大变形量并不在坡面,而是发生在坡面下的锚固区域内。非支护黄土边坡的潜在滑移面产生于距坡顶的一定范围。土钉支护后,黄土边坡基本不会发生破坏,趋于变形稳定状态。对于抵抗边坡发生变形而言,不等长土钉支护的效果要优于等长土钉支护。 4.运用拉格朗日有限元三维计算方法FLAC3D,对打桩、强夯、开挖与支护等施工荷载作用下黄土工程边坡边坡动力响应特性进行了数值模拟分析。研究发现:在打桩、强夯激励下黄土工程边坡的动力响应(加速度、速度、位移)值随震源距的增大而递减;边坡地形对动力响应值具有明显的放大作用,变坡点处的放大效应最大;黄土边坡的坡度和坡形对施工荷载的动力响应幅值有一定的影响,边坡坡度越大,动力响应幅值越大:随着开挖的进行,边坡的稳定性逐渐减小,采用土钉支护后,边坡水平位移略有减小,塑性区明显减小,并且不等长土钉的支护效应相对较好;数值模拟结果与现场测试及模型试验结果基本吻合,得出的黄土工程边坡的动力响应规律基本一致,达到了二者相互印证的效果。


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