岩土构筑物抗震动力特性及地震动土压力研究

论文摘要

以无砟轨道单线铁路路堤为原型,设计和完成了4种压实度和2种加筋形式路堤结构的大型振动台模型试验,并建立了路堤数值模型,完成了振动台试验主要工况的模拟；开展了加筋格宾挡墙、绿色加筋格宾挡墙、柔性网面土工格栅挡墙等新型加筋土结构的力学特性和抗震动力特性的一系列室内试验研究；采用水平层分析法对现行抗震规范中用于地震动土压力计算的Mononobe-Okabe公式进行了拓展和补充。主要研究工作如下：（1）完成了4种压实度（95%、93%、90%和87%）和2种加筋形式（加筋2层和加筋4层）路堤结构的振动台模型试验设计。根据相似原理,推导了路堤振动台试验相似关系,确定了模型试验的模拟材料,开展了填料的大型三轴试验及其他常规土工试验,得到了填料的主要物理力学性能指标。（2）以95%压实度路堤振动台试验成果为例,分析了路堤动力特性参数变化规律及其影响因素。研究了不同地震波和不同地震动强度激励下的路堤水平加速度响应、垂直加速度响应、动土压力响应、动位移响应等内容,并分析了地震动类型、地震动强度、多向输入、时间压缩比等因素对水平和垂直加速度放大倍数的影响。同时结合路堤动力特性试验结果,从时域和频域的角度分析了地震波在路堤中的传播特性。测试了震陷变形和侧向残余变形,得出了震陷变形和侧向残余变形的分布特点。并通过FLAC3D建立了振动台试验的数值模型,模拟了振动台试验主要加载工况,数值模拟结果可作为试验结果的补充和验证。（3）完成了压实度为95%、91%、87%和83%以及加筋2层和加筋4层路堤的振动台模型试验。得到了不同压实度和不同加筋形式路堤动力特性参数,分析了路堤动力特性的变化规律及其影响因素。对比和分析了不同压实度和不同加筋形式路堤水平和垂直加速度放大倍数分布的差异性及其影响因素、动土压力响应特性、动位移响应特性,以及路堤震陷变形和侧向残余变形的分布特点,并研究了压实度、加筋形式等因素对残余变形的影响。通过FLAC3D建立了不同压实度和不同加筋形式路堤的数值模型,模拟了振动台试验主要加载工况,并将数值模拟结果同试验结果进行了对比分析。（4）通过拉伸试验研究和对比了不同加筋土筋材的拉伸力学特性。以红砂岩为填料,开展了格宾网和土工格栅的界面摩擦特性拉拔试验研究。通过在挡墙顶部施加不同荷载水平的循环加卸载,研究了加筋格宾挡墙、绿色加筋格宾挡墙、柔性网面土工格栅挡墙等3种新型加筋土结构的承载力特性。通过施加不同幅值和频率的动力荷载,研究了这3种新型加筋土结构的动变形特性。通过施加不同类型和不同强度的水平地震动激励,研究了这3种新型加筋土结构的抗震动力特性。研究表明,新型加筋土结构有优良的构造措施,且为柔性结构,当遭遇强烈地震时能消耗大量地震能量,具备良好的变形特性。（5）基于Mononobe-Okabe的破裂面假设,采用水平层分析法推导了地震作用下主动和被动土压力合力及其作用点位置、土压力强度分布情况的解析解,采用图解法得到了主动和被动土压力临界破裂角的显式解答。提出了求解主动土压力裂缝深度的迭代计算方法。推导的主动和被动土压力公式考虑了水平地震系数、垂直地震系数、墙背倾角、填料粘聚力和内摩擦角、填料与墙背的粘结力和外摩擦角、均布超载等诸多因素的影响,并对这些影响因素作了参数分析。通过与已有的主动和被动土压力公式比较表明,在相应的简化条件下,动土压力公式与已有土压力公式是完全一致的；并结合算例,证实了公式的可靠性和有效性。（6）根据所推导的地震条件下主动和被动土压力公式,基于Visual Basic 6.0开发了地震动土压力计算程序。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 地震灾害概况
• 1.1.2 本文研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 岩土构筑物地震反应特性理论研究
• 1.2.2 岩土构筑物地震反应特性试验研究
• 1.2.3 加筋土结构抗震动力特性研究
• 1.2.4 地震动土压力研究
• 1.3 本文研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 铁路路堤地震反应振动台模型试验设计
• 2.1 概述
• 2.2 振动台主要技术指标
• 2.3 模型试验相似关系设计
• 2.3.1 相似理论
• 2.3.2 铁路路堤振动台试验的相似关系
• 2.4 模型试验填料及其物理力学特性
• 2.5 铁路路堤模型设计
• 2.5.1 模型箱设计
• 2.5.2 不同压实度路堤模型
• 2.5.3 加筋路堤模型
• 2.5.4 元器件及其布置情况
• 2.5.5 模型安装与试验
• 2.6 试验加载方案
• 2.7 本章小结
• 第三章 铁路路堤地震动力反应与数值模拟
• 3.1 概述
• 3.2 铁路路堤动力特性分析
• 3.2.1 试验分析理论
• 3.2.2 铁路路堤动力特性试验结果与分析
• 3.3 铁路路堤地震动力反应特性
• 3.3.1 水平加速度反应
• 3.3.2 垂直加速度反应
• 3.3.3 动土压力响应
• 3.3.4 水平动位移响应
• 3.4 路堤地震残余变形
• 3.4.1 路堤变形模式
• 3.4.2 路堤震陷变形
• 3.4.3 路堤侧向残余变形
• 3.5 路堤破坏与抗震性能
• 3.6 振动台试验的数值模拟验证
• 3.6.1 路堤数值模型的建立
• 3.6.2 试验结果与数值模拟的比较
• 3.7 本章小结
• 第四章 不同压实度及加筋路堤的地震动力反应分析
• 4.1 概述
• 4.2 不同压实度路堤动力特性分析
• 4.3 不同压实度路堤地震动力反应分析
• 4.3.1 不同压实度路堤试验现象描述
• 4.3.2 不同压实度路堤水平加速度反应
• 4.3.3 不同压实度路堤垂直加速度反应
• 4.3.4 不同压实度路堤动土压力响应
• 4.3.5 不同压实度路堤水平动位移响应
• 4.4 不同压实度路堤地震残余变形
• 4.4.1 不同压实度路堤震陷变形
• 4.4.2 不同压实度路堤侧向残余变形
• 4.5 不同压实度路堤地震动力反应的数值模拟对比研究
• 4.5.1 不同压实度路堤的数值模型
• 4.5.2 不同压实度路堤试验结果与数值模拟对比
• 4.6 加筋路堤动力特性分析
• 4.7 加筋路堤地震动力反应分析
• 4.7.1 加筋路堤水平加速度反应
• 4.7.2 加筋路堤垂直加速度反应
• 4.7.3 加筋路堤动土压力响应
• 4.7.4 加筋路堤水平动位移响应
• 4.8 加筋路堤地震残余变形
• 4.9 加筋路堤地震动力反应的数值模拟对比研究
• 4.9.1 加筋路堤的数值模型
• 4.9.2 加筋路堤试验结果与数值模拟对比
• 4.10 本章小结
• 第五章 新型加筋土结构及其抗震动力特性
• 5.1 概述
• 5.2 筋材拉伸力学特性
• 5.2.1 拉伸试验概况
• 5.2.2 筋材拉伸力学特性分析
• 5.2.3 拉伸曲线模拟
• 5.2.4 筋材在约束条件下的变形方程
• 5.3 筋土界面摩擦特性
• 5.3.1 筋土界面摩擦特性试验方法
• 5.3.2 筋材的拉拔试验概况
• 5.3.3 拉拔试验结果与分析
• 5.4 新型加筋土结构的承载力特性
• 5.4.1 试验概况
• 5.4.2 结果与分析
• 5.5 新型加筋土结构的动变形特性与动力分析
• 5.5.1 试验概况
• 5.5.2 结果与分析
• 5.5.3 加筋土结构动力分析
• 5.6 新型加筋土结构的地震动力响应
• 5.6.1 试验概况
• 5.6.2 结果与分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 地震动土压力水平层分析法
• 6.1 概述
• 6.2 地震条件下主动土压力研究
• 6.2.1 主动土压力公式推导
• 6.2.2 主动土压力公式与已有公式的比较
• 6.2.3 主动土压力参数分析
• 6.3 考虑裂缝深度的主动土压力
• 6.3.1 考虑裂缝深度的主动土压力公式推导
• 6.3.2 算例分析
• 6.4 地震作用下被动土压力研究
• 6.4.1 被动土压力公式推导
• 6.4.2 被动土压力公式与已有公式的比较
• 6.4.3 被动土压力参数分析
• 6.5 地震动土压力计算程序设计
• 6.5.1 程序设计内容
• 6.5.2 程序使用说明
• 6.5.3 计算算例
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 创新点
• 7.3 研究工作展望
• 参考文献
• 附录 地震动土压力程序设计源程序
• 致谢
• 攻读学位期间的主要成果
• 一、发表和录用的论文
• 二、主持和参加的项目
• 三、获奖情况