加筋挡土墙的地震作用及动力稳定性分析

论文摘要

加筋挡土墙作为一种新型支挡结构,其造价低廉、性能优良且外表美观,在我国交通和城建等领域应用广泛。大量的实践证明,加筋挡土墙抗震性能良好;但是,当地震激励较强时,仍有必要进行合理的抗震设计。本文围绕加筋挡土墙的地震作用及动力稳定性展开研究,具体研究内容、研究方法及相应成果如下:（1）把加筋土看成宏观上均匀的复合材料,筋带当作土体增强材料,基于地基剪切梁模型建立墙后填土运动方程,求得水平地震作用下墙后填土水平方向的剪切应变;将筋带简化为一维无质量弹性杆,假定土体与筋带之间没有发生相对位移,则可得筋带轴向应变等于墙后填土水平方向的剪切应变;建立地震作用下筋带的拉力方程,求解简谐地震作用下筋带的拉力解析解;以此为基础,验证加筋挡土墙内部稳定性。最后,结合一实例进行了分析,并用有限元软件ADINA对依据地基剪切梁理论建立的筋带拉力计算模型进行了验证,结果表明该计算模型比较准确地反映筋带实际受力,实现了土体和筋带、面板的共同工作。（2）考虑筋带加固作用,依据极限理论上限法,加筋挡土墙整体滑动破坏面选用对数螺旋线,建立地震作用下加筋挡土墙整体稳定性分析模型。建立了滑移面动态搜索模式,实现整体稳定性随加筋挡土墙设计参数变化的动态分析过程;通过一工程实例表明,最危险滑移面随加筋挡土墙参数的变化而变化;基于滑移面动态搜索模型进行加筋挡土墙整体稳定性分析,较好地解决了通常由经验指定最危险滑移面位置,或者未考虑筋带加固作用进行稳定性分析存在的不合理性;利用遗传算法对最危险滑移面旋转中心进行动态搜索,避免整体稳定系数搜索中陷入局部最小值的不足。最后,提出基于整体稳定系数的加筋挡土墙灵敏度概念及灵敏度计算公式,得到整体稳定系数的各设计参数灵敏度计算公式;基于整体稳定系数的灵敏度分析,得到各个设计参数敏感程度大小。（3）基于地震作用下加筋挡土墙整体稳定性分析模型,提出地震作用下加筋挡土墙的位移由地震作用过程中的位移和震后位移组成;用Newmark滑块法计算了地震作用过程中的位移;根据筋带变形特性,对地震后筋带随土体滑移提出台阶变形来计算筋带的滑移摩阻做功,运用能量守恒与转换原理建立地震作用后位移计算模型并求解;给出了位移控制的加筋挡土墙设计步骤,并对一工程实例进行了计算及数值验证。（4）结合加筋挡土墙实际破坏情况,建立了加筋挡土墙内部稳定性功能函数和整体稳定性功能函数。通过编制MATLAB计算程序,分别用验算点法和蒙特卡罗法对加筋挡土墙内部稳定性和整体稳定性的可靠度进行了计算,通过计算结果比较,发现验算点法有较好的计算精度,可以在地震作用下加筋挡土墙稳定性可靠度分析中推广。（5）用有限元软件ADINA对加筋挡土墙进行了动力分析。考虑土体和筋带、面板协同工作建立三维有限元模型;应用非线性弹塑性模型模拟土体;用双线形弹塑性模型模拟筋带;由接触单元模拟土与墙面板的相互作用。通过一工程实例得出墙后筋带最大拉力点的分布规律及地震前后筋带拉力的变化规律;对一加筋挡土墙在输入EL-Centro地震波,对不同支护工况下动力响应进行了计算、对比和分析,得出不同参数对加筋挡土墙地震响应的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 加筋挡土墙的特点
• 1.1.2 加筋土支挡结构应用现状
• 1.2 课题研究背景、目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 筋带－土体动力模型建立及内部稳定性分析
• 2.1 引论
• 2.2 加筋挡土墙的构造及工作原理
• 2.2.1 加筋挡土墙的构造
• 2.2.2 加筋土的工作原理
• 2.2.3 加筋挡土墙的破坏模式
• 2.3 筋带－土体系统动力模型建立及筋带动拉力计算
• 2.4 加筋挡土墙内部稳定性验算
• 2.5 案例分析及数值验证
• 2.6 小结
• 第3章 地震作用下加筋挡土墙整体稳定性分析
• 3.1 引论
• 3.2 地震作用下加筋挡土墙整体失稳破坏模式
• 3.3 地震作用下加筋挡土墙整体稳定性分析
• 3.3.1 塑性极限分析的上限定理
• 3.3.2 基于上限定理的加筋挡土墙整体稳定系数
• 3.3.3 加筋挡土墙整体失稳滑动面搜索模型
• 3.3.4 加筋挡土墙内能耗损率及外功率计算
• 3.3.5 加筋挡土墙最危险滑动面上整体稳定系数的计算
• 3.4 实例分析
• 3.5 基于整体稳定系数的加筋挡土墙设计参数灵敏度分析
• 3.5.1 灵敏度分析模型
• 3.5.2 基于整体稳定系数的设计参数灵敏度分析
• 3.6 小结
• 第4章 地震作用下加筋挡土墙位移计算
• 4.1 引论
• 4.2 地震作用下加筋挡土墙位移计算
• 4.2.1 位移计算原理
• 4.2.2 地震作用下加筋挡土墙位移计算
• 4.2.3 确定最危险滑移面时的屈服加速度
• 4.2.4 基于位移控制的加筋挡土墙设计
• 4.3 案例分析及数值验证
• 4.4 小结
• 第5章 地震作用下加筋挡土墙稳定性可靠度研究
• 5.1 引论
• 5.2 可靠度基本原理
• 5.3 可靠度分析方法
• 5.3.1 一次二阶矩法
• 5.3.2 蒙特卡洛法
• 5.3.3 响应面法
• 5.3.4 结构模糊随机可靠度分析法
• 5.4 地震作用下加筋挡土墙稳定性可靠度分析
• 5.4.1 可靠度分析中的随机变量
• 5.4.2 稳定性功能函数
• 5.4.3 稳定性可靠度分析方法
• 5.5 实例分析
• 5.5.1 地震作用下加筋挡土墙抗拔稳定性可靠度分析
• 5.5.2 地震作用下加筋挡土墙整体稳定性可靠度分析
• 5.6 小结
• 第6章 地震作用下加筋挡土墙动力响应数值模拟
• 6.1 引论
• 6.2 有限元软件ADINA 的技术特色
• 6.3 动力有限元理论
• 6.3.1 动力运动方程
• 6.3.2 动力运动方程的解法
• 6.4 动力运动方程中阻尼的计算
• 6.5 地震作用的输入
• 6.6 加筋挡土墙的动力响应数值模拟
• 6.6.1 加筋挡土墙有限元计算模型的建立
• 6.6.2 模拟结果及参数分析
• 6.7 小结
• 结论与展望
• 1. 结论
• 2. 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读学位期间所发表的学术论文