地震作用下挡土墙位移模式的振动台试验研究

 设计并完成2个比尺1∶8的边坡大型振动台模型试验,通过水平向(X向)、竖直向(Z向)和水平竖直双向(XZ双向)3种激振方式,研究汶川波地震作用下重力式挡墙、桩板式挡墙、锚杆格构式框架和预应力锚索格构式框架护坡位移模式及变化特性,并且分析各支挡结构的抗震性能。研究表明：(1) X向或XZ双向激振下,重力式挡墙和桩板式挡墙在激振加速度峰值AXmax≤0.4 g时的永久位移,以及Z向激振下桩板式挡墙和预应力锚索框架护坡的永久位移可忽略不计;(2) X向激振下,当激振加速度峰值AXmax＞0.4 g时,重力式挡墙位移模式为向土体方向滑动和绕墙踵向土体方向转动的耦合,且以滑动为主,而桩板式挡墙位移模式为向土体方向滑动。Z向激振下,当激振加速度峰值AZmax＞0.267 g时,重力式挡墙位移模式为向土体方向滑动和绕墙踵向土体方向转动的耦合。XZ双向激振下,AXmax＞0.4 g和AZmax＞0.267 g时,重力式挡墙位移模式为向土体方向滑动与绕墙趾向土体外侧转动的耦合,且以转动为主,而桩板式挡墙位移模式则为离开土体向外侧滑动与绕基础向土体外侧转动的耦合,且以滑动为主;(3) X向和XZ双向激振下,预应力锚索框架和锚杆框架的位移模式相同,都是沿坡体向土体外侧及边坡下端移动。Z向激振下,当激振加速度峰值AZmax＞0.267 g时,锚杆格构式框架护坡位移模式为向土体外侧和边坡上端移动逐渐转变为向土体方向和边坡上端移动;(4) X向或Z向激振下,桩板式挡墙抗震性能优于重力式挡墙,而XZ双向激振下,重力式挡墙抗震性能优于桩板式挡墙。无论哪种激振方式,预应力锚索格构式框架护坡抗震性能优于锚杆格构式框架护坡。     

格构式框架护坡地震动位移模式的振动台试验研究

 通过1个比尺1∶8的边坡大型振动台模型试验,研究锚杆格构式框架护坡在地震作用下的位移模式及其变化特性。模型试验以汶川波作为设计输入地震波,采用水平(X)向、竖直(Z)向和水平竖直(XZ)双向等3种激振方式。研究结果表明：(1)  X向单向激振时,支挡结构的动位移模式为：当激振加速度峰值AXmax≤0.4 g时,离开土体向外侧平移;当AXmax = 0.6 g时,绕支挡结构的下端向土体方向或边坡下方转动;当AXmax≥0.8 g时,挤向边坡土体方向移动,同时向边坡下方移动与绕支挡结构下端向土体方向转动的耦合。(2)  Z向单向激振时,支挡结构的动位移模式为：当AZmax≤0.267 g时,离开土体向外侧移动,同时发生向边坡下方移动与绕结构下端向土体方向转动的耦合;当AZmax≥0.400 g时,挤向边坡土体方向平移与绕结构下端向土体方向转动的耦合。(3) XZ双向激振时,支挡结构的动位移模式为：离开土体向外侧平移,与绕结构下端向土体方向或边坡下方转动的耦合。     

抗滑桩加固边坡地震响应离心模型试验

为研究抗滑桩加固边坡的地震响应和桩土相互作用规律,利用土工离心机及专用振动台进行了砂土边坡的动力离心模型试验。在50g离心加速度条件下,输入El Centro地震波,记录了边坡不同位置的加速度时程并作频谱分析,采集了桩前动土压力和抗滑桩应变等。结果表明:边坡的地震动力响应自下而上逐渐放大;抗滑桩对周围土体响应有一定阻滞作用;桩前动土压力随着地震输入而迅速增大至峰值,此后保持稳定直至地震结束;抗滑桩各截面弯矩的变化规律与动土压力类似,弯矩最大值出现在抗滑桩下部。     

风干堆积体边坡地震响应的动力离心模型试验

 堆积体边坡在我国西南地区广泛分布,为深入研究其地震响应规律,设计完成了1∶50比尺的概化边坡离心振动台模型试验,分析4级不同强度地震连续作用下,风干堆积体边坡的加速度响应、边坡变形及其失稳模式。试验结果表明,堆积体边坡水平向PGA放大系数表现出了典型的高程放大效应与趋表放大效应。沿堆积体边坡高程方向,输入地震波频谱特性发生了明显改变,各测点加速度傅里叶谱的卓越频率随PGA增大而降低。考虑竖直向加速度放大效应的影响后,发现合放大系数与水平向夹角随高程有减小的趋势,反映了坡面处发生的波场分裂与波型转换现象。随地震波幅值的增大,水平向与竖直向PGA放大系数均先减小后增大。试验过程中观察发现在地震波加速度峰值达到0.216 g时堆积体边坡开始失稳,坡顶沉降明显,失稳模式以浅层崩滑为主。     

斜坡加速度动力响应特性的大型振动台试验研究

以"5·12"汶川地震灾区典型斜坡为原型,采用水平层状上硬下软和上软下硬2种岩性组合概念模型,设计并完成比例1:100的大型振动台试验。在满足相似律的条件下,通过输入不同地震波类型、频率、激振方向和振幅,系统地研究模型斜坡的地震动力响应特性。以输入加速度峰值0.3g为例,分析不同岩性组合模型斜坡在单向天然地震波作用下的同向加速度动力响应规律,研究结果表明,加速度沿竖直和水平方向的响应都呈现明显的非线性特征;总体上,高程对地震波具有明显的放大效应。在水平向地震波作用下,斜坡的动力响应主要出现在斜坡的中上段,而在同等强度的激振力作用下,竖直向加速度最大放大倍数仅相当于水平向加速度最大放大倍数的1/2左右,且动力响应较强部位主要出现在斜坡的中下段。不同岩性组合结构对加速度响应规律的影响也因激振方向不同而异,在水平向地震波作用下,上硬下软组合斜坡总体上要比上软下硬组合斜坡对加速度的放大程度大,在竖直向地震波作用下则相反。通过对比坡面不同高程处的加速度傅里叶谱表明,在地震波从下往上传播过程中,上硬下软斜坡对起放大作用的频段具有明显的选择性,竖直向激振条件下对2种岩性组合斜坡加速度起放大作用的卓越频率比水平向激振条件下的卓越频率大得多。     

地震波频率对岩质斜坡加速度动力响应规律的影响

 斜坡在地震作用下的动力响应是地震波各频率组分与斜坡体共同作用的结果,不同的地震波频率将产生不同的斜坡响应。依托于振动台模型试验,针对均质和层状结构模型斜坡,首先分析试验不同阶段白噪声激振下的动力特性,得出两模型斜坡的共振频率呈现降低趋势,模型内部结构趋于松散,且水平向加速度的第1阶共振频率要低于竖直向加速度的第1阶共振频率。着重分析斜坡加速度动力响应规律及其与地震波频率变化的相关性,结果表明：(1) 两模型的水平向加速度响应在相对坡底高程(h/H＞1/2)时具有明显的高程放大效应,竖直向加速度响应的高程放大效应出现在h/H＜3/4的部位,且这一特征与激振频率的大小无关;(2) 在同等激振强度下,随着激振频率增大,越靠近模型斜坡的共振频率,两模型斜坡水平向加速度的响应程度也越高,而竖直向加速度响应强度与激振频率的相关性因模型斜坡结构不同而异;(3) 激振强度增加时伴随的模型结构恶化(即共振频率降低)并不一定导致加速度响应强度的减弱,相反,高频激振波由于更加接近模型的共振频率,使得响应减弱的可能性变小;(4) 层状结构模型斜坡的加速度响应强度大于均质结构模型斜坡,当激振强度较大时,这种层状结构效应与激振频率的相关性增强,表现为随着激振频率增大,该效应对水平向加速度而言逐渐明显,对竖直向加速度而言则相对减弱。     

基覆边坡支挡结构的加速度放大系数数值与试验研究

 以大理至瑞丽铁路沿线边坡支挡结构为研究对象,以汶川波作为输入地震波,对基覆(厚覆盖层和基岩)边坡的3种不同支挡结构在地震荷载下的动力特性进行数值模拟和振动台模型试验,再对比分析二者结果,主要研究基覆边坡在压缩汶川波XZ双向激励下支挡结构基覆边坡加速度响应规律,研究表明：数值结果与振动台模型试验结果规律基本一致,3种支挡结构的水平向加速度放大系数随着挡墙高度的增加而变大;锚杆框架梁竖向加速度放大系数随测点高度的增加均有增大的趋势;对于地震加速度响应特性而言,振动台模型试验的结果是合理的,数值模拟的结果是可靠的,但数值模拟值稍偏大。     

悬臂挡墙–微型桩加固填土边坡地震响应特征研究

悬臂挡墙是一种适用于地震地区的支挡结构,应用广泛,墙后填料一般具有一定的坡度角,其抗震设计仍面临如何确定地震土压力大小及其作用点、变形及破坏模式等诸多问题。另外,微型桩具有较好的抗震性能,其在浅层滑坡治理加固等领域得到了广泛的应用,针对其在横向动荷载作用下的受力特征、荷载与变形累积等方面的研究还相对较少。为此开展了悬臂挡墙支护的微型桩加固边坡地震响应特性的离心振动台模型试验研究,同时对典型工况进行了数值模拟。主要从3个方面对微型桩–悬臂挡墙支护边坡的地震响应特征进行了分析讨论：(1)边坡的地震加速度响应及其坡顶沉降变形;(2)微型桩地震响应与弯矩分布;(3)悬臂挡墙动土压力大小及作用点、弯矩大小及惯性弯矩的影响、地震位移变形模式、残余弯矩累积发展趋势。对输入输出加速度的传递函数分析表明,边坡土体对输入地震波中接近其自振频率的频率分量具有显著的放大效应;微型桩结构上部设置刚性连接梁能明显改善其受力性能,微型桩的柔韧性与延性等使其在地震荷载作用下可以耗散更多能量;悬臂挡墙上的惯性弯矩超过动弯矩的22%以上,不容忽视,当挡土墙后部填土坡度角较大且同时坡顶上部有荷载时,得到的动土压力系数ΔKa...     

下伏基岩堆积体边坡抗滑桩加固前后地震响应特征离心模型试验

 为研究抗滑桩加固上覆堆积体--下伏基岩二元结构边坡的抗震机制,开展2组1∶50比尺的离心振动台模型试验,以对比分析下伏基岩堆积体边坡在抗滑排桩加固前后的地震响应特征与抗滑桩的桩身弯矩分布规律。试验时,输入4级加速度峰值连续增大的El Centro波,监测边坡模型坡面与坡体内的加速度响应、坡顶沉降变形以及抗滑桩上静、动弯矩的分布。试验结果显示由于抗滑桩抑制了上覆堆积体的下滑,坡顶的加速度峰值(PGA)放大系数、加速度反应谱以及竖向沉降变形均有不同程度的降低。抗滑桩一方面加固了上覆堆积滑体另一方面在坡体内产生了地震波的反射叠加效应,使得边坡水平响应加速度放大系数出现了桩前增大桩后减小的现象。下伏基岩堆积体边坡坡顶沉降与Arias烈度在抗滑排桩加固前后均具有良好的正相关线性关系。地震荷载作用过程中抗滑桩动力响应弯矩变化幅值明显大于地震作用后的静弯矩增量,且静弯矩与动弯矩变化幅值的分布均在基岩面附近达到峰值,易在基岩面附近造成抗滑桩的破坏,类似工况下抗滑桩的抗震配筋设计应充分考虑这一特点。     

预应力锚索桩板墙地震响应的振动台试验研究

作为一种轻型支挡结构,预应力锚索桩板墙具备安全、可靠、造价低等优势,汶川地震也证明了它具有良好的抗震性能。但由于此结构体系的受力复杂,目前一系列基础研究问题仍没有解决,理论研究远落后于工程实践,特别是在抗震设计理论研究方面。通过最直接的室内研究手段——大型振动台试验对预应力锚索桩板墙进行了地震响应研究,输入加速度时程选取卧龙台站实测水平向和竖直向地震波,并按相似比处理,测试了桩身6个高度位置的地震土压力、2个高度位置的位移、边坡中5个高度位置的加速度以及锚索预应力的时程变化。试验结果揭示了预应力桩板墙在地震作用下的土压力分布规律、桩身位移和锚索预应力的地震响应特征以及加固边坡的动力特性和加速度放大效应,为深入了解预应力锚索桩板墙的抗震表现和抗震机理提供了可靠的依据。     

地震作用下土钉支护边坡动力分析

应用动力弹塑性有限元方法,研究了双向地震激励下土钉支护边坡动力响应。考虑土体与支护结构相互作用及其协同工作建立三维有限元模型。给出了地震波和阻尼的选取方法。应用了非线性静动力性能的弹塑性模型模拟土体;采用了可以描述土钉在进入塑性阶段强化性质的双线形弹塑性模型模拟土钉;土与结构的相互作用由接触单元模拟。研究内容包括边坡竖向地震响应、水平地震响应,土钉的地震响应,土压力地震响应。结果表明土钉支护边坡延性大,有很好的抗震性能;地震作用后各层土钉轴力都增大;边坡在地震作用下产生永久位移;地震作用下土压力峰值形状与地震作用前的土压力形状相似。这些结论对土钉支护边坡的抗震设计与动力分析有较高的参考价值。     

地震作用下仰斜式挡墙的动力响应分析

为了研究地震作用下仰斜式挡墙的地震响应,本文利用数值分析软件Plaxis建立二维数值模型,施加汶川卧龙地震波,分析了不同烈度地震作用下仰斜式挡土墙的地震动响应,得出了以下结论：首先,在不同地震烈度作用下,以仰斜式挡土墙底部为基准,挡墙的中部为加速度和加速度反应谱放大性的转折点,即墙底至0.5倍墙高范围内,水平加速度沿墙高逐渐减小,而在0.5倍墙高至墙顶范围内,水平加速度沿墙高逐渐增加;随着地震烈度的增加,墙后填土的傅里叶谱具有低频放大的效应;地震波的能量沿墙高向上逐渐减小.     

地震作用下柔性挡墙变形特征分析

为研究柔性挡墙的地震动力响应及变形特征,开展格宾加筋挡墙与生态加筋挡墙的大型振动台模型试验。研究结果表明:在地震作用下,2种柔性挡墙受到的峰值动土压力沿墙高呈现中间小两端大的分布特征,这与混凝土刚性挡墙峰值动土压力的分布规律恰好相反。由于格宾加筋挡墙和生态加筋挡墙的面墙在地震作用下发生鼓胀变形,导致其相应部位的动土压力远小于混凝土挡墙的动土压力。国内现行规范因未考虑柔性挡墙变形后的地震土压力衰减效应,据此进行柔性挡墙的抗震设计将偏于保守。通过分析认为,对于格宾加筋挡墙和生态加筋挡墙这类面墙刚度较小的柔性挡墙的抗震设计,应在保证挡墙地震稳定性的前提下,对地震土压力做适当的折减以节约工程造价。对于铁路及高等级公路柔性挡墙的抗震设计,除要保证其整体稳定性外,还需控制墙体的局部变形量,改善填料的工程特性和增加面墙材料的弹性模量以及加厚墙体均可以减小挡墙在地震作用下的变形量。     

SV波作用下刚性挡土墙地震主动土压力时频域计算方法

 基于弹性波动理论,概化刚性挡土墙的动力分析模型,利用水平分层法,建立单元体的受力平衡微分方程,借助Hilbert-Huang变换,提出地震作用下刚性挡土墙地震主动土压力的时频域计算方法,并通过与振动台试验结果的对比验证该方法的合理性。分析输入波频率对刚性挡土墙墙后填土的临界破裂角、地震主动土压力合力以及作用点的影响,结果表明：随着地震烈度的增大,临界破裂角逐渐减小,地震主动土压力合力逐渐增大,合力作用点位置略有上移;随着输入波频率的增大,临界破裂角和地震主动土压力合力分别呈“倒马鞍型”和“正马鞍形”分布,并且均在输入波频率与刚性挡土墙系统自振频率相近时达到最大,而地震主动土压力合力的作用点则基本上不变;按照现有规范不考虑输入波频率进行刚性挡土墙地震稳定性设计,可能会降低挡墙的地震安全储备。刚性挡土墙地震主动土压力的时频域计算方法不仅能够考虑地震波三要素(峰值、频率以及持时)对挡墙土压力的影响,同时也能够为其他类型支挡结构的抗震时频设计提供一定的参考。     

格宾加筋土挡墙抗震性能及数值分析

基于有限差分程序FLAC3D动力分析模块,建立水平地震作用下格宾加筋土挡墙足尺数值模型,通过抗震模型试验结果验证数值模型的可靠性,分析不同强度地震波作用、不同竖向加筋间距时,格宾加筋土挡墙的水平位移响应、震陷、加速度响应及破坏模式,在此基础上,提出格宾加筋土挡墙抗震设计相关措施与建议。结果表明:在不同峰值加速度作用下,格宾加筋土挡墙没有出现倒塌破坏,在较大的水平位移及沉降发生后仍能继续承载,表现出良好的抗震性能;在地震波频率特性基本不变的情况下增长加速度峰值,墙面加速度放大系数有减小的趋势;格宾加筋土挡墙建造于7度及以下、8度、9度及以上抗震设防区时,格宾网竖向间距分别不宜大于1.0m、0.75m、0.5m;水平地震作用下挡墙潜在破裂面为双线段组合形式;提出格宾加筋土挡墙抗震设计位移控制标准。     

刚性挡土墙地震失效模式的数值研究

采用离散元方法建立了某刚性重力式挡土墙的数值模型,并根据室内材料试验结果标定了数值模型的微观参数,使数值模拟结果建立在可靠的参数选择基础上。利用颗粒流软件的微观实时测量优势研究了地震荷载作用下挡土墙的失效模式。研究结果表明:加载初期,挡土墙在墙后动土压力、自身地震惯性力和基础摩擦力的作用下保持稳定;随着加速度峰值的增大,动土压力的波动偏离静土压力并逐渐增大,挡土墙发生水平滑移和旋转,当基础破坏后挡土墙还将发生竖向位移。     

Experimental study on seismic response of soilbags-built retaining wall

The seismic performance of soilbags-built retaining wall model was studied experimentally. A series of small-scale shaking table tests with the input of different amplitude sinusoidal waves and a large-scale shaking table test in a designed laminar shear box with the input of the Wenchuan earthquake wave were carried out on soilbags' retaining wall models. For comparison, the small-scale shaking table tests were also conducted on horizontally reinforced retaining wall models. The horizontal acceleration responses, the Fourier spectra, the dynamic earth pressure and the lateral displacements of soilbags' retaining wall models were investigated in shaking table tests. The results show that the seismic response of the soilbags' retaining wall is equivalent to or even slightly better than that of the horizontally reinforced retaining wall. The fundamental frequency and the Fourier spectral characteristics of the soilbags’ retaining wall are similar to those of backfill sands. The dynamic earth pressure of the wall model fluctuates almost synchronously with the input Wenchuan wave and no residual earth pressure is induced by the seismic loading. The permanent lateral displacements are small when subjected to multiple shakings, providing a proof that the retaining wall of soilbags has a good seismic performance.