桩板式挡土墙损伤识别及预警

摘要

桩板式挡土墙作为一种常见的挡土墙结构形式，广泛用于建筑工程、交通工程、地下工程等领域。然而在其运营过程中，在多因素作用下挡土墙可能发生损伤。因此对挡土墙损伤进行及时、有效地识别和预警，对我国的防灾减灾工程具有重要意义。然而，目前仍没有针对挡土墙结构的损伤诊断方法，所以需要一种简单、无损、敏感、有效的损伤识别方法判别挡土墙的损伤状态、诊断挡土墙的损伤位置、识别挡土墙的损伤程度，以及对挡墙的安全稳定性预警，从而实现对挡土墙结构的损伤识别和预警。鉴于此，本文在国家自然基金项目“岩土支挡结构健康诊断仪的研制”（项目批准号：51027004）、教育部长江学者和创新团队发展计划项目“山区岩土工程”（项目批准号：IRT1045）的资助下，对桩板式挡土墙的稳定性及局部损伤进行预警和识别研究。基于理论研究、室外试验、数值模拟，对本文提出损伤预警方法的可行性和有效性进行论证，论文的主要研究工作如下：
　　①对桩板式挡土墙-土系统进行力学分析，建立简化的墙-土系统力学模型，在此基础上建立墙-土系统有限元模型。通过模态试验和有限元模态分析，对有限元模型进行修正，得到桩板式挡土墙基准有限元模型。
　　②分析小波包频带能量谱损伤识别理论的敏感性和鲁棒性，在此基础上引入小波包频带能量比谱，提出剩余频带这一概念，并创建特征频带向量谱，然后建立损伤特征向量谱，提出两个新的损伤识别指标：能量比均方差（ISD）和能量比变异系数（IVC）。基于损伤识别指标提出一种针对挡墙结构的损伤识别方法。以桩板式挡土墙基准有限元模型为算例，验证该方法的敏感性、有效性和可行性。
　　③对挡墙系统激励与响应间脉冲响应函数进行小波包分解，提出基于脉冲响应函数的改进损伤识别方法。通过锤击振动试验，验证基于脉冲响应函数损伤识别方法的敏感性和有效性。结果显示该损伤识别方法不但能敏感判别挡墙损伤状态，还可以有效诊断挡墙损伤位置，以及识别挡墙损伤程度。
　　④为了彻底摆脱小波包频带能量谱对激励的依赖，对结构系统响应间虚拟脉冲响应函数进行小波包分解，提出基于虚拟脉冲响应函数的损伤识别方法。并通过环境激励振动试验，验证基于虚拟脉冲响应函数损伤识别方法的敏感性和有效性。结果显示该损伤识别方法同样能敏感判别挡墙损伤状态，有效诊断挡墙损伤位置，以及识别挡墙损伤程度。
　　⑤建立土压力与基床系数间的函数关系，并以土压力为纽带，通过损伤识别指标判别挡墙稳定状态。当损伤指标取得界限值时，挡墙进入临界稳定状态。所以，损伤指标可用于挡墙稳定性预警。
　　研究结果表明，本文提出的损伤识别方法不但可以敏感判别桩板式挡土墙的损伤状态，还能有效诊断挡土墙的局部损伤位置，有效识别挡土墙的局部损伤程度。此外，通过损伤指标还可对挡墙稳定性进行预警。因此，本文提出的损伤识别方法可用于挡土墙结构的“健康诊断”。这对于土木工程灾害的预防具有重要的学术意义和应用价值。

目录

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究思路及主要研究内容

2 桩板式挡土墙-土系统基准有限元模型

2.1 概述

2.2 桩板式挡土墙-土系统力学模型

2.3 简化力学模型参数确定

2.4 桩板式挡土墙-土系统有限元模型

2.5 模态试验

2.6 挡土墙-土系统基准有限元模型

2.7 本章小结

3 基于小波包频带能量谱的挡土墙结构损伤识别方法

3.1 概述

3.2 小波变换

3.3 小波包变换

3.4 支挡结构动力系统描述

3.5 基于小波包频带能量谱的损伤识别方法

3.6 改进的损伤识别方法

3.7 数值算例

3.8 本章小结

4 脉冲激励下桩板式挡土墙损伤识别研究

4.1 概述

4.2 改进的损伤识别方法

4.3 试验研究

4.4 本章小结

5 环境激励下桩板式挡土墙损伤识别研究

5.1 概述

5.2 虚拟脉冲响应函数

5.3 试验研究

5.4 损伤识别方法的敏感性和鲁棒性分析

5.5 本章小结

6 桩板式挡土墙稳定性预警

6.1 概述

6.2 桩板式挡土墙稳定性预警方法

6.3 数值算例

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A．作者在攻读博士学位期间发表的论文

B．作者攻读博士学位期间参加科研项目及取得的成果