基于数值模拟软件的重力式挡墙抗震性能研究

摘要

地震作为一种突发式的自然灾害，不仅直接造成人民生命财产的巨大损失，而且伴随或诱发许多地震地质灾害，而我国多山地、多地震的地理地质条件带来了大量和地震作用有关的边坡支护问题。随着西部大开发战略的实施，更多的公路将在山区修建，穿越强震区和破裂带不可避免，公路工程支护结构的地震稳定性的研究尤为重要。
　　 地震效应对边(滑)坡的影响是一个复杂的动力过程，而现行的《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)中，边(滑)坡支护的地震稳定性分析仍采用基于极限平衡理论的拟静力法，严重影响了从定量角度进行地震灾势评估。从学科趋势来看，基于地震反应分析的动力分析理论是发展的方向，但动—静力学两种设计方法在相当长一个时期内会有一个协调过渡过程，仍处于需进一步探究的阶段。本文以汶川地震高烈度地震区路段都汶路为实验线，运用有限元软件ANSYS对沿线的重力式挡土墙支挡的路肩挡墙支护进行自振频率分析。运用有限差分数值分析软件FLAC3D对重力式挡墙的四种型式进行了抗震性能的对比研究。挡墙主要有三种破坏模式：挡土墙沿施工缝外倾错位；挡土墙纵向水平方向鼓胀、开裂。通过理正岩土设计重力式挡土墙的四种形式：衡重式、墙背仰斜式、墙背俯斜式、墙背直立式，使其在静力作用下支挡效果一致，并且在震级7度、8度、9度作用下都是稳定的。再通过FLAC3D比较分析它们在不同地震烈度作用下的动力响应，看哪一种墙背型式的抗震效果最好。此研究对设计工作者在考虑地震作用时，选用较好抗震性能的挡墙形式具有重要的理论意义和实践意义。
　　 本文的研究内容和成果如下：
　　 1.运用基于ANSYS的模态分析，对都汶路上的26个路堑重力式挡土墙工点进行了模态分析，得到它们的前三阶频率，及对应前三阶振型，发现前三阶振型恰恰与挡土墙的三种破坏模式一致。即滑动破坏、倾覆破化、横向错位。由此可预测挡墙的破坏频率，由于地震是低频的，以此优化挡土墙的频率，使其避开地震低频。
　　 2、随着挡墙高度的增高，模型的自振频率逐渐降低，阻尼比逐渐增大，这是动力特性变化的基本规律。同时亦表明，自振频率作为衡量振动对模型影响的指标是比较灵敏的，能充分反映模型微观特征的变化情况。
　　 3、由FLAC3D分析了重力式挡土墙的抗震性能，重力式挡土墙是最常用的挡土墙，根据墙背型式的不同，又分为四种，但是设计者在设计时很少考虑到这四种墙型的抗震性能。分析从5方面进行了对比分析，地震作用后的剪切应变增量(即塑性应变区)，挡墙顶、挡墙底的X残余位移(垂直于挡墙方向)，挡墙顶部的残余应力(土压力)，挡墙顶的最大加速度。得出的结果恰恰与理正得出的结果一致，俯斜式挡土墙的抗震性能最好，衡重式次之，直立式较之，仰斜式最差。以此建议在地震区挡墙设计，俯斜式优先考虑。
　　 4、随着震级的增大，抗震性能的好坏也越来越明显。各比较量之间的差距也越来越大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景及问题的提出

1.2国内外研究概况及发展趋势

1.2.1边坡稳定性分析方法

1.2.2地震边坡稳定性分析方法

1.3当前研究主要存在的问题

1.4本文的主要研究内容及技术路线

1.5研究方法

第2章数值模拟软件ANSYS与FLAC3D

2.1序言

2.2 ANSYS软件简介及工程分析

2.2.1 ANSYS软件简介

2.2.2 ANSYS工程分析原理

2.3 FLAC 3D软件简介及工程分析

2.3.1软件简介

2.3.2工程分析原理

2.4.ANSYS与FLAC 3D数值模拟

2.4.1 ANSYS与FLAC 3D数值模拟过程

2.4.2适用于岩土体的本构模型

2.4.3模型范围选取

2.4.4单元网格尺寸的确定

2.4.5地基土体边界条件

2.4.6加载——地震波的输入

2.4.7弹塑性分析中重力的考虑

2.5本章小结

第3章模态分析

3.1引言

3.2模态分析的作用

3.3模态分析理论

3.4实模态分析

3.5模态分析过程

3.6边坡支挡结构重力式挡土墙模态分析

3.6.1都汶路上典型重力式路堑挡土墙调查资料

3.6.2都汶路上某工点重力式挡土墙

3.7结果分析

3.7.1挡土墙的前3阶振型分析

3.7.2与实际工点对比

3.8本章小结

第4章FLAC 3D地震动力分析的可行性研究

4.1引言

4.2地震作用下土压力及分布振动台模型实验方案设计

4.2.1要求的实验内容

4.2.2实验断面及测点布置设计

4.2.3模型填筑

4.3挡土结构土压力振动台模型试验结果初步分析(碎石土填料)

4.3.1地震作用下动土压力及土体加速度分布图式

4.4地震作用下挡土墙数值计算分析

4.4.1 FLAC 3D数值分析计算

4.4.2结果分析

4.5本章小结

第5章重力式挡土墙抗震性能研究

5.1序言

5.2路肩墙震害调查

5.3理正设计

5.3.1 4m竖直墙背重力式挡墙

5.3.2俯斜式墙背重力式挡土墙原始条件

5.3.3仰斜式墙背重力式挡土墙原始条件

5.3.4衡重式挡土墙原始条件

5.3.5理正计算结果对比分析

5.4地震作用下4种挡土墙数值计算分析

5.4.1数值模拟参数

5.4.2动力计算地震波

5.4.3数值模拟计算

5.4.4各量随震级变化

5.5本章小结

结论与展望

主要结论

问题与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文、参加的科研项目及感谢提供实验条件