多级拼装悬臂式挡墙地震响应振动台模型试验研究

摘要

多级拼装悬臂式挡墙作为一种新型轻型支挡结构，具有施工快捷、材料用量少、边坡绿化方便、耐久性良好、可适宜较高填方边坡等优点，有广泛的工程应用前景。然而，相关设计计算理论尚未建立，特别是在地震作用下其动力响应与力学性能的研究鲜见报道。因此，本文主要采用振动台模型试验、数值模拟和理论分析方法，研究了三级和二级拼装悬臂式挡墙的地震动力响应与特性，主要研究工作与结果如下：　　(1)基于相似理论，采用量纲分析法设计了几何、重度和时间相似比分别为1:10、1:1和1:3.162的三级和二级拼装悬臂式挡墙支挡边坡的振动台试验模型，通过室内振动台设备，完成了水平方向分别施加正弦波、ELCentro波、Kobe波和汶川波激振的振动台模型试验。　　(2)两类挡墙墙后动土压力与地震波特性、墙体变形与破坏模式有密切关系，三级墙和二级墙墙后动土压力总体分别呈“三峰型”和“双峰型”分布，下部挡墙墙顶处皆存在土压力遮蔽效应；两类挡墙水平永久位移都受地震波波峰控制，在波峰作用时刻，挡墙位移急剧增大并达到永久位移；在强震作用下，多级拼装悬臂式挡墙支挡边坡失稳破坏模式可分为3个阶段：一级墙墙底水平滑移破坏、下级墙体后侧土体局部滑移破坏和多级墙整体滑动破坏。　　(3)基于试验确定的墙-坡整体滑动破坏模式，采用Fellenius法和简化Bishop法原理建立了墙-坡系统整体地震稳定性分析方法，简化Bishop法计算所得稳定系数比Fellenius法大8-20%。　　(4)基于极限分析上限法和Newmark滑块理论，推导出了四级、三级和二级拼装悬臂式挡墙的地震水平永久位移计算公式。试验模型分析表明，计算值与FLAC3D数值模拟值较为接近，三级墙、二级墙时各墙顶永久位移分别比试验值约高出10-40%、10-30%。　　本研究所得的多级拼装悬臂式挡墙的地震动力响应特征、墙-坡系统地震稳定性分析和永久位移计算方法的研究成果，可以为多级拼装悬臂式挡墙支挡边坡工程的抗震设计提供理论指导和参考。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 地震土压力

1.2.2 地震边坡稳定性

1.2.3 地震边坡破坏模式

1.2.4 地震边坡永久位移

1.3 研究内容

1.4 研究方法与技术路线

1.4.1 研究方法

1.4.2 技术路线

第2 章振动台模型试验设计

2.1 概述

2.2 相似比设计

2.3 试验模型

2.3.1 模型箱设计与制作

2.3.2 模型设计

2.3.3 填料物理力学性质测试

2.3.4 模型制作

2.4 试验设备及测试系统

2.4.1 振动台和数据采集系统

2.4.2 传感器布置及类型

2.5 地震波选取及加载方案

2.5.1 地震波选取

2.5.2 加载方案

2.6 本章小结

第3 章三级拼装悬臂式挡墙试验结果与分析

3.1 概述

3.2 模型边坡固有频率与阻尼比

3.2.1 加速度传递函数

3.2.2 边坡固有频率和阻尼比

3.3 加速度响应

3.3.1 加速度放大效应

3.3.2 地震波瞬时PGA 的影响

3.3.3 不同波形的影响

3.3.4 地震波幅值的影响

3.4 土压力

3.4.1 静止土压力

3.4.2 动土压力

3.5 位移

3.6 模型边坡破坏特征

3.6.1 边坡变形与破坏过程

3.6.2 边坡失稳破坏模式

3.7 本章小结

第4 章二级拼装悬臂式挡墙试验结果与分析

4.1 概述

4.2 模型边坡固有频率和阻尼比

4.3 加速度响应

4.3.1 加速度放大效应

4.3.2 地震波瞬时PGA 的影响

4.3.3 不同波形的影响

4.3.4 地震波幅值的影响

4.4 土压力

4.4.1 静止土压力

4.4.2 动土压力

4.5 位移

4.6 模型边坡破坏特征

4.6.1 边坡变形与破坏过程

4.6.2 边坡失稳破坏模式

4.7 本章小结

第5 章多级拼装悬臂式挡墙地震响应数值模拟

5.1 概述

5.2 模型建立及参数选取

5.3 边界条件和加载波形

5.3.1 边界条件及动力加载方式

5.3.2 加载地震波形

5.4 计算监测点布置

5.5 三级拼装悬臂式挡墙数值模拟结果与分析

5.5.1 模型固有频率

5.5.2 加速度响应

5.5.3 土压力

5.5.4 位移

5.6 二级拼装悬臂式挡墙数值模拟结果与分析

5.6.1 模型固有频率

5.6.2 加速度响应

5.6.3 土压力

5.6.4 位移

5.7 本章小结

第6 章综合对比分析

6.1 概述

6.2 加速度

6.3 动土压力

6.4 永久位移

6.5 本章小结

第7 章墙-坡系统地震稳定性与永久位移分析

7.1概述

7.2 边坡稳定性分析

7.2.1 计算方法

7.2.2 稳定性计算

7.3 永久位移计算

7.3.1 屈服加速度算法

7.3.2 永久位移算法

7.3.3 对比验证

7.3.4 四级拼装悬臂式挡墙永久位移

7.4 本章小结

第8 章结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及科研成果