强震条件下岩质路堑边坡与预应力锚索结构的动力相互作用机制研究

论文摘要

根据对四川省内的由2008年5.12汶川8.0级地震造成的路堑边坡震害进行的调查,归纳分析了锚固边坡的震害情况。在通过室内直剪试验获得锚固体与岩体界面的抗剪强度参数的基础上,结合锚固边坡震害调查结果,对预应力锚索结构与边坡岩土体的动力相互作用机制进行了计算分析。本文的主要工作内容与结果如下：1)通过对岩质路堑边坡的震害情况的调查分析,发现采用锚固结构加固的边坡具有较好的抗震性能。2)通过直剪试验模拟了砂浆和岩石粘结面的剪切破坏过程；分析了峰值强度的影响因素及砂灰比对砂浆岩石粘结强度的影响规律,得到残余内摩擦角和残余粘聚力分别在砂灰比为0.75、0.50时取得较大值；得到砂浆与三种常见岩石的粘结强度参数。3)用拟静力法推导了平面滑动和圆弧滑动模式的边坡在水平地震作用下的预应力锚索内力的计算公式形如T=Af（kei）+B,得到随着水平地震影响系数的增加,锚索的锚拉力呈线性增长的变化特征。利用弹性理论推导了锚索锚固段剪应力分布公式及最大剪应力出现的位置与其影响因素,得到岩体越软,剪应力分布范围越大峰值越小；地震过程中锚固段未破坏时,最大剪应力位置保持不变（zτmax=（?）1/b,b为与锚固体直径及变形参数有关的计算参数）；岩体泊松比越小、岩体与锚固体弹性模量比值越大,锚固段剪应力峰值位置越浅。4)利用理论分析和数值模拟方法讨论了锚固结构动力作用机制与特征,得到在地震条件下关于锚固结构和边坡的动力响应规律如下：①锚固结构内力会增加,平均增加幅度约为60%,在地震过程中会加大对边坡的锚固作用；对降低坡脚处的剪应变、限制坡面位移、维护边坡稳定发挥了重要作用；锚固结构可与坡体发生很好地变形协调,改善边坡岩土体的应力状态,提高边坡中潜在滑动面或软弱结构面的抗剪强度,有利于坡体稳定。锚固结构受竖向地震作用的影响较小。②就整体而言,随着岩质边坡高程的增加,水平加速度、速度、位移有垂直放大的规律；但沿坡面向上PGA放大系数呈先增大后减小规律；③竖向地震作用会增大坡顶、坡脚处的剪应变,降低坡体的安全系数,但对坡体主应力、放大系数、锚固结构内力影响不大。本文在锚固边坡的震害调查、锚固结构与岩体界面抗剪强度参数、预应力锚索结构与边坡的动力相互作用分析方法及作用机制方面的研究工作,有助于进一步认识在强震条件下边坡锚固结构的力学作用特征,可为实际工程提供理论参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 地震作用下岩质边坡的动力分析
• 1.2.2 竖向地震作用
• 1.2.3 锚固边坡及锚固结构动力反应
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 技术路线
• 1.5 主要创新点
• 第2章 汶川地震锚固边坡动力响应特征调查
• 2.1 概述
• 2.2 汶川地震锚固边坡变形特征调查
• 2.2.1 锚杆加固、挂网喷混凝土支护边坡变形特征
• 2.2.2 锚固结构加固边坡的变形特征
• 2.2.3 预应力锚索抗滑桩加固边坡变形特征
• 2.3 汶川地震锚固边坡破坏特征调查
• 2.3.1 锚杆加固、挂网喷混凝土支护边坡破坏特征
• 2.3.2 锚固结构加固边坡的动力破坏特征
• 2.3.3 采用和未采用支护的边坡的破坏特征对比
• 2.4 本章小结
• 第3章 锚固体与岩体界面的参数试验
• 3.1 概述
• 3.2 试验设计
• 3.2.1 试验目的
• 3.2.2 试验内容
• 3.2.3 试验方案
• 3.3 试验过程
• 3.3.1 材料准备
• 3.3.2 试样制作
• 3.3.3 试验过程及数据采集
• 3.4 试验结果及分析
• 3.4.1 典型的剪应力～水平剪切位移曲线及分析
• 3.4.2 抗剪强度指标
• 3.4.3 抗剪强度指标与砂灰比的关系
• 3.4.4 结果分析
• 3.5 岩体及界面动力学参数
• 3.6 本章小结
• 第4章 锚固结构与边坡岩体间动力耦合作用分析方法
• 4.1 概述
• 4.2 拟静力法
• 4.2.1 一般方法
• 4.2.2 坡体水平地震加速度与锚固力的关系
• 4.3 弹性力学近似解析算法
• 4.3.1 地震作用下锚固段砂浆—钢绞线界面剪应力分布近似理论解
• 4.3.2 地震作用下锚固体—岩体界面剪应力分布近似理论解
• 4.3.3 地震作用下锚固体—岩体界面剪应力分布特征
• 4.4 数值分析方法
• 4.4.1 F1AC3D基本原理与锚索结构的数值模型
• 4.4.2 锚固结构与岩体动力耦合作用模拟分析方法
• 4.4.3 锚固边坡稳定性分析的强度折减法
• 第5章 算例分析
• 5.1 概述
• 5.2 平面滑动的岩质边坡算例
• 5.3 圆弧滑动的破碎岩质边坡算例
• 5.4 映汶路DK45+375高边坡实例数值分析
• 5.4.1 工点概况
• 5.4.2 计算模型
• 5.4.3 边界条件
• 5.4.4 地震波的输入
• 5.4.5 计算结果及分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 一 结论
• 二 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参加科研工作与发表论文
• 参加科研工作
• 发表论文