土坡中抗滑桩抗震加固机理研究

论文摘要

抗滑桩是边坡加固的常用措施之一,地震作用及其诱发饱和地基液化往往导致加固结构破坏及滑坡;因此,研究边坡内抗滑桩抗震加固机理具有重要的学术意义与实用价值。本文研制了微混凝土抗滑模型桩,进行了一系列抗滑桩加固边坡的动力离心模型试验,开发了大变形三维动力固结有限元程序并对模型试验相应的原型进行了数值模拟分析,取得了以下主要研究成果:1.研制了更加严格满足相似关系的微混凝土抗滑模型桩,使之可以较好地反映原型钢筋混凝土桩动力响应和破坏特点,克服了采用高强度替代材料制作的模型桩在相似关系方面存在的问题,拓宽了微混凝土模型桩的应用范围。2.根据动力离心模型试验结果研究了无水条件下的边坡抗滑桩抗震加固效果及动力响应特点:桩径从小到大变化时,抗滑桩由静力断桩破坏到静力稳定动力断桩,再到桩体呈弹性动力响应,边坡变形和自振周期相应地由大逐渐减小,加固效果逐渐增强,抗滑桩内弯矩时空分布发生了本质性的变化。高桩位可更有效地发挥抗滑桩承载能力,抑制了坡顶地震变形,但坡脚位移相对较大;中桩位时坡顶位移较大,但坡脚位移较小。3.根据动力离心模型试验结果分析了饱和地基条件下无加固边坡与抗滑桩加固边坡的地震动力响应特点:前者由于饱和地基液化导致坡脚滑动,诱发边坡整体产生较大变形;后者虽然坡脚产生局部滑动,但由于抗滑桩加固效果良好,边坡变形相对较小,加固边坡整体较为稳定。与无水时相比,有水时抗滑桩动力附加弯矩增幅较大;与低水位时相比,高水位条件下发生了滑坡和断桩;表明水位条件对边坡抗滑桩受力及加固效果的影响较为显著。4.利用Pastor-Zienkiewicz III广义塑性本构模型和饱和砂土固液两相体耦合动力固结理论,开发了大变形动力固结三维有限元程序。首先利用该程序对典型模型试验相应的原型进行了模拟,通过数值计算结果与试验结果的对比验证了所开发程序的可靠性。然后通过数值计算拓展了位移和超静孔压分布等动力响应信息,结合试验结果深入研究了地震过程中桩-土运动相互作用规律以及抗滑桩抗震加固机理。计算还可预测边坡抗滑桩动力断桩及断桩时刻等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与课题的提出
• 1.1.1 地震及诱发滑坡概况
• 1.1.2 地震诱发滑坡灾害
• 1.1.3 研究课题的提出
• 1.2 研究综述
• 1.2.1 理论分析
• 1.2.2 数值计算
• 1.2.3 模型试验
• 1.2.4 目前研究中存在的主要问题
• 1.3 课题研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究目的与内容
• 1.3.2 研究方法与技术路线
• 1.3.3 本研究关键技术问题
• 第2章 微混凝土抗滑模型桩的研制与铜质抗滑模型桩制作
• 2.1 相似关系和模型桩尺寸的确定
• 2.1.1 模型桩相似比尺关系
• 2.1.2 50g条件下模型桩截面尺寸确定
• 2.2 微混凝土配合比及强度
• 2.2.1 配合比的确定
• 2.2.2 微混凝土强度测定
• 2.3 微混凝土抗滑模型桩研制及抗弯强度测定
• 2.3.1 微混凝土抗滑模型桩研制
• 2.3.2 微混凝土抗滑模型桩截面承载力测定
• 2.3.3 模型桩抗弯试验结果与原型桩设计值对比分析
• 2.4 铜质抗滑模型桩制作及其抗弯承载能力
• 2.4.1 铜质抗滑模型桩制备
• 2.4.2 铜质抗滑模型桩与50 倍原型桩的抗弯计算
• 2.5 两类模型桩的力学变形特性综合对比
• 2.6 本章小结
• 第3章 复杂条件下抗滑桩加固边坡动力离心模型试验研究
• 3.1 动力离心试验设备
• 3.1.1 试验设备
• 3.1.2 量测传感器
• 3.2 离心模型相似比尺关系讨论
• 3.3 砂土的物性参数
• 3.4 加固边坡模型试验的总体方案设计
• 3.5 无地下水条件下抗滑桩抗震加固－桩径影响分析
• 3.5.1 试验条件
• 3.5.2 试验现象
• 3.5.3 不同桩径抗滑桩静动弯矩分析
• 3.5.4 地震反应加速度
• 3.5.5 单自由度体系地震反应频谱特点分析
• 3.5.6 小结
• 3.6 无地下水条件下抗滑桩抗震加固－桩位影响分析
• 3.6.1 试验条件
• 3.6.2 试验现象
• 3.6.3 不同桩位抗滑桩静动弯矩分析
• 3.6.4 地震反应加速度
• 3.6.5 小结
• 3.7 饱和砂土地基上边坡动力试验与分析
• 3.7.1 试验条件
• 3.7.2 试验现象
• 3.7.3 地震超静孔压
• 3.7.4 地震反应加速度
• 3.7.5 地震反应频谱特点
• 3.7.6 小结
• 3.8 高水位条件下地基液化与边坡加固桩动力破坏分析
• 3.8.1 试验条件
• 3.8.2 试验现象
• 3.8.3 地震诱发超静孔压
• 3.8.4 抗滑桩静动弯矩分析－地基液化与滑坡导致断桩
• 3.8.5 地震反应加速度
• 3.8.6 地震反应频谱特点
• 3.8.7 小结
• 3.9 无水和饱和地基上铜模型桩加固边坡动力离心模型试验研究
• 3.9.1 试验条件
• 3.9.2 试验现象
• 3.9.3 地震超静孔压
• 3.9.4 抗滑桩静动弯矩对比分析
• 3.9.5 地震反应加速度
• 3.9.6 地震反应频谱特点
• 3.9.7 小结
• 3.10 饱和地基条件下无加固边坡和加固边坡动力响应比较
• 3.10.1 边坡变形
• 3.10.2 地震加速度
• 3.10.3 地震反应频谱特点
• 3.11 不同水位条件下抗滑桩的加固效果比较
• 3.11.1 边坡变形
• 3.11.2 抗滑桩弯矩对比分析
• 3.11.3 地震反应加速度及频谱分析
• 3.12 地震作用下抗滑桩加固边坡试验成果总结
• 第4章 动力固结理论及弹塑性有限元格式
• 4.1 PASTOR-ZIENKIEWICZ III 动本构模型
• 4.1.1 模型特点
• 4.1.2 模型理论构架
• 4.2 动力固结理论
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 动力固结方程
• 4.3 弹塑性动力固结大变形有限元格式
• 4.3.1 Updated Lagrangian 形式大变形表示
• 4.3.2 三维弹塑性动力固结大变形有限元格式
• 4.3.3 有限元动力增量方程求解
• 4.3.4 三维动力固结程序FEMEPDYN 特点
• 4.4 三维动力固结有限元程序FEMEPDYN 验证
• 4.4.1 算例
• 4.4.2 VELACS Model No.1 与SWANDYNE 计算比较
• 4.4.3 FEMEPDYN 二维与三维计算验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 抗滑桩加固边坡的三维动力有限元分析
• 5.1 砂土动本构模型参数及渗透系数的确定
• 5.1.1 三轴试验与Pastor-Zienkiewicz III 模型参数确定
• 5.1.2 渗透试验与渗透系数
• 5.2 三维动力固结有限元计算方案与数值分析模型
• 5.2.1 三维计算方案
• 5.2.2 有限元分析模型
• 5.2.3 各个工况位移边界和孔压边界条件
• 5.2.4 数值模型分析中材料性质说明
• 5.3 饱和地基上边坡及抗滑桩地震动力反应数值模拟与分析
• 5.3.1 程序可靠性验证
• 5.3.2 进一步分析
• 5.4 无水条件下抗滑桩加固效果与机理分析
• 5.4.1 抗滑桩静力稳定动力破坏分析
• 5.4.2 不同桩位条件下抗滑桩抗震加固数值模拟
• 5.5 高水位条件下加固边坡地震动力响应数值分析
• 5.5.1 超静孔压
• 5.5.2 边坡变形
• 5.5.3 抗滑桩破坏机理分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 研究成果
• 6.2 进一步研究建议
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果