地震作用下顺层岩质边坡桩锚支护体系动力响应研究

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中国地处世界两大地震带,近年来西部地区地震频发。在山地城市建设过程中,不仅要考虑建筑和边坡的空间位置关系和相互作用,还要考虑地震作用的影响,保证在地震作用下建筑具有充分的抗震性能,要求建筑所处的场地具有足够的抗震稳定性。对建筑和边坡相伴而生这一现象的地震动力响应进行研究,有利于促进对坡地建筑及其场地的地震响应规律的认识,进而对建筑基础和临近边坡支护提出更合理的抗震设计措施。本文结合国家自然科学基金项目“锚固边坡2.5D动力稳定性与自适应锚索抗震机制研究”,重庆市住房和城乡建设委员会科研项目“考虑地震效应下山地建筑场地稳定性与结构嵌固端的相互影响关键技术研究”,针对预应力桩锚挡墙支护且坡体具有建筑桩基的顺层岩质边坡在地震作用下的动力响应展开研究。论文主要研究内容和取得的成果如下:(1)分析地震作用下锚索的受力变化特点,将地震作用下不同时刻锚索自由段的轴力视为不同的初始预应力,基于弹性力学Kelvin模型,推导地震作用下预应力锚索锚固段的剪应力和轴力分布解析解,并通过算例加以验证。分析了锚固体周边岩体的弹性模量和泊松比、锚固体直径大小对地震作用下锚索锚固段受力的影响。研究发现,地震作用下锚固段的剪应力和轴力峰值随着自由段轴力增大而增大;岩体的弹性模量越大或锚孔直径越小,锚固段的剪应力峰值越大,峰值作用位置越向锚固段起始点附近集中。(2)通过输入不同类型和不同幅值的地震波,开展了坡体具有建筑桩基的顺层岩质边坡预应力桩锚挡墙支护体系的振动台模型试验,研究了预应力锚索和建筑桩基的应变、抗滑桩桩顶位移和边坡坡顶加速度等动力响应规律。试验结果表明,锚索的应变随着地震波变化而变化,在地震波达到峰值时锚索应变达到最大值,且上排锚索受力大于下排锚索。随着地震幅值的增大,最上排锚索锚固段首先发生滑移破坏失去锚固作用。建筑桩基应变最大值位于滑动面以下一定深度,且远离边坡坡面的建筑桩基受力大于临近边坡坡面的建筑桩基。抗滑桩桩顶位移变化基本与输入地震波位移积分曲线相同。坡顶各点峰值加速度随地震波幅值增大整体表现为线性增大,但在0.55g幅值的汶川波和0.4幅值的正弦波工况时,各点峰值加速度相对有所下降;随着地震波幅值增大,各点峰值加速度放大系数在汶川波和正弦波作用下并非单调变化,而是表现为先减小后增大波动变化特点。(3)使用有限差分程序建立无支护顺层岩质边坡、桩锚挡墙支护含建筑桩基的顺层岩质边坡、桩锚挡墙支护无建筑桩基的顺层岩质边坡三个数值计算模型,通过不同的地震波分别对三个模型进行地震激励,从边坡坡面、坡顶和结构面两侧的加速度响应、边坡水平位移以及锚索轴力等方面对模型地震响应进行研究。对比有无桩锚挡墙支护的模型以及桩锚挡墙支护时有无建筑桩基的模型计算结果可知,预应力桩锚挡墙限制了顺层岩质边坡坡面高程放大效应和鞭梢效应,减小了边坡坡面、坡顶以及结构面两侧的位移;含有建筑桩基的边坡,桩锚挡墙中预应力锚索在地震作用下上排受力大于下排;天然波作用下,无建筑桩基的边坡,地震幅值较小时,锚索受力下排大于上排,随着地震幅值的增大,锚索受力关系转变为上排大于下排。(4)通过分析地震作用下建筑桩基的最大水平位移和边坡的塑性区开展情况,对先有边坡后有建筑和先有建筑后有边坡两种工况提出不同的抗震优化设计方案。对于先有边坡后有建筑的工况,通过在结构面以上的桩基侧面增设套管的方法可以降低桩基与岩体的相互作用,从而达到减小地震作用下建筑桩基最大水平位移的效果。对先有建筑后有边坡的工况,通过增大锚索初始预应力的方法可以减小边坡的塑性区发展面积和建筑桩基的最大水平位移,达到一定的抗震效果。
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