（道路与铁道工程专业论文）地震条件下桩板结构振动台模型试验与分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第f 页 摘要 我国西南地区区域地质背景复杂，是中国大陆内强震活动频率最高的地区。玉蒙 铁路全线位于高烈度地震区( 8 度) ，该线大量使用了桩板墙结构。桩板式挡土墙是由 抗滑桩发展而来的，桩板式挡土墙可用于一般地区、浸水地区和地震区的路堑和路堤 支挡，也可用于滑坡等特殊路基的支挡。本文结合高烈度地震区膨胀岩( 土) 路堑 支护结构试验研究科研项目，对地震力作用下的桩板墙结构进行研究。 在查阅大量国内外相关资料和文献的基础上，本文首先归纳整理了桩一土动力相 互作用的研究现状，总结了桩板结构的理论研究概况以及结构形式的发展现状，并对 其在实际工程应用中存在的不足与问题进行了简单分析。另外，还对国内外在滑坡推 力分布图形方面的研究状况进行了一些总结，并对桩板结构的设计理论和计算方法进 行了详细的阐述。 其次，以玉蒙铁路d k l 2 5 + 0 2 0 处双排桩板墙工点为参考研究对象，利用中国核动 力设计研究院的大型地震模拟试验台，通过振动台模型试验来研究分析不同结构形式 ( 单排桩板结构、双排桩板结构) 在不同加载状态下( 静力、o 1 9 x 、0 2 9 x 、0 3 9 x z 、 0 4 9 x z 、0 5 9 x z 、0 7 9 x z 、0 9 9 x z ) 的桩身受力、土体加速度、桩身变位变化情况，并比 较单排桩、双排桩板结构对边坡的不同支护效果。 最后，通过理论计算和对试验值进行计算，分析单排桩、双排桩板结构试验模型 在静力、0 1 9 x 、0 2 9 x 、0 3 9 x z 、0 4 9 x z 、0 5 9 x z 几种工况中桩体对于边坡的支护情况。 在此基础上，重点讨论了双排桩试验模型中上排桩的桩后受力占滑坡推力的比值，提 出了本文的双排桩板结构模型中上、下排桩对于滑坡推力的不同分担比。 通过上述研究得出了静力状态和不同加速度峰值地震力作用下桩前、后土压力分 布、桩后土体加速度分布和桩体位移的一些规律。另外对于双排桩板结构，作者通过 对比理论计算和试验值计算结果，得出了上、下排桩对于滑坡推力的不同分担比，可 为桩板墙的抗震设计提供一些参考。 关键词：地震；桩一土动力相互作用；桩板墙：振动台模型试验；传递系数法 西南交通大学硕士研究生学位论文第f | 页 a b s t r a c t d u et oi t sc o m p l e xg e o l o g i c a la n dg e o g r a p h i c a lc o n d i t i o n s ，t h es o u t h w e s tr e g i o nh a s t h eh i g h e s tf r e q u e n c yo fs t r o n ge a r t h q u a k e sw i t h i nm a i n l a n dc h i n a y u - m e n gr a i l w a yl i e si n s t r o n ge a r t h q u a k er e g i o n ( 8d e g r e e ) ，w h e r eal o to fs h e e t - p i l er e t a i n i n gw a l l sa r eu s e d s h e e t - p i l er e t a i n i n gw a l ld e v e l o p sf r o mt h ea n t i s l i d ep i l e ，a n dc a n b eu s e dt os u p p o r tt h e c u ta n dt h ee m b a n k m e n ti nt h eg e n e r a lr e g i o n ，f l o o d i n gr e g i o na n dt h es e i s m i cr e g i o n , a s w e l la st h el a n d s l i d er e g i o n c o m b i n gw i t h “t e s ts t u d yo fe x p a n s i v es o i lc u t t i n gr e t a i n i n g s t r u c t u r ei n s t r o n ge a r t h q u a k er e g i o n , t h i sp a p e rs t u d i e st h e s t r u c t u r eo fs h e e t p i l e r e t a i n i n gw a l lu n d e re a r t h q u a k e b a s e do nt h er e f e r r e n c et or e l e v a n ti n f o r m a t i o na n dd o c u m e n t sa b r o a da n da th o m e ， f i r s t l yt h ep a p e rs u m su pt h er e s e a r c hs t a t u so ft h ep i l e - s o i ld y n a m i ci n t e r a c t i o n ，a n dt h e t h e o r e t i c a lr e s e a r c hs i t u a t i o no ft h ep i l e - - s h e e ts t r u c t u r e ，a sw e l la st h ed e v e l o p m e n ts t a t u so f t h es t r u c t u r e sf o r m ，i ta l s og i v e sab r i e fa n a l y s i so nt h ed i f f i c u l t i e sa n dt h ep r o b l e m se x s i t e d i ni t s p r a t i c a li m p l e m e n t a t i o n ；a d d i t i o n a l l yi t s u m m a r i z e st h er e s e a r c hs t a t u so ft h e d i s t r i b u t i o nd i a g r a mo fl a n d s l i d et h r u s ta b r o a da n da th o m e ，a n de x p a t i a t e st h ed e s i g n t h e o r i e sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h es h e e t - p i l er e t a i n i n gs t r u c t u r e s e c o n d l y , t a k i n gt h e d o u b l e - r o w p i l e - s h e e tr e t a i n i n g w a l lo ny u m e n g r a i l w a y d k l 2 5 + 0 2 0 舔t h er e f e r e n c er e s e a r c ho b j e c ta n du s i n gn p i c sl a r g e s c a l ee a r t h q u a k e s i m u l a t i o nt e s tb e d ，as h a k i n gt a b l em o d e lt e s ti sp e r f o r m e dt os t u d ya n da n a l y s et h e d i f f e r e n c eo ft h ep i l eb o d y ss t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ta n dt h es o i l sa c c e l e r a t i o nu n d e r d i f f e r e n tl o a d i n gm o d e s ( s m i l e ，o 1g x ，0 2 9 x ，0 3 9 x z ，0 4 9 x z ，0 5 9 x z ，0 7 9 x z ，0 9 9 x z ) ，a n dt o a n a l y s et h ed i f f e r e n tr e t a i n i n ge f f e c tb e t w e e nt h es i n g l e - r o wp i l e - s h e e ts t r u c t u r ea n dt h e d o u b l e r o wp i l e - s h e e ts t r u c t u r e f i n a l l y , t h r o u g ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dt h ei n v e r s ec a l c u l a t i o no ft h et e s tv a l u e ，t h e p a p e rc o m p a r e sa n da n a l y s e st h ep i l e s r e t a i n i n gs i t u a t i o nb e t w e e nt h es i n g l e r o wp i l e s h e e t s t r u c t u r et e s tm o d e la n dt h ed o u b l e - r o wp i l e - s h e e ts t r u c t u r et e s tm o d e lu n d e rd i f f e r e n t l o a d i n gm o d e s ( s t a t i c0 1g x ，0 2 9 x ，0 3 9 x z ，0 4 9 x z ，0 5 9 x z ) b a s e do nt h ea b o v ea l l ，i tf o c u s e s o nt h er a t i oo ft h eu p p e rp i l e sr e t a i n i n gf o r c et ot h et o t a ll a n d s l i d et h r u s ti nt h ed o u b l e r o w p i l e s h e e ts t r u c t u r et e s tm o d e l ，a n dp u t sf o r w a r dt h ed i f f e r e n tb e a r i n gr a t i ob e t w e e nt h e u p p e rp i l e sr e t a i n i n gf o r c ea n dt h el o w e rp i l e sr e t a i n i n gf o r c et ot h et o t a ll a n d s l i d et h r u s ti n t h ed o u b l e r o wp i l e s h e e ts t r u c t u r et e s tm o d e l t h r o u g ht h er e s e a r c ha b o v e ，s o m el a w sa b o u tt h es t r e s so ft h ef r o n ta n db a c ko ft h e p i l e ，t h es o i l sa c c e l e r a t i o na n dt h ed i s p l a c e m e n to ft h ep i l e sh e a du n d e rt h es t a t i cl o a da n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 d i f f e r e n ts e i s i cf o r c e s a d d i t i o n a l l y , t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n a n dt h ei n v e r s ec a l c u l a t i o no ft h et e s tv a l u e ，t h ed i f f e r e n tb e a r i n gr a t i ob e t w e e nt h eu p p e r p i l e sr e t a i n i n gf o r c ea n dt h el o w e rp i l e sr e t a i n i n gf o r c et ot h et o t a ll a n d s l i d et h r u s ti nt h e d o u b l e r o wp i l e s h e e ts t r u c t u r et e s tm o d e li sp u tf o r w a r d ，w h i c hc a np r o v i d es o m e r e f e r e n c e sf o rt h es e i s i cd e s i g no ft h ep i l e s h e e tr e t a i n i n gw a l l k e yw o r d s ：e a r t h q u a k e ；p i l e - s o f td y n a m i ci n t e r a c t i o n ；p i l e - s h e e tr e t a i n i n gw a l l ； s h a k i n gt a b l em o d e lt e s t ；t r a n s f e r r i n gc o e f f i c i e n tm e t h o d 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：庵烈 日期：f 9 66 、f y 指导老师签名： 圳昌殇 日期：力印d 、多似一 西南交通大学学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要工作( 贡献) 如下： 本文结合高烈度地震区膨胀岩( 土) 路堑支护结构试验研究，首先通过振动台 模型试验研究分析不同加固方式( 单排桩板结构、双排桩板结构) 在不同加载状态下 ( 静力、o 1 9 x 、0 2 9 x 、o 3 9 x z 、0 4 9 x z 、0 5 9 x z 、0 7 9 x z 、0 9 9 x z ) 的桩身受力、土体 加速度、桩身变位变化情况。 其次，通过理论计算，对比研究不同加载状态下单排桩、双排桩板结构试验模型 中桩体桩后受力，并且与试验反算结果进行对比，分析研究两者差异。 最后，通过对比理论计算和试验反算对于双排桩试验模型中上排桩的桩后受力占 总滑坡推力的比值，研究单排桩、双排桩板结构的不同支护效果，并提出本论文的双 排桩板结构中上、下排桩对于滑坡推力的不同分担比。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 声明人：毒叙 w 。年。6 月i 妒 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景、目的及意义 我国是一个多地震的国家，因地震而导致的滑坡灾害非常严重。最早关于地震引 发崩塌、滑坡的记载当数公元前7 8 0 年岐山地震，国语记载：“周幽王二年，径洛 渭三川皆震，川竭，岐山崩。1 7 1 8 年发生在我国甘肃的笔架山山崩由地震诱发( m = 7 5 ) ， 酿成4 万人死亡的惨重灾害。1 9 7 3 年发生于四川省炉霍境内的7 9 级地震，诱发各种 规模滑坡1 3 7 处( 西藏三江地区就有数十处) ，滑坡面积达9 0 k m 2 ，死亡人数2 1 7 5 人。 在国外，也有很多由于地震崩滑引发灾难的著名例子。例如，1 9 6 3 年发生在意大利的 瓦依昂( v a i o n t ) 水库的特大滑坡，造成约3 0 0 0 人丧生，水库下游的朗加朗市完全消失， 震惊世界，成为人类历史上最严重的自然灾害之一。1 9 9 4 年加州n o r t h r i d g e 地震( m = 6 7 ) 引发1 1 0 0 0 多个滑坡，影响面积达1 0 0 0 0 k m 2 ，经济损失高达3 0 0 亿美元。 2 0 0 8 年5 月1 2 日下午2 点2 8 分中国四j t l , & t i 发生的里氏8 0 级地震，其震级之 大、余震之多、破裂之长、次生山地灾害之严重，世所罕见。汶川地震共造成6 9 万余 人死亡，1 8 万余人失踪，3 7 万余人受伤，举世震惊。汶川地震是继唐山大地震之后我 国又一个毁灭性地震，汶川、北川等重灾区的几乎所有山体都发生了严重的滑坡甚至 垮塌。 由此可见，地震滑坡给人民的生命财产和生产活动带来了极为严重的危害和影响。 经过多年的工程实践和理论研究，国内外在滑坡防治的各个方面都取得了很大成 就，其中支挡抗滑结构的发展应用尤为迅速。当削坡、减载、阻水、排水等措施不足 以解决边坡失稳问题时，采用抗滑桩等抗滑支挡结构是国内外公认的比较有效的工程 措施。 抗滑桩作为治理滑坡的有效工程措施，在世界各国滑坡治理中占有重要的地位。 工程实践表明，抗滑桩能迅速、安全、经济地解决一些较困难的工程问题，因此发展 较快。抗滑桩的抗滑原理，可以归纳为以下几点：( 1 ) 抗滑桩依靠滑面以下部分的锚 固作用和被动抗力来共同平衡作用在桩上的滑坡推力；( 2 ) 抗滑桩桩距在一定范围时， 可以借助桩的受荷段与桩后土体及桩两侧的摩阻力形成土拱效应，使滑体不至于从桩 间滑出；( 3 ) 抗滑桩承受了桩间距范围之内滑体所产生的滑坡推力。 总的来看，抗滑桩具有以下优点：( 1 ) 抗滑能力较大，工程量较小，在滑动面深、 滑坡推力大的情况下，较其它的抗滑工程经济、有效；( 2 ) 桩位灵活，可以设在滑坡 体中最有利于抗滑的部位，可以单独使用，也能与其它建筑物配合使用；( 3 ) 抗滑桩 施工方便，所需的设备简单，具有工程进度快、施工质量较好、相对安全等优点，施 工时可间隔开挖，不致引起滑坡条件的恶化，施工中如果发现问题也易于补救；( 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 开挖桩孔能校核地质情况，检验和修改原有的设计，使其更符合实际；( 5 ) 对整治运 营线路上的滑坡和处在缓慢滑动阶段的滑动特别有利。 作为一种挡土支护结构，由抗滑桩发展成的板桩墙在公路、基坑支护、水工结构 等工程中也得到了广泛的应用。桩板墙又名桩板式抗滑桩，是由半埋式单桩及在两桩 之间逐层安设或浇筑的挡土板组成。桩板式挡土墙系钢筋混凝土结构，利用桩深埋部 分的锚固段的锚固作用和被动土抗力维护挡土墙的稳定。桩板式挡土墙适宜于土压力 大，墙高超过一般挡土墙限制的情况，地基强度的不足可由桩的埋深得到补偿。桩板 式挡土墙可作为路堑、路肩和路堤挡土墙的使用，也可用于处治中小型滑坡【lj 。 由于桩板式挡土墙的高度可不受一般挡土墙高度的限制，在减小工程数量、缩短工 期、降低成本、节约投资方面，桩板墙这一结构相比于桥梁方案和其他挡土墙方案在 高陡边坡路段及车站地段有着明显的优越性，且施工简便，外型构造美观，运营后养 护、维修费用低，因此作为一种挡土支护结构，桩板墙目前已被广泛的运用于铁路、 公路、基坑支护、水工结构等各类建设工程中【2 】。 玉( 溪) 蒙( 自) 铁路位于高烈度地震区( 8 度) ，全线大量采用了桩板结构作为 高边坡路堑支护结构。但是对于高烈度地震区高路堑边坡支挡结构物设计怎么样考虑， 目前国内外尚缺少成熟的设计计算方法，导致设计中常常出现过于保守的现象，大大 地浪费国家和人民财产。 因此高烈度地震对桩板结构的影响是一个非常值得研究的问题。 本文结合玉蒙铁路高烈度地震区膨胀土( 岩) 路堑支护结构试验研究科研项目， 通过振动台模型试验和理论计算两种主要手段，对d k l 2 5 + 0 2 0 处的双排桩板墙结构进 行试验研究和分析，研究其在地震力作用下的结构受力、变位的特性及其变化规律， 并研究和分析高陡边坡在不同支挡形式下的土体加速度分布情况及其动力特性，另外， 对于双排桩板结构试验模型中的上、下排桩对滑坡推力的不同支护作用进行了理论和 试验计算分析，以期为以后类似工程的科研、设计、施工作指导，具有理论意义和应 用价值。 1 2 桩一土动力相互作用研究 地震作用下土体与结构的动力相互作用( s o i ls t r u c t u r ed y n a m i ci n t e r a c t i o n 简称 s s o i ) 是一个普遍存在的问题。土体与结构动力相互作用，是一个涉及到土动力学、结 构动力学、非线性振动理论、地震工程学以及计算机技术等众多学科的交叉性研究课 题，也是一个涉及到非线性、大变形、接触面、局部不连续等当代力学领域众多理论 与技术热点的前沿性研究课题，同时又是一个与土木、水利、建筑、市政、交通等众 多生产部门的工业建设质量和安全性密切相关的实际性研究课题，因而，数十年来引 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 起了国内外学者的广泛关注。 p a n n e l e e 【3 1 6 ( 1 9 6 4 ) ，t a j i m i t 4 1 ( 1 9 6 6 ) ，p e n z i e n 【5 】( 1 9 7 0 ) 和n o v a k 6 】( 1 9 7 4 ) 等学者是最早 对桩一土动力相互作用进行系统理论研究的学者之一【刀。t a j i m i t 8 1 ( 1 9 6 6 ) 用线性粘弹性 k e l v i n v o i g t 模型模拟土介质，忽略土体竖向运动分量的影响，研究了均质土中端承桩 的水平动力反应。p e n z i e n ( 1 9 7 0 ) 年采用非线性集中质量模型和m i n d l i n 9 】静力点荷载解 来描述动力弹性应力和位移场，研究了水平荷载作用下桩的动力反应。n o v a k 1 0 1 ( 1 9 7 4 ) 将土介质视作动力w i n k l e r 介质，给出了单桩动力刚度和阻尼的设计图表。w o l t = 【1 1 】等 ( 1 9 7 8 ) 年采用轴对称有限元法，最早进行了桩一土一桩动力相互作用的理论分析。 k a y n i a 1 2 1 和k a u s e l 1 3 1 ( 1 9 8 2 ) 年用边界元法对均质土中桩顶固定的群桩进行了精确的弹 性分析，计算了群桩的水平向、竖向和转动的动力阻抗。该解被认为是各种解中最精 确的，并经常被各近似解用作比较。 对于桩一土动力相互作用理论分析模型，有代表性的有以下几种： ( 1 ) 多质点系模型 多质点系模型是一种使用较早的计算模型，又称作集中质量模型，首先由 p e n z i e n ( 1 9 6 4 ) 提出来【1 4 1 。桩为弯曲剪切型多质点系，各质点既有水平位移又有转角。 靠近桩体的土与桩体有相同的振动，这部分土体称为等价土体，也被简化为多质点系 ( 称为等价体系) ，远离结构的地基，可近似地视为半无限体，不受结构存在的影响。其 振动以单位面积土柱简化成的多质点系( 称为自然地基体系) 来描述，只考虑弹性剪切变 形。在自然地基与等价体系之间以水平弹簧相连。该模型己经用到桥梁、海上石油平 台、高层楼房、电视塔、冷却塔、桥梁等桩基一结构体系的动力相互作用分析中。虽 然相对于有限元等其它方法来说有些粗糙，但却具有简单方便的优点，而且该模型突 出地体现了动力反应分析中最本质的质量、刚度和阻尼三因素，物理概念明确，表达 了动力相互作用的主要内容，比有限元等数值方法计算量要小得多，所建立的质量一 刚度一阻尼模型的动力平衡方程的解法也较为成熟。但该法对土体、桩、结构的离散 方法具有一定的依赖性，由于模型中真实的土体不出现，无法考虑土体在地震反应中 塑性的发展以及土体的多相性等影响。 ( 2 ) 动力删e l 梁模型 动力w i n k l e r 地基梁模型又称为b d w f 模型( b e a mo nd y n a m i cw i n k l ef o u n d a t i o n ) ， 它将桩简化为地基内w i n k l e r 梁，假设土体在任意点的反力与该点的位移成正比，桩周 土体由分布的彼此相互独立的一系列弹簧和阻尼所代替，而桩体本身可用不同的方法 来处理，如离散参数体系、传递矩阵方法和离散单元方法。动力w i n k l e r 地基梁模型最 早由p e n z i e n 提出，他将桩一土一结构体系分为结构、桩及附加地基土体系和多质点自 由场地体系两个部分。在结构、桩及附加地基土体系中：地基为多质点剪切型体系， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 各土层质量集中于土层的界面；桩为弯剪型质点系，桩的质量集中于地基各层界面上； 结构为剪切型或弯剪型质点系，建筑物各层质量集中于楼层处。在多质点自由场地体 系中，地基为多质点剪切型体系，其质量集中于分界面处。采用该模型进行桩一一 结构动力相互作用分析时，首先在任一地层层面上输入选定的地震波，进行多质点自 由场地体系的动力反应分析，再将得到的地基各质点的位移、速度、加速度通过水平 弹簧和水平阻尼器作用到结构、桩及附加地基土体系上，就可得到整个桩一土一结构 系统的动力响应。其中的水平弹簧系数和水平阻尼系数可以通过w i n k l e r 地基模型法或 半空间无限体法求解。通常，水平弹簧系数根据介质中m i n d l i n 位移应力解求出，水平 阻尼系数的确定则采用l y s m e r 提出的建议，用粘性阻尼器模拟波动能量向半无限场地 土逸散。 g a z e t a s 等研究了w i n k l e r 地基参数取值。将土体模拟为w i n k l e r 地基，其对桩 运动的约束简化为沿桩长连续分布的与频率相关的切向与法向线性弹簧和阻尼器组 成。通过对比w i n k l e r 地基梁模型与有限元两种方法下的桩项位移，得出频率相关的弹 簧和阻尼器的代数表达式： 1 一 也0 6 e ( 1 + - f f 、a o ) 二 巴2 屈告+ a f t 4 p , v , d( 1 - 1 )国kj 。l ， kl 1 2 e s c 2 8 s + 6 a o 气4 p , v , d 式中：x ，z 分别表示沿桩的正向和切向；e 为杨氏模量；肛为质量密度；屈为粘 性阻尼；k 为土体剪切波速；为激励频率；a 。= c o d v , ；d 为桩的直径。 蒯行成等1 6 1 将单桩按土层厚度离散，建立了桩单元的水平运动微分方程，并将式 ( 1 1 ) 中水平向( 正向) 的w i n k l e r 地基参数代入，并按有限元集成原理，得到单桩总体刚 度方程，根据桩头施加的外荷载，可计算出桩身相应的位移和内力，也可求出单桩水 平动力阻抗。 ( 3 ) 有限元模型 有限元模型是一种较好的数值分析方法，并能考虑土的非线性和不均匀特性，在 桩一土一结构动力相互作用中应用很广。但该方法计算工作量较大，特别是分析三维 问题，如群桩效应问题时更时如此。有时为了减小计算工作量，常将三维问题简化为 二维问题分析，或在计算简图中只包含群桩周围最关心的一部分土体，对土体边界处 理为人工边界。 1 9 6 6 年c l o u g h 和w b o d w 删( 1 7 】首先将有限元法应用于土坝非线性分析开始，有限 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 元在岩土工程中得到了较快发展。美国加州大学伯克利分校地震工程研究中心在2 0 世 纪7 0 年代开始了岩土工程抗震有限元的系统研究，编制了不少有限元程序，其中有一些 可用于桩一土一结构地震反应的分析。随后，国内外其他学者进行了不少深入研究。 b l a n e y ( 1 9 7 6 ) 采用一致边界矩阵的有限元公式代表自由场，在桩头和基底两种激励 下推导出桩的动力刚度系数为无量纲频率的函数。w - o l f 等采用有限元模型处理动力群 桩问题，其首先采用轴对称有限元分析了单桩的动力反应，然后根据此解用叠加原理 构成桩一土一桩体系的复柔度矩阵，最后对柔度矩阵求逆得到相应的阻抗矩阵。 ( 4 ) 边界元模型 边界元模型是一种边界型解法，离散计算仅限定在边界上，可使问题的维数降低 一维。在边界元法中，由于基本解满足了无穷远处的辐射条件，能比较方便地处理半 无限土介质中的波传播问题。边界元模型是通过仅离散桩土界面来描述土性的，桩被 离散为梁单元。b a n e r j e e 和s e n ( 1 9 8 5 ) 对非均匀土质中群桩竖直及水平动力反应作了 边界元法分析，用他们得到的g r e e n 函数，将桩体表面划分成多圆柱形边界元，可得 群桩竖直振动位移场。m a m o o n 和a b r o a d ( 1 9 9 0 ) 基于弹性半空间动力g r e e n 函数分 析了弹性半空间中的单桩对斜入射地震波的动力响应。z x l e i 等【l8 】采用边界元一有限 元结合方法研究了成层半空伺的单桩在竖向激励下的瞬态反应。熊仲明等【1 9 】采用边界 元特解样条函数建立了桩一土与上部结构共同作用的动力分析方程，通过共同作用分 析发现：结构动力特性发生了变化，结构自振频率减小，上部结构的位移和加速度分布 不同于传统的以第l 振型为主的倒三角形分布，而随地基土软弱程度加重而越来越接 近k 型分布。但是，由于边界元法处理非线性问题的优势不明显，迄今为止大都被应用于 桩一土一结构的动力相互作用的线弹性分析，还没有较适用的非线性动力反应分析方 法。 1 3 桩板结构的研究与发展现状 桩板结构是由锚固桩发展而来，当边坡采用悬臂式锚固桩支挡时，存在桩间支挡 类型选择问题，桩间挂板或搭板就形成了桩板结构( 也叫桩板墙) 。桩板结构利用桩锚 固段的锚固作用和被动土抗力，维护土体或边坡的稳定。桩板结构是近年来发展起来 的用于土体开挖和边坡稳定的新型挡土结构，是由桩与桩间的墙面板共同组成，利用 墙面板把土的侧压力传递给桩，通过桩体来使边坡稳定。桩板结构不设支撑，完全靠 深埋入土体的下部分两侧的土压力的平衡来维持支挡结构的稳定。2 0 世纪7 0 年代初在 柳枝线上首先将板桩式挡墙应用在路堑边坡中，后来在南昆等线上应用到路堤中，由 于工程实践的增多，这项技术日趋成熟，1 9 9 2 、1 9 9 3 年铁路系统有关单位分别编制了 路堑式、路肩式桩板结构通用图。 2 0 世纪4 0 年代，国外就开始使用此类抗滑结构来整治边坡，以取代高额造价的挡 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 土墙。国外最早使用抗滑桩是日本，此后美国也在1 9 6 7 年在隧道的上部开挖中使用排 架式抗滑桩。在2 0 世纪7 0 年代，奥地利公路部门将锚索和抗滑桩结合起来整治滑坡。 此外在其他一些国家，如前苏联、捷克斯洛伐克、意大利和波兰等，都曾使用过桩板 结构来整治滑坡，这一技术在国外整治滑坡中已屡见不鲜【2 们。 1 3 1 国内外理论研究概况 几十年来，许多学者都对桩板结构的研究做过研究，但是研究重点主要是放在对 桩板结构中桩体的研究上。从已有的文献报道来看，桩体研究的内容主要包括：( 1 ) 桩土相互作用机制研究；( 2 ) 土体位移对桩侧向作用的影响；( 3 ) 桩侧土压力的分布 形式；( 4 ) 桩间土的土拱效应；( 5 ) 桩体的极限抗力；( 6 ) 考虑桩土相互作用的边坡 稳定性分析；( 7 ) 桩的设计计算理论研究。 从研究的方法看，主要可分为三类：( 1 ) 试验研究，包括室内物理模型试验和现 场原位测试；( 2 ) 理论分析，通过建立各种数学物理模型，研究土体移动对桩的影响； ( 3 ) 数值模拟研究，主要采用有限元方法，建立二维或三维有限元模型，综合研究桩 土相互作用条件下桩身变形和内力分布、桩周土体的应力分布和变形响应等规律。下 面就有代表性的一些研究成果，分类简单综述。 国外的研究多侧重于土坡变形作用到桩体上的情况，特别对于海港工程、堤坝工 程中承受软粘土变形的被动桩的研究较多。对于承受土体水平位移桩和桩群的设计计 算，己提出了许多的方法。归纳起来主要有：压力法、位移法和有限单元法。b e g e m a n n 和d e l e e u w ( 1 9 7 2 ) 2 1 】提出计算由地面荷载产生、作用于桩上的荷载时，可近似的认 为桩是刚性的，土体侧向位移和水平应力分布用弹性方法计算，桩应按等值板桩墙考 虑，即为压力法。位移法必须己知无桩时土体自由侧向位移分布，然后把这位移叠加 到桩上，而桩土相互作用则用弹性理论或地基反力计算，位移法能得到桩的弯矩和位 移分布情况。m a r e h e ( 1 9 7 3 ) 【2 2 】及b o u r g e s 2 3 】( 1 9 8 0 ) 等基于p y 曲线法利用有限差分 法分析了桩的变形和弯矩沿桩身的变化。m a u g e r i 和m o r a 2 4 1 ( 1 9 9 2 ) 假定作用于桩上 的荷载与土体相对位移为一种非线性双曲阵性函数，利用位移法根据地基反力法的概 念进行了桩的计算，同样在土体位移与实测位移相近的情况下得出了较为满意的结果。 有限单元法分为平面应变分析和三维分析，用平面应变计算桩土相互作用时，桩用等 值的板桩墙替代，其抗弯刚度等于平均抗弯刚度，从而把桩群直接分成单元网格进行 计算。s p r i n g m a n ( 1 9 8 4 ) 及s t e w a r t ( 1 9 9 2 ) 将桩排简化为等刚度的板桩，按平面应变 问题进行了分析。之后，s p f i n g m a n t 2 5 】( 1 9 8 9 ) 又采用有限元法按三维问题进行了进一 步的分析。 与国外的研究不同，国内对于抗滑桩的计算研究主要集中于加固岩土体边坡方面， 尤其以加固大、中型破碎岩体滑坡为主。对于普通抗滑桩的计算，将滑坡推力作为外 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 荷载作用于抗滑桩上，桩与岩土相互作用的力学计算模型一般采用线弹性w i n l d e r 地基 梁模型【2 6 1 。这种计算方法与上面提到的压力法类似，在此我们也将其称为压力法。根 据对桩前滑体的考虑方法不同，又可分为两种，即悬臂桩法和地基系数法。前者将桩 身所承受的滑坡推力和桩前滑体的剩余抗滑力或被动土压力视为已知外力，然后根据 滑动面以下岩土的地基系数计算锚固段的桩壁应力以及桩身各截面的变位、内力。此 法出现较早，计算简单，在实际工作中应用较多。地基系数法是将滑坡推力作为已知 的设计荷载，然后根据滑动面上、下地层的地基系数，把整根桩当作弹性地基上的梁 来计算。在具体的计算时，根据采用的途径不同，又可分为初参数法、杆件有限单元 法和无量纲系数法等不同方法。 对于平面应变和三维有限单元法在国内也有学者进行了研究计算。位移法和有限 元法可以较为准确的模拟地基和荷载条件，位移法的主要缺点是对土体自由时的位移 估算不准，而有限元法由于桩土性质的复杂性等因素而使其应用受到限制，但这是一 种很有发展潜力的方法。对于工程应用而言，压力法由于其计算简便而得到广泛的应 用。压力法计算抗滑桩的最大问题就是作用于桩上的荷载如何确定，对此有许多学者 讨论推导了单排抗滑桩因土体移动而受到的极限侧向力表达式。s h a s s i o t i s 等根据i t o 等的理论分析了抗滑桩加固土坡的稳定性计算。c t p o t a h o b ( 1 9 9 6 ) 根据土体挤压 或绕桩流动过程中由于应力集中形成的塑性区的形状和应力状态，通过积分求解作用 于抗滑桩上的极限土压力。沈珠江( 1 9 9 2 ) 2 7 】根据散粒体的极限平衡理论推导了桩的 绕流阻力计算公式。这些方法都是基于理想极限状态的思想得出的，事实上，在工程 应用中，抗滑桩与岩土体未必达到满足要求的极限状态。 我国工程设计计算中一般认为作用于桩上的荷载为两抗滑桩中心距之间的滑体所 产生的滑坡推力，滑坡推力的计算根据边坡的极限平衡稳定性分析方法确定。人们通 过工程实践和模型试验发现，在两抗滑桩之间的岩土体存在着成拱效应，两桩之间的 滑坡推力可以通过土拱作用传递到两侧的抗滑桩上，因此，应用土拱理论来分析抗滑 桩上的荷载也是一条值得探索的途径。关于此方面的研究，多集中于基坑开挖中的桩 侧向土压力分析上，对边坡工程中土拱效应的研究较少。潘家铮( 1 9 8 0 ) 2 s 】对边坡中 的土拱效应进行了研究，将土拱的形状视为直线，推导了桩间土体的压力传递计算公 式。 无论国外还是国内，对坡体中桩间土体之间的受力作用研究甚少。用土拱理论研 究抗滑桩间的滑坡推力传递过程是一种有效的方法，现在虽有初步的研究，但均较为 粗糙，没有得出土拱作用下滑坡推力在坡体与桩间的传递机制。而对于最大桩间距的 确定，目前方法没有全面考虑桩间土拱效应、桩前滑体的稳定以及桩的可能极限承载 能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 对于抗滑桩桩位的确定，目前主要是以经验公式为主，实际过程中依据土拱理论， 分析滑坡的推力传递规律，能够确定更加合理的桩位。对于挡土板的研究，挡土板采 用卸荷拱原理进行计算，或是采用了目前比较常用的库伦土压力的方法计算了挡土板 所受的土压力，挡土板按照两端简支板进行受弯和受剪的计算，按照受弯构件进行配 筋【2 9 】。 1 。3 2 结构形式的发展概况 桩板挡土墙可根据其受力的不同分成3 种类型：悬臂式桩板挡土墙、锚定式桩板 挡土墙、内支撑式桩板挡土墙。由于桩板式挡土墙的高度可不受一般挡土墙高度的限 制，悬臂式桩板结构地面以上悬臂高度一般不超过1 5 m ，预应力锚索桩的地面以上高 度可达1 5 m 以上。地基强度不足可由桩的埋深得到补偿。挡土板与一般桩间挡土墙相 比，其优点在于可以不考虑基底承载力；采用装配式挡土板施工方便快捷。滑坡和顺 层地段，桩上设锚索或锚杆可减小桩的埋深和桩的截面尺寸，在悬臂较大或桩上外力 较大时，是一种很好的支挡型式。在减小工程数量、缩短工期、降低成本、节约投资 方面，桩板墙这一结构相比于桥梁方案和其他挡土墙方案在高陡边坡路段及车站地段 有着明显的优越性，且施工简便，外型构造美观，运营后养护、维修费用低。 桩板式挡土墙适用于土压力较大，墙高超过一般挡土墙限制的情况，地基强度的 不足可由桩的埋深得到补偿。桩板式挡土墙可作为路堑、路肩和路堤挡土墙使用，也 可用于处治中小型滑坡，多用于岩石地基。由于土的弹性圳力较小，设置桩板式挡土 墙后，桩顶处可能产生较大的水平位移或转动，因而一般不宜用于土质地基。若需用 于土质地基，一般应在桩的上部( 一般可在桩项下0 2 9 h 处) 2 9 】设置锚杆等，以减小 桩的位移和转动，提高挡土墙的稳定性。桩板式挡土墙作路堑墙时，可先设置桩，然 后开挖路基，挡土板可以自上而下安装，这样既保证了施工安全，又减少了开挖工程 量。运用抗滑桩理论在现代支挡结构的运用中越来越普遍了，随着新技术、新工艺的 发展，桩板结构也广泛的运用于工程实际当中。 1 3 3 桩板结构存在的不足与问题 桩板结构的应用绝大多数取得了成功，个别失败者主要是因为滑坡性质定得不准， 如滑面位置、滑坡范围、滑坡推力或设计参数定得不准，如地基抗力系数等，造成桩 的埋深不足而倾倒或折断。因此，桩板结构失效的主要原因就是桩体的失效破坏。经 总结，桩板结构在设计上主要有以下几个问题值得注意： ( 1 ) 目前抗滑桩的设计计算理论和计算方法还不成熟。传统设计计算理论所采用 的许多假设都在不同程度地回避了桩一土相互作用的全面分析，即回避了土拱效应的 分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 2 ) 桩板结构中对抗滑桩合理尺寸，间距以及悬臂高度的确定i 1 4 本文研究内容与技术路线 1 。4 1 研究内容 针对地震作用下的桩板墙结构桩一土相互作用问题，本论文以玉蒙铁路石崖寨车 站为工程实例，选取d k l 2 5 + 0 2 0 处的双排桩板墙为研究对象，利用振动台模型试验和 理论计算对桩身受力、变位及土体加速度进行了研究。其主要内容包括t ( 1 ) 通过振动台模型试验研究分析不同加载状态下( 静力、0 。l g x 、0 2 9 x 、0 3 9 x z 、 0 4 9 x z 、o 5 9 x z 、o 7 9 x z 、0 9 9 x z ) 桩身受力、土体加速度、桩身变位变化情况； ( 2 ) 通过振动台模型试验对比分析不同加固方式下( 单排桩、双排桩) 桩身受力、 土体加速度、桩身变位变化情况； ( 3 ) 通过理论计算，对比研究不同加载状态下单排桩、双排桩板结构试验模型中 桩体桩后受力，并且与试验反算结果进行对比，分析研究两者差异； ( 4 ) 通过对比理论计算和试验反算对于双排桩试验模型中上排桩的桩后受力占各 自总滑坡推力的比值，研究单排桩、双排桩板结构的不同支护效果，并提出双排桩板 结构中上、下排桩对于滑坡推力的不同分担比。 1 4 2 技