（道路与铁道工程专业论文）土工格栅加固路堤抗震性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 我国的多山地、多地震条件引起了大量和地震作用有关的路堤稳定问题， 尤其是西部大开发战略实施以来，相当多的路堤工程将修筑在高烈度地震区， 路堤工程的地震稳定性问题也就日趋突出。汶川地震路基震害调查发现，都( 江 堰) 汶( 川) 公路的路堤工程无一毁坏断道，部分未铺设土工格栅路堤工程边坡发 生坍塌破坏，而土工格栅加固的路堤工程多表现为边坡局部变形。土工格栅可 有效隔阻地震力传递，并对增强路堤的地震刚度、强度、稳定性具有重要作用。 土工格栅的成功应用，有望减少高烈度地震区常见的各种路堤病害，提高道路 的抗震减灾能力。而现行公路、铁路抗震设计规范均未对土工格栅加固路堤的 抗震性能作出相应规定。国内外关于土工格栅加固路堤抗震效应、加固效果、 作用机理的研究也很少，计算分析方法欠完善和成熟，现场实际工点测试资料 积累也不多。本论文研究了土工格栅抗震设计计算理论，对指导以后高烈度地 震区路堤的抗震设计有一定实际意义。 本文的具体研究内容和成果如下： ( 1 ) 汶川地震路堤工程震害调查发现，路堤工程震害有以下特点：地震对 路堤工程都造成破坏，部分未铺设土工格栅路堤发生坍塌破坏，而铺设土工格 栅路堤仅表现为局部变形。 ( 2 ) 结合汶川地震路堤工程的实际变形特点，对一些典型工程进行拟静力 法分析得到：在不大于设计烈度的地震作用下，按拟静力法设计的路基工程基 本能保证地震稳定性。 ( 3 ) 对上部、中部和下部铺设土工格栅路堤进行数值模拟分析发现：不同 位置铺设土工格栅对路堤的抗震性能改善程度不同，上部铺设土工格栅比中部 和下部铺设对路堤地震整体稳定性的改善更明显，故在设计土工格栅加固时可 以根据以上结论适当优化设计。 ( 4 ) 雅( 安) 泸( 沽) 高速公路路堤工程优化设计方案取消了原路堤工程 设计中中下部铺设的土工格栅，并适当增加上部土工格栅的铺设量。对优化后 的路堤工程进行动力分析得到：优化后路堤的抗震性能与优化前相当或有所提 高，但能节约近3 0 的土工格栅使用量。 关键词：汶川地震；土工格栅；路堤工程；抗震设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ee m b a n k m e n ts t a b i l i t yi s b r o u g h to u tb e c a u s eo fm a n ym o u n t a i n sa n d f r e q u e n te a r t h q u a k e si no u rc o u n t r ya n dt h es e i s m i cs t a b i l i t yo ft h ee m b a n k m e n t e n g i n e e r i n gi sl o o m i n gl a r g e rw i t ht h ee m b a n k m e n tb e i n gb u i l ti nh i g h l ys e i s m i c r e g i o n sw h e nt h es t r a t e g yo fd e v e l o p i n gt h ew e s ti si m p l e m e n t e d t h es e i s m i c h a z a r di n v e s t i g a t i o no fw e n c h u a ne a r t h q u a k es h o w st h a tn o n eo ft h ee m b a n k m e n t e n g i n e e r i n go fd u ji a n g y a n w e n c h u a nr o a di sb r o k e n ，s o m ee m b a n k m e n ts l o p e s c o l l a p s ea n do n l yl o c a ld e f o r m a t i o no ft h ee m b a n k m e n ts l o p e sw i t hg e o g r i d r e i n f o r c e m e n ti sd i s c o v e r e d t h eg e o g r i dc a ne f f e c t i v e l yo b s t r u c tt h et r a n s f e ro f s e i s m i cf o r c e sa n ds t r e n g t h e nt h es e i s m i cs t i f f n e s s ，i n t e n s i t ya n ds t a b i l i t yo ft h e e m b a n k m e n t t h es u c c e s s f u l a p p l i c a t i o no fg e o g r i d i s h o p e f u lt o l e s s e ns o m e c o m m o ne m b a n k m e n th a z a r d si n h i 曲l y s e i s m i c r e g i o n s a n d i m p r o v e t h e e a r t h q u a k e - r e s i s t a n c ec a p a b i l i t yo fh i g h w a y s t h e r ei sr i os p e c i f i c a t i o ni nc u r r e n t c o d e so fh i g h w a ya n dr a i l w a ya s e i s m a t i c d e s i g na n dl i t t l e r e s e a r c hh a sb e e n c o n d u c t e do nt h ea s e i s m a t i ce f f e c ta n dr e i n f o r c i n ge f f e c to fg e o g r i da th o m ea n d a b r o a d t h ea s e i s m a t i cd e s i g nt h e o r yo fg e o g r i di nt h et h e s i sm a k e ss e n s ef o rt h e e m b a n k m e n ta s e i s m a t i cd e s i g ni nh i g h l ys e i s m i cr e g i o n si nt h ec o n t e x to fi m p e r f e c t a n du n m a t u r ea s e i s m a t i ca n a l y s i sm e t h o d sa n di n s u f f i c i e n ta c c u m u l a t i o no ff i e l dt e s t d a t a t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n df i n d i n g sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es e i s m i ch a z a r d i n v e s t i g a t i o no ft h ee m b a n k m e n te n g i n e e r i n gi n w e n c h u a n ge a r t h q u a k es h o w st h es e i s m i ch a z a r dh a st h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ： t h ee m b a n k m e n t sa r ed a m a g e dm o r eo rl e s s ，s o m ee m b a n k m e n t sw i t h o u tg e o g r i d c o l l a p s ea n do n l yl o c a ld e f o r m a t i o ni sd i s c o v e r e df o re m b a n k m e n t sw i t hg e o g r i d s ( 2 ) t h ec o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tt h es u b g r a d ee n g i n e e r i n gd e s i g n e dw i t ht h e p s e u d o s t a t i cm e t h o da r eb a s i c a l l ys t a b l ei ne a r t h q u a k e sw h o s em a g n i t u d ei sl e s s t h a nt h ed e s i g nm a g n i t u d ea c c o r d i n gt ot h ep s e u d o s t a t i ca n a l y s i sb a s e do nt h e p r a c t i c a ld e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fe m b a n k m e n te n g i n e e r i n gi nw e n c h u a n e a r t h q u a k e ( 3 ) i tc a l lb es e e nf r o mt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fe m b a n k m e n t sw i t h g e o g f i d si nt h eu p p e rp a r t ，i nt h em i d d l ea n di nt h eb o t t o mt h a tt h eg e o g f i d si n d i f f e r e n tp o s i t i o n so fe m b a n k m e n t sc a ni m p r o v et h ee a r t h q u a k e r e s i s t a n c ec a p a b i l i t y o fe m b a n k m e n t si nd i f f e r e n td e g r e e s t h es t r e n g t h e n i n ge f f e c to f g e o g r i d sp l a c e di n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 t h eu p p e rp a r ti sg r e a t e rt h a nt h o s ep l a c e di nt h em i d d l ea n di nt h eb o t t o ma n d t h e r e f o r et h eg e o g r i dd e s i g nc a l lb eo p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o n sa b o v e ( 4 ) n l eg e o g f i d si nt h em i d d l ea n di nt h eb o t t o mo ft h ee m b a n k m e n ta r e c a n c e l e da n dm o r eg e o g r i d sa lep l a c e di nt h eu p p e rp a r ti nt h eo p t i m u md e s i g no f y a a n h u g us p e e d w a y t h ee a r t h q u a k e r e s i s t a n c ec a p a b i l i t yo ft h eo p t i m i z e d e m b a n k m e n ti si m p r o v e dt h a nt h a to ft h eo r i g i n a le m b a n k m e n ta n da b o u t3 0 o f t h eg e o g f i d sc a nb e s a v e da c c o r d i n gt ot h ed y n a m i ca n a l y s i so ft h eo p t i m i z e d e m b a n k m e n t k e yw o r d s ：w e n c h u a ne a r t h q u a k e ；g e o g r i d ；e m b a n k m e n te n g i n e e r i n g ；a s e i s m a t i c d e s i g n 西南交通大学 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 不保密影使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：态潼淆 日期：沙l f i 艿 指导老师签名： 盱今 日期：沙，f 莎 西南交通大学学位论文创新性声明 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。 本学位论文的主要创新点如下： 和课题组的其他人员一起参与了汶川地震震害现场调查，并对部分路堤 工点的变形和破坏进行了评估；用理正软件对部分路堤进行了拟静力法分 析：用f l a c 3 d 软件对典型土工格栅路堤工程的变形模式进行分析，由此 得到土工格栅路堤抗震设计优化方案。并对优化设计后的雅安至泸沽高速公 路中的典型路堤工程进行动力学分析( f l a c 3 d ) 。 学位论文作者签名：彳6f 备法 日期：2 户l d i 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究意义 我国是一个多山的国家，山地面积约占国土面积的三分之二，随着西部大 开发的进行，铁路和公路将进一步向西部山区延伸。西部地区工程地质条件非 常复杂，地形地貌变化大，且地震活动频繁，地震烈度、频率都较高。线路工 程属于带状结构物，一条线路少则十几公里，多则几百公里，甚至上千公里， 很多线路都不得不通过高烈度地震区，进行高填土路基的施工，从1 0 多米到几 十米的高填土路基都是经常碰到的事情，所以有必要研究地震作用下高填土路 基的抗震加固措施。我们多次进入地震重灾区调查灾情，发现大量路堤边坡发 生浅层坍塌破坏，部分数路堤发生路面错落的本体滑塌现象，而土工格栅加固 路堤仅发生微量错动，并不影响通行。且国内外对土工格栅用于抗震的研究还 处于空白，由此可见对加土工格栅路堤的抗震性能研究有实际意义。 土工合成材料如土工格栅、土工格室在路基病害防治中运用已十分广泛。 土工合成材料应用于路基可有效分配荷载、约束侧向变形，提高路基的强度和 刚度，对增强路基的稳定性具有重要作用。与岩土工程上常用的路堤、抗滑桩、 锚索以及反压护道措施相比，其经济效益和社会效益十分显著。 但在高地震烈度区地震力作用下，土工格栅作用机理、加固效果、材料抗 变形特性等的研究甚少，计算分析方法欠完善和成熟，现场实际工点测试资料 积累甚少，国内外也缺乏这方面的相关报道。土工合成材料可有效隔阻地震力 传递，对增强路基的地震刚度、强度、稳定性具有重要作用。土工合成材料的 成功应用，可望减少高地震烈度区常见的各种路基病害，提高道路的抗震减灾 能力。同时对于完善计算理论、为高地震烈度区更合理、更有效应用土工合成 材料积累经验。 1 2 国内外相关研究现状及趋势 1 2 1 土工合成材料概况 土工合成材料是极具生命力的新型土建工程材料，其应用已渗透到岩土工 程和其它工程建设的各个角落。目前我国正在进行人规模的基础设施建设，对 其进行研究和开发具有重要的现实意义和深远的历史意义。 国内外土工合成材料的应用概况土工合成材料的开发和使用已有几十年的 历史。1 9 2 6 年，美国最早用棉织物加固公路路面；2 0 世纪3 0 年代末或4 0 年代初， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 聚氯乙烯薄膜应用于土工的防渗；5 0 年代末期，r j b a r r e t t 在美国佛罗里达洲 利用聚氯乙烯织物作为海岸块石护坡的垫层；1 9 5 6 - - - - 1 9 5 7 年著名的荷兰三角洲 工程用机织土工织物加固防海潮大坝：2 0 世纪6 0 年代，合成纤维土工织物在美 国、欧洲和日本逐渐推广。但是其生产技术主要是机织型的，主要用于护岸防 冲等工程，机织土工织物的强度高，但价格也较高，反滤、排水功能差，限制 了它的发展。非织造布的应用给土工积物带来了新的生命，它的特点是把纤维 做成多方向的或任意排列使得其性能上各向同性，非织造型土工积物在2 0 世纪 6 0 年代末期开始应用于欧洲，7 0 年代从欧洲传到了世界各地。到7 0 年代土工 合成材料的应用及其产品的发展达到一个鼎盛时期。高性能的原料赋予产品高 的强力与耐用性，先进的生产工艺赋予产品良好的功能，使其应用范围不断扩 大，特别是近2 0 年来，由于非织造针刺法、纺粘法工艺的推广，产品成本低， 而且具有良好的化学物理性能和水工性能，使非织造土工织物的应用飞速地发 展起来【1 1 。目前世界上已有1 0 0 多个国家和地区( 包括发达国家和部分发展中国 家和地区) 在1 0 万多个工程中采用了土工布。据统计，全世界目前合成纤维土 工布年耗量约4 0 万t ，其中美国最多，达1 0 万吨【2 1 。土工合成材料已经成为继 钢材、水泥、木材之后的第4 种新型建筑材料。 目前全球土工合成材料的发展与应用材料是，发达国家在产品种类、质量、 应用范围的广度与深度等方面的发展都比发展中国家快，尤以北美发展最快， 欧洲则以德国、法国、荷兰、意大利等西欧国家发展较快，亚洲主要是日本、 马来西亚、韩国发展较快，国外产品类型、品种较多，规格齐全，以非织造型、 合成型、复合型所占比例较大1 3 j 。 在我国，土工合成材料在岩士工程等领域的应用历史较短。最早应用的是 土工膜，大约在2 0 世纪6 0 年代初期，用于渠道防渗；7 0 年代中期，在长江护 岸和长江堤防中首次用织造型土工织物；8 0 年代初期，非织造型土工织物开始 应用于工程中；8 0 年代末，土工模袋首次引入工程应用。纵观土工合成材料3 0 多年的发展史，可将其应用历程大剪分为三个阶段：8 0 年代中期以前的初创阶 段；8 0 年代中期j 19 0 年代中期的发展阶段和9 0 年代后期开始的逐渐成熟阶段 【4 l o 国内生产和使用的非织造土工织物以涤纶短纤维针刺非织造织物为主，产 品幅宽可达6 m ，生产厂家2 0 0 家左右( 而国外的非织造土工织物多为纺粘法长 丝针刺非织造布) ：以聚乙烯材料为主的土工网格，生产厂有1 0 多家，复合土 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 工膜生产厂已有数十家。据不完全统计，目前我国生产各类土工合成材料的厂 家约有4 0 0 多家，产量超过1 亿m 【5 】，是亚洲最大的土工合成材料生产和应用 大国。 1 。2 2 土工合成材料应用及前瞻 目前土工合成材料原料大多采用高分子聚合物，主要有聚丙烯( p p ) ，聚酯 ( p e t ) ，聚乙烯( p e ) ，聚氯乙烯( p v c ) ，聚酰胺( p a ) 。其中用的最多的是聚丙烯原 料，占土工合成材料总用量的5 0 以上，美国已占8 0 以上；其次是聚酯原料， 占1 5 - - 3 0 ，日本用得较多1 6 j 。 近年来，为满足实际应用场合的需求。各种高性能、功能化的原料相继出 现以迎合市场的需求，如：采用断裂伸长率较小、断裂强度较高的玻璃纤维加 固非织造复合土工布，制成的玻纤增强复合土工布在性能上将会比由机织布或 编织布加固的非织造复合土工布好得多r 7 j ；东洋纺织株式会社开发的高吸湿纤 维( m o i s c a r e ) 可用于制作农用水土保持材料【8 】；一种来自于粮食作物称为“天然 杰作 乳酸聚合物( p l a ) f 9 1 ，具有可控的降解性、输水性强、可控的热粘合和高 湿强等特点，使其成为一种增值的多层材料的理想替代品。p l a 的生产与传统 的p p 相比使用的矿物燃料减少3 0 5 0 ，有助于减少废物和燃料用量。日本 钟纺从玉米中提取并复合成了聚乳酸纤维l a c 们n i s l ，该纤维的强度、伸长和纺 丝方法与锦纶、涤纶相同，可生产机织物、针织物、非织造布等，用于农业、 水利等各种领域。 土工合成材料总的发展趋势是不管在产品的种类、数量、还是在产品的质 量上都有大幅度的提高。以土工织物为例，土工织物是土工合成材料中数量最 大、发展最快、品种最全的，可分织造型、非织造型、复合型等，发展趋势可 以从以下几方面来说：( 1 ) 各类土工合成材料都有所增长，其中土工织物增长的 数量与幅度最大，是主要的土工合成材料，而在土工织物中，非织造型土工织 物比织造型土工织物产量高、增长快。1 9 9 5 年，世界织造型土工织物年产量为 8 万t ，非织造型士工织物年产量为1 7 1 万t ，非织造型土工织物占全部士工织 物7 0 ：到2 0 0 0 年，世界织造型土工织物年产量为1o 8 万t ，非织造型土工织 物年产量为2 9 2 万t ，非织造型土工织物占全部土工织物的比例已达7 3 ，非 织造型土工织物的年均增长率为1 1 3 ，而织造型土工织物的增长率仅为 6 2 1 6 】。( 2 ) 复合型土工织物是土工合成材料发展的重点，它兼有各类土j l = 合成 材料的优点，具有高性能、多功能的特点，使其在应用范围上大大拓宽，是科 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 技含量高、高附加值的产品，反映了当前岩土工程材料发展的技术性及与其它 相关产业关联的渗透性，是国内外大力推广的土工合成材料，如机织与针刺非 织造工艺的结合生产的复合土工织物，使土工织物既有强力高、尺寸稳定等机 织物特点，又有增强其防渗性、排水性、过滤等性能。( 3 ) 经编土工织物，分为 网眼结构、轴向结构、双层结构和复合结构，其中复合结构即经编复合土工织 物被称为新型的“第三代土工织物，它的主要特点是高强低伸，可设计性强， 同时兼具排水、过滤、隔离、加筋等作用。尽管目前用量不大，但近年来发展 很快，具有很强的生命力。另外，热粘合非织造物、化学粘合非织造土工织物 在国外也有一定数量，我们也应充分予以关注【酬。 从1 9 7 7 年至1 9 9 8 年召开了六届国际土工合成材料会议，在会议上，各国 学者交流探讨土工合成材料的应用、设计问题，并同时设有大型展览会。我国 在1 9 8 4 年成立“土工织物行技情报协作网 9 9 91 9 8 6 年改名为“土工合成材料技 术协作网”，并于1 9 8 6 年至2 0 0 0 年召开了第一届至第五居“全国土工合成材料 学术讨论会”，在土工合成材料的应用、工程设计、产品和性能测试技术等方面 进行交流探讨。但是至今不论在产品，还是在应用技术和测试研究等方面与国 外相比都处于“初级或发展阶段”，大体上仍然是依照外国的技术和经验，创新 的、自主发展的技术寥寥可数，而且少数带有创新性的技术还是比较粗糙，与 国外技术上的差距并未有缩小迹象。关于土工合成材料性能研究，目前国外更 注重土工合成材料的耐久性能如抗紫外线辐射、温度变化的耐气候性、化学与 生物侵蚀、蠕变性能等，国内在这些方面的研究较少，或正在刚刚起步。 1 2 3 土工格栅使用及研究现状 1 ) 土工格栅的定义 土工格栅是采用高密度聚乙烯( ) p e ) 或聚丙烯( p p ) 经挤压拉伸形成的 新型土工合成材料，它在岩土工程应用中以加筋作用为主。土工格栅是由横肋 ( t r a n s v e r s eb a r s ) 、纵肋( 1 0 n g i t u d i n a lr i b s ) 及网孔( a p e r t u r e s ) 组成( 图1 1 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 k 杂 辎 捌 横肋躯抗力 v r jy ；户、 。 r 乞t 、。 一” 数助摩攘力援助摩攘力 t 1 ) 簟尚士芏格1 1 1p ) 取向生工铬量 图1 - 1 土工格栅结构 土工格栅的加固效果主要体现在3 个方面【8 吲，包括土工格栅纵肋和横肋表 面与土粒的摩擦作用、土粒对格栅肋的被动阻抗作用及格栅的孔眼对土的镶嵌 与咬合作用。通对土工格栅进行大、小型拉拔试验发现，土与格栅的表面摩阻 力及土对横肋的阻力构成了拉拔状态下格栅阻力，且摩擦力在变形较小时即可 达到峰值，随着格栅的进一步变形，土工格栅的横肋逐渐占主要作用，并最终 可以承担大约9 0 的格栅加筋拉力。土工织物和土工膜等其它土工合成材料， 容易被填料刺破而损坏筋材结构、降低隔离及加固效果。相对而言，土工格栅 结构的网孔尺寸的稳定性好，格栅的肋条较粗，而且一般网节点处厚度远大于 网孔肋条厚度且强度高，不易发生网孔断裂。因此，土工格栅材料具有较强的 抗冲击性，提高了抗尖石刺破能力，并由此降低了加筋结构对回填土材料性质 的要求，提高与扩大了土工格栅的适应能力与应用范围。 2 ) 土工格栅用于路堤工程的现状 加筋土技术在七十年代引入中国，自1 9 7 9 年第一座8 m 高加筋土路堤在云 南建成以来，土工加筋技术应用和研究在我国得到了极大重视，建立了相应的 加筋土工程技术规范。9 0 年代以来，由于土工织物所具有的功能和特性以及在 工程中的实际应用效果，引起全国各行各业的极大兴趣。加筋土技术的应用已 由最初的砂性填土发展到粘性填土、低路堤发展到高路堤，并大量推广应用到 公路路堤工程、港口护岸工程、柔性桥台工程等特殊工作环境下的工程结构中。 目前，土工格栅在路堤工程中应用广泛。北京工业大学的陶连金等【1 0 ( 2 0 0 6 ) 采用f l a c 数值方法对黄土加筋路堤施工全程进行模拟，基于室内压缩试验和 f i s h 动态模量输入的方法来描述土体的压实，利用土体在不同围压下的压缩模 量来计算其变形模量，并用该法对宁夏黄土地区高速公路某路堤加筋试验工程 进行了模拟，模拟结果和实测值较为接近。结果显示：随着路堤施工的推进， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 长短筋材发挥的作用不断变化，在路堤填土高度不高时，长短筋材受力区别不 明显，填土高度增大时，短筋受力逐渐减少，长筋受力不断增大；并且，据长 筋的受力特点可以分为3 个区域：边缘区、受力区、内部区。对黄土路堤加筋 效果的评价不仅应包括对筋材和路堤稳定性的提高，而且还应包括筋材对路堤 不均匀沉降和基底土压力的调整作用。 北京工业大学的张志清等】( 2 0 0 7 ) 采用有限元方法对黄土路堤在加筋和 无筋条件下的应力和变形规律进行了数值分析，得出了加筋黄土路堤可以使湿 陷性黄土路堤的变形趋缓，横向应力显示出比较均匀的受压状态和稳定的受力 趋势，从而改善路基不利的受力状态，并给出了土工合成材料加筋设计方案。 北京工业大学的胡江碧1 1 2 】( 2 0 0 7 ) 研究在高填方路堤中铺设土工合成材料 的最佳加筋位置的确定方法。基于极限平衡理论，采用在土内加筋的方法增加 剪切面上的正应力以提高土体的抗剪强度，从而改进了加筋路堤。获得了确定 最佳加筋位置的方法，并利用计算机进行滑动面搜索确定了最佳加筋方案。通 过对8 种典型黄土加筋高填方路堤的稳定性分析与最佳加筋位置的应用分析， 验证了此方法的可行性和筋材的加筋位置及其效果】。 通过对已有公开发表的国内外相关文献的检索，目前尚未有关于土工格栅 在路堤工程中的地震动力反应特性的研究，更未见土工格栅路堤的模型试验报 j 上 垣o 1 2 4 路基地震稳定研究方法 1 2 4 1 拟静力法 自1 9 世纪2 0 年代，拟静力法已用于结构地震稳定性分析，t e r z a g h i ( 1 9 5 0 ) 首次将其应用于地震斜坡稳定性分析中。拟静力法是将地震作用简化为水平方 向或垂直方向的不变加速度作用，此加速度产生作用于不稳定体质心的惯性力 ( 用水平和垂直拟静力因子表示) 。根据极限平衡理论，将所有作用于潜在滑动体 上的力沿滑动面进行分解，得出沿滑动面的安全系数。安全系数与斜坡材料特 性( c 、西) 、破坏面形状和位置( 1 a b ，p ，w ) 、地震力大d 、( r h 、k v ) 等因素相关。 在拟静力分析中，斜坡材料特性值可通过现场或实验室相应实验测定，而破坏 面形状和位置常根据斜坡地质条件用经验或工程类比来确定，且简化为直线形、 跚形或非圆形等；拟静力法中对地震力大小的计算，即水平和垂直拟静力因子 r h 和k v 的取值研究较多。t e r z a g h i ( 1 9 5 0 ) 首次提出：对一般性地震r h - 0 1 1 ； 对破坏性地震r h = 0 1 2 ：对灾难性地震r h = o 1 5 0 4 j 。m a r c u s o n ( 1 9 8 1 ) 考虑大坝对地 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 震动的特性影响，建议大坝的适宜拟静力因子应取最大加速度的1 2 1 3 i s j 。 目前并没有直接而快速的方法来选择设计拟静力因子，其取值均建立在不稳定 体所受的实际加速度基础上，取考虑某个系数的实际加速度峰值。因拟静力方 法简单实用，在地震斜坡分析中得到广泛应用。拟静力法简化较多，过于粗略。 w uxy ( 1 9 9 1 ) 对粘土斜坡采用拟静力法和参数分析，发现该法的不足：在某些 条件下，对给定圆心的圆形滑动面没有最小安全系数，最小安全系数随圆形滑 动面半径增加而单调降低；在某些条件下，不稳定体的最小安全系数不能确定， 因此得不到临界圆形滑动面 1 6 1 。传统拟静力法常只考虑水平地震动，l i n gh o e i ( 1 9 9 7 ) 研究水平和垂直加速度共同作用下斜坡的稳定性和位移，发现若水平加 速度很大时垂直加速度对稳定性和位移有重大影响。 1 2 4 2n e w m a r k 滑块分析法 ， 拟静力法只提供一个稳定指标( 安全系数) ，没有与破坏面相关的变形信息。 永久地震位移分析常采用n e w m a r k 滑块模型，n e w m a r k 滑块位移法是以 n e w m a r k ( 1 9 6 5 ) 提出的屈服加速度的概念为基础的，n e w m a r k 指出：斜坡的稳 定性取决于斜坡的变形，变形由应力时程变化决定，瞬时惯性力如果足够大， 导致斜坡的安全系数暂时小于1 ，将会导致斜坡产生永久位移，但这种变形并不 是随时间持续增加的，当地震加速度降低或反向施加于斜坡时，斜坡的变形就 会停止，所以斜坡的永久位移实际上是斜坡在地震过程中的累积位移，如果在 地震过程中，岩土体的强度没有显著降低，斜坡将不会发生进一步的严重变形 1 7 1 。标准滑块分析基于如下假定：潜在滑动体是完全刚性的；滑块与滑面间是 完全塑性应力一应变特性关系；破坏面形状是平面。c r e s p e l l a n it ( 1 9 9 8 ) 弓l 入地 震破坏趋势因子( p d ) 来考虑控制斜坡稳定的主要影响因素，提出了水平振动的 n e w m a r k 刚性滑块的位移与p d 间关系的经验公式【1 8 1 。一些研究者对n e w m a r k 分析法进行了扩充。g i o v a n n ib i o n d i ( 2 0 0 0 ) 在饱和无凝聚力土斜坡中采用 n e w m a r k 分析法并考虑了地震引起的孔水压和剪力强度降低对位移的影响，应 用此模型利用谐波和实际地震波进行参数分析，得出各参数影响，位移反应显 示饱和无凝聚力土斜坡地震稳定分析若忽略孔水压会低估其反应d 9 1 。近年来还 开展了有关n e w m a r k 分析法可靠性的实验研究，w a r t m a nj o s e p h ( 1 9 9 8 ) 为评价 n e w m a r k 分析方法的应用范围和准确性，在振动台上进行斜坡物理模型的强震 实验，发现斜坡中 现了较大的转动、平动和较小的破坏运动【2 0 】。 1 2 4 3 数值分析法 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 近年来，随着计算机的迅速发展，以往不可能靠手工完成的工作现在己经 能够依靠计算机的强大计算能力解决，在斜坡稳定分析的领域也是如此，不论 是静力问题还是动力问题，目前都已有较为成熟的计算软件，而且计算方法各 异，如有限单元法( f e m ) ，离散单元法( d e m ) 、差分方法( f l a c ) 、边界元( b e m ) 方法等。 f l a c 软件采用的是有限差分的拉格朗日算法，能解决岩土工程中常见的 非线性大变形问题，该方法遵循连续介质的假定，利用差分格式，按时步积分 求解随着构型的变化不断更新坐标，允许介质产生较大的变形。刘春玲利用 f l a c 3 d 对某斜坡进行了动力分析，讨论了利用f l a c 3 d 进行斜坡动力分析时 如何设置边界条件、合成、输入以及转化动力时程，为地质体选取合理的阻尼 等【2 l l 。 离散单元法的一个突出功能是它在反映岩块之间的接触面的位移、分离与 倾翻等大位移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布。因此，任何一种 岩体材料的本构模式都可引入到模型中，例如弹性、弹塑性、粘弹性或断裂等 均可考虑。该方法的另一个优点是它利用显式时间差分解法( 动态松弛法) 求 解动力平衡方程，这一方法用于求解非线性大位移与动力稳定问题具有先天的 本能，用于求解岩质斜坡对地震荷载作用的响应是目前最为适合的方法。 1 2 4 4 地震斜坡概率分析方法 在地震斜坡稳定分析中存在很多不确定因素，如输入地震动的随机性，斜 坡材料特性的随机性等。在分析中有必要考虑这些随机性，因此出现了地震斜 坡概率分析方法。h a l a t c h e vr o s s e n ( 1 9 9 2 ) 提出了一种用于堤坝和斜坡地震稳定 性分析的概率方法阱】。该方法建立在s a r m a 解的基础上，考虑了地震力的水平 和垂直分量，即地震力具有任意倾角，土体剪切强度参数假定为正态分布采用 m o n t ec a r l o 模拟，破坏概率由地震系数确定，将地震系数视作一个随机量。 a 1 h o m o u da s ( 2 0 0 0 ) 幂l j 用安全系数和斜坡破坏的临界位移提出了地震力作用下 土体斜坡和堤坝的概率三维稳定性分析模型，考虑了如下的不确定性因素：实 验室和现场所测的剪切强度参数值存在差异的不确定性，发生地震和地震引起 的加速度的随机性，同时还考虑了空间上变化以及土参数间的关系，提出了5 个基于极限值下的非超越概率的地震位移概率模型，儿提出了基于安全系数的 三维动力斜坡稳定分析的概率模型，将这些模型应用于受不同程度地震灾害的 著名滑坡s e l s e tl a n d s l i d 中，发现震源距离和震级对地震引起的位移、破坏概率 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 即位移允许超载概率) 、二维和三维安全系数影响很大。刘汉龙基于等价结点力 模型，将地震地面运动模拟为平稳高斯过滤白噪声过程，通过随机地震反应分 析，建立了种地基及土石坝在随机地震作用下的永久变形分析和永久变形危 险性分析方法。该法不仅能预测永久变形的平均幅值，而且能给出不同控制变 形的破坏概率【2 3 】。 1 2 4 5 非线性方法 近年来，许多学者将处理复杂系统和探索复杂性的非线性理论方法先后引 入滑坡地质灾害过程的演化研究，相继建立了一些初步描述斜坡演化非线性动 力学方程，提出了基于分形理论、协同学理论、混沌动力学和突变理论的预测 模型，运用神经网络方法实现了对滑坡的灾害的预测和评价。许强对现有的动 力分析模型作了改进，引入了非线性作用项，并用突变理论分析方法对改进后 的模型进行分析1 。丰土根、陈昌富等根据遗传算法的思想和拟静力瑞典法基 于圆弧滑动面的假定，提出一种用遗传算法搜索最危险滑动面及其对应的最小 安全系数的方法。模拟生物遗传进化过程，克服了传统方法容易陷入局部极小 值的缺点，是一种全局优化算法1 2 5 2 7 1 。余跃心分析了地震、地形、土质等实测数 据与侧向水平水移之间的相互关系，并提出了侧向水平位移神经网络预测模型。 模型较好地反映了参数之间复杂的非线性关系，网络预测结果与实测数据较为 吻合1 2 5 。 1 3 本文的主要内容和研究技术路线 1 3 1 主要内容 本文在广泛调研国内外文献资料的基础上，结合汶川地震后素土路堤及铺 设土工格栅路堤震害调查结果，运用f l a c 3 d 岩土软件对素土路堤和铺设土工 格栅路堤在地震作用下的响应规律进行研究，并用拟静力法计算其安全系数以 验证路堤工程拟静力法设计的合理性，论文主要内容如下： ( 1 ) 参与调查了都( 江堰) 汶( j i b 公路全线路堤工程，定量的测量了各个路基 工程的变形，并定性的分析了各工点的安全性。 ( 2 ) 对都( 江堰) 汶0 1 1 ) 公路的一些典型工程进行f l a c 一3 d 动力学分析，分 析时各个工程加速度峰值由力速度衰减公式求得，土体及格栅指标由室内直剪 实验和拉拔实验求得，最终通过对比实测变形和理论计算变形得到合理的计算 模型和计算参数，在此基础上时比土工格栅对路基抗震性能的影响。 ( 3 ) n 用汶川地震检验过的计算模型和计算参数模拟雅( 安) 泸( 沽) 高速 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 中通过高烈度地震区关于土工格栅优化设计方案的对比。 ( 4 ) 用拟静力法计算各工点的安全系数，将其与野外调查和数值模拟结果 进行对比，得出动力设计和拟静力法设计各自的优缺点。 1 3 2 技术路线 本文研究技术路线框架图见图1 2 。 土工格栅加固路基抗震性能研究 汶川 地震 震后 路堤 震害 调查 路堤 震害 模式 拟静力法 计算各路 堤工点安 全系数 静力法研 究土工格 栅的加固 效果和稳 定性 动力法分 析土工格 栅路堤和 素土路堤 士工格栅 加固路堤 的动力响 应及变形 特点 总结土工格栅加固路 堤优化方案和机理 对比汶川地震后路堤变形特点和理论计算 值，改进土工格栅加固高烈度地震区路堤 设计方案 对雅安至泸沽高速公路土工格栅设计提出 优化方案，并对优化后的设计方案进行抗 震性能分析 图卜2 研究技术路线框架图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第二章都汶路典型路堤工点震害调查 2 1 都江堰至汶川路调查概况 都江堰至汶川公路，系国道3 1 7 线( 成都至那曲) 、2 1 3 线( 兰州至云南磨 憨) 共用段。路线( k 0 + 0 0 0 ) 起自成灌高速公路都江堰收费站前( k 3 7 + 7 8 9 ) 石马巷，经玉堂、映秀、绵池，止于汶川县城北与原国道2 1 3 线相接( 终点 k 8 1 + 2 0 0 ) 。路线里程8 2 0 5 公里( 其中石马巷至映秀2 5 8 6 公里为高速公路， 映秀至汶川5 6 1 9 2 公里为二级公路) 。都江堰一映秀段为三级公路，全长3 2 k m 。 该路由两部分组成，都江堰起点到马鞍石隧道进口，为绕紫坪铺大坝的绕坝公 路，于2 0 0 3 年建成运营。从马鞍石隧道出口到映秀为0 5 年竣工修建的三级路。 该路地形陡峻，岩体破碎，地质构造复杂，特别是映秀位于龙门山大断裂和茂 汶大断裂带，新构造运动强烈，活断层发育，是地震活跃带。 5 1 2 汶川大地震后，我们对强震区域公路的现场踏勘，主要包括国道2 1 3 线紫坪铺一汶川段三级公路、都江堰一映秀高速公路、映秀一汶川二级公路， 此外还包括2 1 3 线水磨支线、映秀镇城区道路、紫坪铺水利枢纽重载公路等。 本文介绍的主要是都江堰至映秀地区的震害调查情况。该区域位于四川盆地西 北侧，龙门山地中南段，海拔一般在1 0 0 0 - 3 0 0 0 米，地势自西北向东南倾斜。 岷江干流至北向南过漩口后折向北东流经该区域。主要支流有古溪沟、寿江。 该区域覆盖层以粘性碎块石土、漂卵砾石土为主；基岩以砂岩、砂页岩夹煤层、 灰岩为主，强风化层3 1 5 米。区内断裂基本构造格架为龙门山构造带，安县 灌县断裂；茅亭、龙溪断裂；发育断裂主要有：平武断裂茂汶断裂：北川 映秀断裂；寿溪河断裂；纸厂沟断裂。主要公路为国道2 1 3 线，为三级公路， 全长3 2 公里。从都江堰到马鞍石隧道进口为绕紫坪铺大坝绕坝公路，2 0 0 3 年建 成运营。从马鞍石隧道出口到映秀为2 0 0 5 年竣工修建的三级路。公路抗震设计 按场地基本烈度为度考虑。调查区示意如图2 1 所示。 图2 - 1 调查区域示意图 我们的调查以东面平原、山区交界处为起点，向西沿岷江河谷溯流而上， 直至发震断层，包括了、x 、度四个地震烈度区，震中距均在2 0 公里 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 范围内。工作内容有对震区路基工程震前相关资料的收集：震害调查包括成 灾模式的判别、变形测量以及震害成因分析等：以及关于震后修复抢通措施的 记录等。本次调查是在姚令佩教授的领导下课题组成员共同参与完成，调查内 容和一些总结在课题组内共享。本人对该章成果没有完全成果权。 22 都汶路典型工点震害调查 22 1 都汶公路k 1 0 0 8 + 3 1 5 5 5