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西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 “5 12 ”汶川大地震,是建国以来最大规模的一次地震,给人民的生命财产 造成了巨大的损失。地震对灾区的边坡工程设施产生了很大的破坏,初步统计 在地震灾区已造成了大约一万多个震害边坡,多条公路、铁路因此受损中断, 严重影响了救援人员和相关物资在第一时间的抵达灾区。因此充分总结和分析 汶川地震的震害情况,对优化地震工况下的支挡结构设计,促进抗震规范的发 展和修订具有重要意义。 本文首先介绍了汶川地震造成的灾害情况和对抗震规范的改进作用,归纳 总结了支挡结构的抗震设计研究现状以及现行规范中的计算方法。 然后对地震灾区边坡工程设施进行广泛调研,总结分析汶川地震中支挡结 构的震害情况,提出各种支挡结构的震害程度和震害模式。 分别选取重力式挡土墙,抗滑桩两种支挡结构,按现行规范进行抗震设计 计算,包括不考虑地震和考虑地震两种情况下的结构的受力分析、稳定性验算 等。 运用大型数值分析软件m i d a s g t s 对所选取挡土墙和抗滑桩进行时程分 析。模型四周采用粘性边界,以加速度时程为动荷载,在此基础上研究地震发 生时模型的加速度响应,位移变化以及挡墙墙后土压力变化和抗滑桩所受弯 矩、剪力变化等情况。 最后将数值分析结果和与现行规范的计算结果进对比分析,再结合工程调 研资料加以讨论,在此基础上,对规范的修编提出建议。 本文通过实际工程调研,结合现行抗震设计规范和利用m i d a s g t s 数值 软件进行计算分析,得出了地震工况下支挡结构的一些受力和变形规律,对抗 震设计规范的修订有一定的参考价值。 关键词:地震;挡土墙;抗滑桩;抗震设计;时程分析 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 e ”5 12 ”w e n c h u a ne a r t h q u a k ew a st h el a r g e s te a r t h q u a k es i n c et h e f o u n d i n go fo u rc o u n t r y ,b r o u g h th u g el o s s e st ot h ep e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t y 。 t h es l o p ee n g i n e e r i n gf a c i l i t i e ss u f f e r e ds e r i o u sd a m a g e 。 a c c o r d i n gt op r i m a r y s t a t i s t i c s ,t h ee a r t h q u a k eh a sc a u s e da b o u tm o r et h a n10 ,0 0 0s l o p ed i s a s t e r s ,a n u m b e ro fr o a d s 、r a i l w a y st h e r e f o r eb ed a m a g e do r i n t e r r u p t e d ,s e r i o u s l y i n f l u e n c e dt h er e s c u ew o r k e r sa n dr e l a t e ds u p p l i e st oa r r i v e di nt h ef i r s tt i m e 。s oi t i sv e r yi m p o r t a n tt of u l l ys u mu pa n da n a l y s i st h ed a m a g ei nt h ew e n c h u a n e a r t h q u a k et oo p t i m i z e t h e d e s i g n o fr e t a i n i n gs t r u c t u r e sa n dp r o m o t et h e d e v e l o p m e n ta n dr e v i s i o no ft h ea s e i s m a t i cd e s i g nc o d e 。 f i r s t ,t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h es i t u a t i o no ft h ee a r t h q u a k ed i s a s t e ra n dt h e e f f e c to ni m p r o v e m e n to fa s e i s m a t i cc o d e ,s u m m a r i z e dt h er e s e a r c hs t a t u so n s e i s m i cd e s i g no fr e t a i n i n gs t r u c t u r e sa n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h ec u r r e n t c o d e s 。 s e c o n d l y ,w i d e l yi n v e s t i g a t e dt h ee n g i n e e r i n gf a c i l i t i e si nt h ed i s a s t e ra r e a , a n a l y z e dt h er e t a i n i n gs t r u c t u r e s d a m a g es i t u a t i o na n ds u m m a r i z e dt h es e i s m i c d a m a g ed e g r e ea n dd a m a g em o d e l 。 t h e n ,c a l c u l a t e dt h es t r e s sa n dt h es t a b i l i t yo ft h eg r a v i t yr e t a i n i n gw a l la n d a n t i s l i d ep i l eb yt h em e t h o do ft h ea s e i s m a t i cd e s i g nc o d e s ,i n c l u d i n gt h e s i t u a t i o no fn oe a r t h q u a k ea n dc o n s i d e re a r t h q u a k e 。 t h e n ,e s t a b l i s h e dt h em o d e lo ft h eg r a v i t yr e t a i n i n gw a l la n da n t i - s l i d ep i l e , u s e dt h en u m e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r e - - m i d a s g t st od ot i m eh i s t o r ya n a l y s i s 。 a p p l y i n gv i s c o u sb o u n d a r y ,t a k i n ga c c e l e r a t i o nt i m eh i s t o r ya sd y n a m i ci n p u t , b a s e do nt h e s e ,a n a l y z e dt h em o d e l sa c c e l e r a t i o nr e s p o n s e ,d i s p l a c e m e n tr e s p o n s e a n dt h ec h a n g e so ft h ee a r t hp r e s s u r eb e h in dt h er e t a i n i n gw a l l ,t h ec h a n g e so f b e n d i n gm o m e n t ,s h e a rf o r c eo nt h ea n t i s l i d ep i l ea n ds oo n 。 f i n a l l y ,b a s e do nc o n t r a s tt h en u m e r i c a la n a l y s i sr e s u l t sa n dt h er e s u l t sw i t h t h ec u r r e n tc o d e sa n dc o m b i n e dw i t ht h ei n v e s t i g a t i o n ,m a k e dr e c o m m e n d a t i o n s o nt h er e v i s i o no fc o d e 。 t h r o u g hp r a c t i c a le n g i n e e r i n gr e s e a r c h ,c o m b i n e dw i t hn u m e r i c a la n a l y s i s a n dc u r r e n tc o d e s ,s o m el a w sa b o u tt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o ni nt h ee a r t h q u a k e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s i t u a t i o nw e r eg o t t e n ,w h i c hh a ss o m er e f e r e n c ev a l u et ot h er e v i s i o no fa s e i s m a t i c d e s i g nc o d e s 。 k e yw o r d s :e a r t h q u a k e ;r e t a i n i n gw a l l ;a n t i s l i d ep i l e ;a s e i s m a t i cd e s i g n ; t i m eh i s t o r ya n a l y s i s 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 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名:而沛 日期: 2 。卜吁 指导棚签名:甩蒯 日期:锄l o 电器 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下: ( 1 ) 对地震灾区边坡工程设施进行广泛调研,总结分析调研资料,提出 各种支挡结构的震害程度和震害模式; ( 2 ) 分别选取重力式挡土墙,抗滑桩两种支挡结构,按现行规范进行抗 震设计计算,包括结构的受力分析、稳定性验算等; ( 3 ) 运用数值分析软件m i d a s g t s 对选取的两种支挡结构进行动力分析, 与现行规范的计算结果进行对比分析,再结合工程调研资料加以讨论。在此基 础上,对规范的修编提出建议。 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。 学位论文作者签名:而琉 日期:t o 午 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 课题研究背景 2 0 0 8 年5 月l2 日,在中国四川省汶川县发生了里氏8 0 级特大地震,其 震级之大,余震之多,破坏力之强,震惊世界。地震起始破裂点在汶川县映秀 镇的龙门山中央断裂,并在短时间内沿龙门山断裂带的中央断裂和前山断裂迅 速向北东方向破裂,形成长达近3 0 0k m 的破裂带【ij ,大地震波及四川省绝大 多数地区,造成的受灾范围非常之广【2 3 j 。地震震源深度约l4 k m ,属于浅源地 震,能量释放时间长达10 0 多秒【4 】。通往灾区的交通基础设施遭受巨大破坏, 给抗震救灾带来极大困难。据统计,重灾区县( 市) 主要公路全部瘫痪,主要铁 路、通信、水库和城镇也都遭受严重损坏。灾害共计造成的公路受损近2 8 万 k m ,其中高速公路近2 0 0k m ,国、省干线公路3 8 0 0 k m ,农村公路2 4 1 0 0k m 。 铁路上包括成灌铁路、广岳铁路、德天铁路、宝成铁路绵阳至广元段等9 条铁 路在此次地震中受损较严重【5 ,6 】。汶川地震是继唐山地震之后我国的又一个的 毁灭性地震。 本人参与了地震灾区的震害调研,通过现场调研发现发生在山区的地震对 边坡工程设施造成了很大破坏,初步统计在地震灾区已造成了大约一万多个震 害边坡。目前在岩土工程设施的抗震研究较为薄弱,规范制定相对简单,此次 特大地震为规范修编提供了大量数据,也是提高抗震计算水平的好机会。因此 选择汶川地震边坡工程设施震害分析课题开展研究。 1 1 1 汶川地震中路基工程的破坏情况 地震中受灾最严重的汶川县,北川县,青川县位于四川西部青藏高原东缘 的高山峡谷地区,有着山高谷深、地质条件复杂、断裂构造发育的地理特点。 在该地区路线多位于斜坡之上,存在大量深挖高填路基。地震对山区的路基工 程造成了严重的损毁,总结起来,主要有: ( 1 ) 岩土边坡受强震的作用,引发山体滑坡,崩塌造成道路阻断,或者 堵塞河道形成堰塞湖等。 ( 2 ) 填方路基,高填路基和斜坡路堤等,在地震惯性力的作用下,填料 震松,下滑力增大,引起整体下滑垮塌,造成线路断道。 ( 3 ) 在地震动荷载的作用下,原边坡路基的支挡防护工程失效、破坏。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 主要有路肩墙、路颦墙、路堤墙墙体外倾、变形奸裂,墙体鼓出、垮塌;抗滑 桩变形、移位;主动网松弛、撕裂、破坏;挂网喷混凝土层的整体下滑或崩裂、 脱空、垮塌;部分高陡边坡喷锚支护和预应力锚索喷锚拉断现象等。 这些地质灾害严重阻碍灾区道路交通,也对建筑物和人民生命财产构成了 极大威胁。圈1 - 1 ,图1 2 为大地震诱发的自然边坡滑坡照片,图卜3 ,图l 一4 为大地震对支挡结构的破坏。 图1 + i 碎裂岩体边坡堵塞7 交通图l 一2 崩塌的山体堵基河道形成堰塞湖 图i 一3 地震造成挡土墙剪出破坏图】4 桩间喷锚被破坏 112 汶川地震对抗震设计规范的改进作用 在过去的2 0 年州,发生过地震的国家或地区即使有抗震规范的,仍然产 生了大量的t 程震害,这说明既有的抗震规范是有缺陷需要改进的。破坏性地 震发生后,根据构筑物的破坏特点对规范进行修l h 这是抗震规范修订的通常 做法。因此必须重视汶川地震对新的抗震规范的制定和对现有规范修订的重要 性和时效性【6 】。溲川特大地震给我们造成了巨大的伤痛,同时也为抗震领域的 发展留下了宝贵的资料。总结起来,主要有 6 - s : ( 1 ) 利用救川地震实震资料町以对现行规范存存中的些空白领域提供 有利条件以填补相关规范的空缺。 由于缺乏9 度以上近场地麓资料,现行铁路、公路抗震设计规范均来考虑 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 9 度烈度以上地区路基工程的抗震设计。汶川地震中有31 4 4 k m 2 位子lo 度烈 度区,2 4 19 k m 2 位于1 l 度烈度区。在这些强震区分布有上大量的公路和铁路, 如位于震中附近的国道2 l3 线漩口至汶川段、省道3 0 2 线茂县至北川公路擂鼓 镇至禹里乡段、广岳铁路广济至岳家山段等因地震几乎全部损毁。这些近场区 公路、铁路工程的震害资料,对研究极震区的抗震设计技术提供了罕有的条件。 另一方面,随着我国经济、技术实力的增强,大批新型结构、新材料已开始应 用在道路工程中。如桩基托梁挡土墙上设加筋土路堤、预应力锚索抗滑桩等但 这些新型结构的抗震设计理论一般滞后于实践。在此次地震中,这些被破坏或 损坏的支挡结构是一个个真实的原型试验,而对实震表现结果的调查和收集必 将为今后支挡结构抗震设计规范的修订提供有价值的参考,可望填补对这些新 型结构抗震能力认识的空白。 ( 2 ) 利用汶川地震实震资料可以在现行规范的基础上,对其进行延展和 更新。 现行规范制定时,受当时科技水平的限制,规范的部分内容己落后于时代、 落后于地震工程科学技术的发展,有一定的局限性。通过汶川地震获得的新认 识可以对现有抗震技术更新,制定出更先进,成熟的理论和方法。例如现行规 范将一般填筑的高路堤划为易产生震害的地段。而在此次地震中采用土工格栅 加固的路堤,表现出明显优越的抗震性能,如都汶公路k l0 2 9 + 3 0 0 + 4 7 9 工点 路堤边坡,高达4 0 多米,位于友谊隧道附近。路堤修建时铺设了三组土工格 栅进行加固,坡面采用锚杆框架加固与坡面植被防护。该路堤经历了i x 度地 震作用后,震害轻微,仍基本保持稳定,这就提示我们,线路通过强震区时, 若地形条件允许,采用合理设计的路堤仍可以采取高填路基。 因此结合汶川地震灾区工程震害实例,分析地震造成的自然边坡和工程边 坡的破坏情况,对促进铁路、公路抗震设计规范的发展具有重要的科学价值和 现实意义。 1 2 支挡结构抗震设计研究综述 边坡抗震加固及土与结构动力相互作用机理问题的研究是岩土工程或土 木工程中的重要研究课题之一,许多学者致力于这一工作。目前主要的研究方 法有理论分析、数值计算和模型试验等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 1 理论分析 拟静力法是最早用于地震分析的方法,从19 世纪2 0 年代开始,就己用于 结构地震动力分析中1 9 】。19 7 0 年,在c o r n e l l 大学召开的第二届a s c e 土力学 专委会上,m o n o n o b e o k a b e 公式被推荐为挡土结构设计中关于侧向动土压力 计算的标准方法【1 0 】。以m o 公式为代表的拟静力方法将地震等动力作用等效 为静力作用,可以采用常规的静力稳定分析方法进行分析,极大地简化了对滑 动体在地震力作用下的破坏过程,计算和理论均较为简单,是各科研工作者最 常用的方法,各抗震设计规范大都以此为依据【1 1 ,12 1 。 s e e d 和w h i t m a n 【l3 】简化了m o 公式及相关解析关系式为给动荷作用的挡 土结构设计工作提供依据,设计者仅需知道填土的基本特征参数和地震动峰值 加速度值,就能利用现成的图表求得地震土压力。 在拟静力法中,地震所引起的惯性力被当作是一个恒定不变的量,而在实 际的地震作用过程中,地震动的幅值是变化的。为了克服拟静力法的不足, n e w m a r k 【1 4 】提出了滑块模型分析法,把允许位移作为一个设计标准,来进行挡 土墙的抗震设计。 国内的学者也针对支挡结构的抗震分析做了不少研究。李涛【l5 】针对于铁路 桥台,直接利用水平地震系数导出了地震土压力计算公式,避免了地震角的概 念,简洁实用。张建民【l6 】以任意侧向位移状态下静动土压力的理论和中间滑楔 概念为基础,给出了一个实用的地震土压力计算公式及相应参数的确定方法, 能简便地计算从主动到被动之间的任意中间状态下,包括静土压力分量在内的 地震时的土压力。陈学良、陶夏新【1 7 】利用广义库仑理论的相关概念,拓展了 m o 计算式,提出了考虑粘性土广义m o 计算公式。 相对于静力分析,动力研究方面所做的工作和取得的成果都还相对较少。 目前大部分研究都着重于刚性支挡结构的墙后动土压力分布,针对其它类型支 挡结构地震时受力特性理论分析还开展得不多。 1 2 2 数值方法 采用解析法虽然物理意义明确,但是不可避免的要对所研究的问题作许多 简化假设,而过分的简化有可能会失去实际意义但若考虑太多实际条件,计算 量又变得非常复杂和庞大。近年来,随着计算机的逐步发展,以往不可能靠手 工完成的工作现在已经能够依靠计算机的强大计算能力解决,在岩土工程领域 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 i 一一一一i i l l 一一 i 曼蔓曼! 兰曼曼曼蔓! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! 曼曼! 曼曼鼍量曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼曼 也是如此。不论是静力问题还是动力问题,目前都己有较为成熟的计算软件, 而且计算方法各异。目前,所采用的数值计算法主要有有限元法【l8 1 、有限差分 法【19 1 、离散元法【2 0 】等。 有关动力数值方法应用于挡土墙的抗震研究,国外学者在这方面研究的较 多。m a d a b h u s h i 和z e n g 等 2 1 - 2 4 1 结合离心机试验,采用剑桥模型模拟土体的非 线性反应,同时考虑孔隙水压力的影响,计算中采用了滑动单元模拟墙背和土 体的接触面,给出了数值实验的具体参数及实施步骤,并取得了较好的效果, 是现今较好的综合数值模拟方法之一。 国内也有不少学者在也这方面进行了一些研究。廖振鹏、陈学良【2 5 ,2 6 】等 人运用解耦近场非线性波动数值模拟方法研究挡土墙的地震反应,在分析无限 域近场波动问题中显示了极大的优越性;李澄宙【2 7 】对地震作用下的加筋土挡土 墙进行了有限元分析,并研制了加筋土挡土墙的有限元动力计算程序,对在地 震作用下的挡土墙的动力行为进行了分析计算,获得了一些有意义的结果。 1 2 3 试验研究 模型试验及现场地震调查等是建立数学模型和动力反应分析的基础,对分 析挡土墙地震反应特性,再现墙土体系的破坏失稳机制研究起着极其重要的作 用。 n a n d a k u m a r a n ( 19 7 5 ) 2 8 l 对三种挡土墙:高度为l m 的柔性和刚性挡土墙和 一个高度为2 m 的刚性挡土墙作振动台试验。从试验结果得出,动土压力作用 点的范围为:柔性挡土墙为0 4 8 h 到0 5 5 h ,而刚性挡土墙为0 3 6 h 到0 4 4 h 。 出于设计考虑,n a n d a k u m a r a n 建议对于刚性和柔性挡土墙,土压力的作用点 分别取o 4 5 h 和0 5 5 h 。 k a w a l n u l a 和k u r i b a y a s h i 2 9 1 对重力式挡土墙做了振动台试验,用来观察墙 体位移对墙后动主动土压力的影响。试验证明:动土压力的合力大小和作用点 位置与墙体移动的方式密切相关,是墙体重量和墙后填土密度的函数。 于玉贞等【3o 】于2 0 0 7 年利用动力离心模型试验研究了抗滑桩加固边坡地震 动力响应,分析了桩前动土压力和抗滑桩应变等,结果表明抗滑桩对周围土体 响应有一定阻滞作用,桩后动土压力随着地震输入而迅速增大至峰值,此后保 持稳定直至地震结束,抗滑桩弯矩最大值出现在抗滑桩下部。相比于国外,由 于试验技术的复杂性以及成本较高,在国内利用试验进行支挡结构抗震研究还 运用得较少。 通过在现场埋设试验设备,可以获得地震期间支挡结构变形和力学破坏机 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 制的实测资料,这对研究支挡结构的抗震无疑是最重要的。但由于地震发生的 不确定性,能获得抗震研究的原位观测资料很少,有关这方面的报导也很少。 近期地壳运动较为活跃,地震也时常发生,应及时对现场资料展开调研和分析, 提高抗震设计水平。 1 3 抗震设计规范的演变 1 3 1 国外抗震设计规范 19 7 0 年日本修订的铁路结构设计规范和铁路结构设计标准有关挡 土墙设计条文中,要求它在地震土压力下不发生破坏,使之在地震时既能防止 上部结构倾覆,又能保证不对所要求的功能带来重大影响。19 9 5 年阪神地震后, 大量传统挡土墙如砂浆砌筑毛石挡土墙、素混凝土挡土墙,及新型挡土墙如悬 臂式挡土墙等遭到严重破坏。日本重新审视其抗震设计规范,公路和铁路抗震 规范都做了较大的调整,给出了全面的抗震设计规范【3 。 印度建筑结构抗震设计规范【32 】中规定坝和堤、桥墩、混凝土或石砌重 力式和扶壁式挡土墙计算地震力时采用地震系数法或反应谱法进行分析。 美国l9 7 0 年圣费尔南多地震中许多公路桥遭受严重破坏,加速了桥梁抗 震设计方面的研究。在19 7 3 年美国颁布了桥梁抗震设计规范,并被公路运 输协会( a a s h t o ) 所采纳【3 3 】。19 7 5 年以后,美国对a a s h t o 规范进行了多次 修订,现收集到的最新版本a a s h t o ( 19 9 4 ) ,它在地震区划图、场地条件和 结构的重要性基础上规定了反应谱的表达式。重力式和半重力式挡土墙考虑等 效静力和挡土墙的惯性力;在估计侧向地震土压力时,忽略柔性悬臂式挡土墙 本身的惯性力【3 4 】,其方法逐渐由最初的m o 方法拟静力方法发展到允许位移 的抗震设计原则。 1 3 2 我国抗震设计规范【3 5 ,3 6 】 1 9 7 3 年的炉霍、19 7 5 年的辽宁海城和l9 7 6 年的河北唐山等几次破坏性大 地震后,在总结实震资料的基础上,我国铁路部门于19 8 7 年颁布了铁路工 程抗震设计规范( g b j l 11 8 7 ) ,为了与新修订的国家标准中国地震动参数区 划图( g b1 8 3 0 6 2 0 0 1 ) 相适应,2 0 0 6 年又颁布了铁路工程抗震设计规范 ( g b5 0 11 1 2 0 0 6 ) 。但因在此期间未获得我国大陆发生大地震实震资料的支持, 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 有关路基工程抗震设计计算的条文修订不大。 公路工程抗震设计规范颁布于l9 7 8 年,之后交通部通过专题研究及 国内外大量的震害经验总结,借鉴各国的规范中有关规定,结合我国具体情况, 进行反复讨论和修改,于19 8 9 年完成、颁布公路工程抗震设计规范 ( j t j 0 0 4 8 9 ) 并于1 9 9 0 年正式使用,至今已经使用1 9 年。 现行的铁路工程抗震设计规范( g b5 0 1 l1 2 0 0 6 ) 中规定,地震作用下, 结构的性能应满足三级设防的要求,即“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”。 三级设防的定义分别是:性能要求i :地震后不损坏或轻微损坏,能够保持其 正常使用功能,结构处于弹性工作阶段;性能要求:地震后可能损坏,经修 补,短期内能恢复其正常使用功能,结构整体处于非弹性工作状态;性能要求 i i i :地震后可能产生较大破坏,但不出现整体倒塌,经抢修后可限速通车,结 构处于弹塑性工作状态。在设计地震下,桥台,路基,挡土墙等构筑物的设 防目标应达到抗震性能要求i i 。 公路工程抗震设计规范( j t j 0 0 4 8 9 ) 也按照公路等级和所处地段制定了 三级设防要求,在本质上和铁路抗震规范中的三级设防定义基本一致。 规范中对作用在挡土墙上的地震力按静力法计算;作用于挡土墙上的地震 主动土压力按库伦公式计算时,公式中土的容重丫,土的内摩擦角缈和墙背与 填土间的摩擦角万按设计地震烈度对应的地震角加以修正。对挡土墙抗震验算 包括强度和稳定性两方面;挡土墙强度验算中涉及两个重要系数:综合影响系 数c z 和水平地震荷载沿墙高的分布系数甲i w 。c z 对峰值地震作用的折减较大, 岩石地基取o 2 0 ,非岩石地基取0 2 5 。 对于安全系数的标准制定,规范中规定抗滑动稳定安全系数不得小于1 1 ; 公路抗震设计规范中规定抗倾覆稳定安全系数不得小于1 2 ,铁路抗震设 计规范规抗倾覆稳定安全系数不得小于1 3 。 综上所述,在现行的抗震设计规范中,对路基、挡土墙和桥台等构筑物抗 震强度和稳定性验算,均采用静力法。但是静力法适合于刚性很大的结构,对 于柔性结构,不再适用。对于汶川地震中受损害的路基工程,除了重力式挡墙 等刚性结构外还有很多像锚杆框架地梁等的柔性防护结构,因此现行规范需要 补充和加强针对柔性结构的抗震设计。 随着我国的技术力量不断增强,越来越多的新型结构和新型材料运用到路 基工程中去,而规范中的抗震设计滞后于实践,在许多方面还是一个空白。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 i 一一一一i i i i i ii | i i i ii i i i ! 舅曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼 1 4 本文研究思路及主要内容 本文通过研究汶川地震中的边坡工程设施的震害情况,在地震灾区广泛调 研的基础上,利用理论计算和数值分析,对工程常用支挡结构进行计算分析, 结合调研的工程资料加以对比,找出与利用现行规范计算结果的不同之处,为 规范的修编提供参考。主要研究内容如下: ( 1 ) 对地震灾区边坡工程设施进行广泛调研,总结分析调研资料,提出 各种支挡结构的震害程度和震害模式; ( 2 ) 分别选取重力式挡土墙,抗滑桩两种支挡结构,按现行规范进行抗 震设计计算,包括结构的受力分析、稳定性验算等; ( 3 ) 运用数值分析软件m i d a s g t s 对选取的两种支挡结构进行动力分析, 与现行规范的计算结果进行对比分析,再结合工程调研资料加以讨论。在此基 础上,对规范的修编提出建议。 至窒耋塑奎兰至圭至窒兰兰篁篁塞矍! 至 第2 章汶川地震支挡结构震害分析 2 1 路堑边坡工程的震害分析 路堑边坡即开挖形成的边坡,对于”挖后不稳定的边坡则施加一定的加固 防护措施使之稳定。在地震灾区对于路堑边坡的加固防护措施有:预应力锚索 抗滑桩:挂网、锚杆加固再喷混凝上防护;锚索垫增加固再施加喷锚防护;预 应力锚索地梁或框架地梁加固:框架锚杆加固再旆加坡而植被防护。在坡脚设 置的防护性挡墙有:坡脚矮挡墙:浆砌条石或混凝上挡埔等等。各边坡工程的 麓害情况各具特色,相应的加固防护工程的破坏模式也不相同。 2 11 锚索( 杆) 加固边坡的震害分析 在地震灾区的边坡采用锚素( 卡t ) 加固的形式有:预应力锚索抗滑桩、锚 索垫墩加固再施加喷锚网防护、预应力锚索地粱或框架地粱加固;坡面挂网后 锚杆加固再喷混凝土防护( 以下简称喷锚网防护) 、框架锚幸1 = 加固再施加坡面 植被防护等。下面根据调研资料分析这些支挡结构加固的边坡工程震害情况。 硼 蒸 蘸 图2 一l 预压力锚索桩加固的边坡囤2 - 2 有无锚垫墩加固迫坡的震害对比 圉2 一l ,国2 2 的工程边坡位于紫坪铺水电站的进站公路上,距震t p 约 5 0 k m 。工程原设防烈度为度( 地震动峰值加速度为0l g ) ,根据汶川地震资料, 区域地震烈度为度( 地震动峰值加速度为03 9 ) ,地震烈度己超过结构物的设 防烈度。图2 1 的边坡工程,岩体破碎,开挖后自稳性很差,因滑坡推力大, 故采用预应力锚索桩加固,桩问采用喷锚防护。地震后没有发现破坏或丌裂现 象。图2 2 中,左边垮塌的边坡在震前是自然边垃,因当时认为岩体较好、坡 度较缓故没有采用加固工程措施,右边是采用锚垫墩加固和喷锚网防护的边 至童耋塑查耋堡圭塑至兰兰堡堡三里:! 至 坡。对比分析表明,自然边坡受害严重 囝 图2 - 3 预应力描索震害 困 但同样在在紫坪铺,有的工程边坡吐 大坝右前侧,采用锚垫墩加固和喷锚网翰 好,未出现坍塌破坏现象。但局部出现锚 索在锚头处拉断现象。图2 - 4 的边坡位于 框架粱和喷锚支护。地震时锚索框架粱娅 隆起、剪切和错位等破坏现象,而右侧 也癸j 而加固了的边坡基本稳定 一,一 图2 - 5 锚杆框架加固与植被防护的边坡囤2 - 6 锚索框架加固的迫坡采受损害 圈2 - 5 的边坡工程采用锚杆框架加固以及框架内满铺空心六棱砖的方法恢 复植被。该边坡位于龙洞子隧道左洞洞r n 段,其路基与大桥相连。可以看出地 震使桥台发生严重损坏,出现坍塌而且发生严重错位,但框架锚杆加固的边坡 没有受到破坏。图2 - 6 的边坡采用预应力锚索框架地梁加周框架内愀复植被。 该边坡位于旋口镇,地震后边坡仍保持整体稳定,坡体和框架结构基本完好, 仅在坡顶和坡体周边的框架梁上发现少量裂纹,但不影响其功能的发挥。 根据上述震害实例的分析以及整个地震灾区的调研资料看,采_ j 锚索( 杆) 地梁或预应力锚索抗滑桩加固的边坡,具有较好的抗震性能。其原因可能是打 入坡体内一定深度的锚索或锚杆,将抗滑桩或地粱与坡体牢牢地联系在一起而 形成一个整体。在强烈地震波作用卜,锚索( 杆) 、地粱或桩和边坡岩土体三 熬 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 者之h 的位移和变形能够较好地保持协调一致,因此发生破坏的可能性就根 小。在今后的边坡工程设计中,采取措施确保支挡结构与坡体的协调变形是很 关键的。 2 12 挡土墙的震害分析 地震灾区道路工程中修建的挡土墙有:坡脚矮挡墙;浆砌条石或混凝士挡 墙等。调研资料表明各类挡土墙的震害程度不同,下面结合实例加以分析。 a 挡土墙墙身开裂b 后邯土体挤压鼓胀破坏 囤2 - 8 策砌片石的挡土墙墙身开裂 图2 - 8 的浆砌片石挡墙位于囤道2 l3 映秀到波川段。图2 8 a 的挡墙受地震 作用,墙身从上部开裂并 q 下发展。图2 8 b 所示挡墙在地震中受墙后土体挤 压,在中部产生鼓胀裂缝。 堑雪兰塑玺茎堡三至耋兰兰堡篁圣矍! :至 a 桩板式挡土墙抗滑桩外倾b 路堑抗滑桩外倾位夥 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 一1 1 抗滑桩破坏情况 图2 1 1 a 是采用桩板式挡墙治理滑坡工点,在地震中抗滑桩发生外倾位移, 桩体出现了轻微裂缝,但整体基本完好,桩后滑坡也基本稳定,保证了道路继 续安全使用。图2 1 l b 路堑抗滑桩产生外倾位移,但同样也基本保持稳定,未 对道路正常使用构成影响”。 从对路堑挡墙的震害调查发现,浆砌挡墙受损较为严重,混凝土挡墙支挡 效果较好,但容易产生剪切裂缝,采用桩板墙支护的效果最好。目前挡土墙的 抗震设计规范中,在骑算路基和挡土墒的抗震强度和稳定性,只考虑垂直路线 走向的水平地震荷载。地震荷载应与结构重力、上的重力和水的浮力相组合, 其它荷载均不考虑。当墙高大于1 2 m 时,考虑一个大于1 的水平地震荷载沿墙 高的分布系数。上述的实例分析表明,现行规范中的这些舰定也是基本正确的, 但也指出今后挡上墙的设计还应考虑的问题,例如在地震区浆砌块石的挡墙应 提高水泥砂浆的标号:挡墙的端头是地震时的薄弱环节,其后部的土体应填筑 密实,使墙与土形成整体。 2 i3 坡脚墙的震害分析 对于稳定的边城一般不进行加固和防护但要在坡脚修建坡脚墙作坡脚防 护。这类挡墙的破坏 _ = 待受到路而和边璃破坏的影响。下而结合实例加以分析 , 查建蠹重复隰” - a 路面发生开裂但坡脚墙完好无掘b 路面板隆起但坡脚墙完好无损 图2 12 坡脚墙震后基本完奸的情况 图2 1 0 是2 13 国道靠近都江堰段,图2 1 0 a 的混凝土路面已发生严重开裂, 但浆砌块石的坡脚墙震后却基本完好,仅在墙面出现少量零星裂缝。在图2 1 0 b 中,地震时凶路基士体压缩并产生水均匀变形使路面的混凝土面板受到严重挤 压使混凝土面板从伸缩缝处隆起架空,隆起高度约5 0 c m 。坡脚墙是用混凝 土块砌成的,尽管路面发生了严重破坏,但是巨大的地震力却没有造成坡脚墙 发生破坏。 至里圣堡奎兰堡圭塑塞兰兰堡堡圣塞! ! 圣 a 垃脚墙坍塌b 坡脚墙断裂 囤2 一】3 坡脚墙受到破坏的情况 圄2 一l3 的边坡工程l 临近北川县城。图2 1 3 a 中,因断层错动使公路断裂, 边坡坍塌阻断道路。固龙门山中央断层逆断上盘( 照片左侧断层北西盘) 相对 抬升,下盘( 照片右侧断层南东盘) 相对下降,使公路错段拾升,高差达4 m 二: 右。抬升处的坡脚墙发生严重坍塌,但末抬升处( 照片远处) 的坡脚墙的损坏 不严重。图2 13 b 中,地震造成路血隆起折断,形成密集的地裂缝。断裂的刚 性路面,形成宽约15 3 0 c m 的裂缝。此时低矮的坡脚墙也不能幸免于难,也髓 之发生断裂,形成宽约05 m 的裂缝。 以上震害分析表明:施加了丁程措施的大多数岩土边坡,在这次地震中受 害不严重,基本保持稳定。发生了破坏的边坡经整修后仍可使用。这些工程结 构的抗震性能也各不相同,总体而言,预应力锚索地粱或框架地梁、框架锚杆、 预应力锚索抗滑桩等结构加同的边坡,其抗震性能较好,挡墙特别是浆砌挡墙 和高挡墙,其抗震性较差。 2 2 路堤边坡工程的震害分析 路堤边坡即是在低洼处用土质填筑一定高度而形成的边坡,_ = i j 了确保边坡 稳定需要设置支挡结构,例如锚杆框架结构、挡土墙等。在河岸边或地下水丰 富的沙质地层上填筑路堤时,在强地震力作用f 会发生沙土液化现象,从而造 成路堤边坡失稳。本节将结合地震灾区的路堤边坡震害现象,分析用支挡结构 加固的边坡的震害和沙土液化现象所造成的破坏。 221支挡结构加固的路堤边坡的震害分析 地震灾区的路堤边坡采用支挡结构加崮与防护的r 程措施有:框架锚杆加 固再施加坡面植被舫护、浆砌片石挡墙、加筋土挡墙、锚杆挡墙等等。下面分 至霍圣塑奎耋至圭墼圣兰耋堡堡三圣! :里 别对这些工稃边坡的震害加以分析。 圈2 1 6 泉砌块石挡墙外倾锆住图2 一】7 衡重式挡墙外倾 图2 1 6 ,图2 、1 7 的路肩墙都位于国道2 1 3 。图2 一1 6 所示路肩墙由浆砌片 石挡墙和混凝土挡墙维成,震后混凝土挡墙基本稳定但浆砌j 五挡土墙墙墙身 发生外倾错位。图2 一1 7 采用街重式路肩墙m 1 ,震后挡墙r 部外倾与路基脱开, 正在加固修复。 彗要茎堡奎兰至圭竺至兰兰堡篁塞篷! ! 至 瞄2 2 0 加筋土挡培发生沉降变形图2 - 2 1 加筋土挡墙外倾错位 例2 2 0 的高填路堤位于2 13 国道上都江堰至映秀段,采用的是加筋土路 肩挡墙图中显示路堤中部挡墙地基出现较大沉降变形,致使道路路肩挡墙出 现不均匀沉降,但经过抢修,道路可继续使用。图2 2 l 所示加筋土挡墙f 3 8 1 在 地震中基本保持完好,只有轻微的外倾错位,没影响其继续使用。 分析路堤边坡的调研资料表明,在填筑时若铺设丁土工格栅或施加r 加筋 材料的路堤边坡工程具有较好的抗震性能,但对加筋挡土墙需注意防止由于地 震造成地基承载力不足。般填筑的路堤特别是高路堤,其抗震性能较差。因 此,在线路通过强震区,需要修筑高路堤时,应合理设计。聚j _ i 土t 合成材料 或者加筋等措施以保证工程安全。 222 沙土液化和软土地基震陷造成的道路边坡损坏 现有的公路、铁路抗震设计规范规定液化土层和软弱土层不宜直接用做路 基和构造物的地基,要在这两类土层上填筑路基时,应根据具体情况采取适当 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 措施,例如换土、反压护道、降低填土高度等o l3 6 1 ,规范还给升 了地基土液化 的判别方法。尽管如此现有规范难以为考虑沙土液化问题的道路边坡工程殴 计提供可操作性的条文,这次汶川地震震害凋研资料表明,此类工程问题也是 较为突出的。f 面结台一些工稗实例加以分析。 嘭;,。譬;i b h、 ,蚶 图2 - 2 2 河岸边路肩墙坍塌图2 2 3 采用浆砌块石挡墙的坡体滑移破坏 罔2 2 2 的路段位于2 13 国道上近映秀镇处,道路侧边是岷江支流,l 临河 侧的路堤边坡尽管设置了较为坚周的混凝土路侑挡墙,但坡脚位j t 沙层地段, 地震造成坡脚沙土液化,挡墒严霞坍塌,路基发生较大程度的破坏,引发路面 出现很大的沉降,破损极为严重。罔2 2 3 是汶川i 县庙子坪一处河谷路堤边坡, 坡体属于第四系冲洪积物坡脚处为沙质性底层,地下水位高。在地震力作用 下发生沙十液化现象,使坡脚失稳,造成下部捎墙和上部为锚丰t 框架地粱破坏, 撮终发生坡体滑坡。 通过上述的实例可以看出,在一定条件i - ,道路工程边坡确实存在沙十液 化现象,沙土液化造成的边坡t 程破坏是搬严重的。现有规范规定填筑路堤前 要判断地基是否会发生沙上液化,液化土层和软弱枯性土层不宜卣接用做路基 和构造物的地基,寺难以避免时,应探明其埋藏和分布情况并按有关规定采取 适专措施,例如换士、反压护道、降低填1 。高度等。上述实例分析表明这些规 定原则上是正确的,但也宵值得今后考虑的问题。其一,对于有。定高度的路 堤,其边坡垃脚地基若是富含水的沙质地层,在强烈地震作用下,坡脚会首先 失稳,诱发路堤边坡破坏,从而诱发路面发生严重破坏:其二,叩使足低矮的 路堤边城,若是地基或填筑体是富台水的沙质地层或软弱粘性地层,也会劂坡 脚沙土液化或震陷造成路基路面的破坏。因此,除了按照现行规范重视判断地 基土是否液化外,还应重视路堤边坡坡脚处的地基土液化问题,对于位于河岸 或富含水的低洼沙质土或软粘土地带,应对路基特别是路堤边坡进行特殊处 理,防止发生沙土液化或震陷现象。 至里圣塑奎耋堡圭至塞兰兰堡篁圣量! ! 至 23 隧道边、仰坡的支挡结构震害情况 隧道洞口的边、仰坡,在地震力作用下边坡与这些工程结构是相互作用的, 一般情况下,边坡的稳定性对隧道结构的影响很大,这次地震灾害中,宵多处 隧道的洞口边坡发生了落石崩塌或者滑塌;护坡,挡土墙等支挡结构出现裂 缝、断缝、倾斜、滑动、下沉等病害。 囤2 2 6 毛家湾隧道 图2 2 7 龙嗣子隧道 图2 2 6 的毛家湾隧道位于都汶高速公路,隧道洞口附近的边坡崭体较为 破碎,在地震力作用下坡体发生严重滑移掩埋了洞口和路基路面,边坡上设 置的主动防护网被损毁。图2 2 7 为龙洞子隧道汶川i 端洞口,商陡边坡产生滑 塌和崩塌,使防护结构全郝损坏。右洞洞门被崩滑体掩埋;左洞洞门端墙7 1 。裂 掉在洞门骑的巨大滚石严重妨碍交通。 至霍耋鎏奎耋至耋堡垂兰茎堡堡塞鍪! ! 至 黑黼 图2 2 8 龙池隧道 圈2 2 9 紫屏铺隧道 图2 - 2 8 是龙池隧道洞门及其边、仰坡的情况,该 | 司口段采用喷锚防护, 存震后仍基本保持完好,茂盛的植被也末受到破坏。图2 2 9 是紫屏铺隧道, 原洞项边坡采用喷锚和预应力锚索地梁加固及植被防护,震后防护_ 【= 程来见严 章损坏,但地粱及地表开裂现孽较为普遍,左侧未加固部分局部有坍塌。 上述分析表明,采用采用锚杆框架或锚索地粱加固的隧道仰坡

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