地震作用下路基工程破壞機理及抗震技術研究.pdf

1、汶川地震造成了震區(qū)路基工程的大量損毀，為西部高烈度山區(qū)擬建中的道路與鐵道工程敲響了警鐘。路基工程震后修復措施、地震作用下土體損傷效應及路基工程抗震技術，已成為當前亟待解決的關鍵科學問題。
　　 本文基于汶川震區(qū)實震調查資料、大型振動臺模型試驗和數值計算，研究了地震及地震序列作用下路基土體的損傷、變形效應以及基于動力特性和變形控制的路基工程抗震加固技術。主要工作及研究結論如下：
　　 (1)對都江堰-映秀公路全線掛網噴砼防

2、護削方邊坡和人工填筑路堤震害進行了調查分析，發(fā)現掛網噴砼防護邊坡和路堤等具有側向臨空面的土體地震變形破壞表現為震陷和滑塌，而路肩墻工程由于墻體的側向約束，填料的地震變形表現為震陷變形和下陷、隆起交錯變形(即凹凸變形)。震陷率和凹凸變形幅值均隨地震烈度增加而增大，且均服從正態(tài)分布。上邊坡震害受平面線型程度影響較大，位于直線段、凹曲線側和凸曲線側的邊坡震害程度依次遞增。經路堤(側向臨空模型)和層狀填料(側向約束模型)振動臺模型試驗驗證，試驗

3、結果與現場調查一致，且揭示土體由震陷向凹凸變形轉化的峰值加速度閾值約為0.6g。
　　 (2)利用振動臺模型試驗，重現了中震-大震序列(即前震-主震型)和大震-中震(即主震-余震型)序列地震動對路堤的作用過程及路堤本體的損傷發(fā)展過程。試驗現象和參數損傷識別結果均表明，大震-中震序列對模型的損傷程度遠比同量級中震-大震序列對模型的損傷程度要大。試驗中對應于峰值加速度0.616g的地震原波，大震-中震序列對降低模型自振頻率的作用比相

4、應中震-大震序列高16.02％，大震-中震序列對增加模型阻尼比的作用比相應中震-大震序列高38.66％。大震-中震作用下，由于大震首先造成了土體的內部損傷，中震作用下使其結構損傷進一步積累，從而造成土體的破壞。中震-大震序列作用下，由于中震下土體結構的壓實、固結過程，減低了其在大震作用下的敏感度，使得其自振頻率變化及土體的損傷變形趨于平緩。
　　 (3)通過震害調查、振動臺模型試驗和有限差分動力強度折減法對地震作用下邊坡的破壞模

5、式、破壞機理以及滑面特征進行了分析。發(fā)現與僅由剪切帶組成的重力下滑面不同，邊坡在地震作用下的動力下滑面由上部拉裂縫和下部剪切帶共同組成。動力下滑面深度隨著峰值加速度的增加而增加。距坡頂5m范圍內，當地震波峰值加速度PGA=1 m/s2時，動力下滑面比擬靜力下滑面淺約1 m；當地震波峰值加速度PGA=10m/s2時，動力下滑面比擬靜力下滑面深約2m；當地震波峰值加速度PGA=2m/s2時，動力下滑面與擬靜力下滑面深度相當?；谝陨险J識，提

6、出了邊坡工程抗震設計的重點是防止坡項張拉裂縫的形成，震后次生山地災害防治的重點在于抑制頂部張拉裂縫的擴展。因此，張拉裂縫距坡面的深度是邊坡上部加固工程設計的關鍵。
　　 (4)對汶川地震近場區(qū)路堤震害進行了調查，發(fā)現路堤震害以邊坡上部拉裂、下部鼓張這種變形破壞模式為主，而高路堤在強震作用下仍然基本保持完好。利用振動臺模型試驗及數值模擬發(fā)現：加速度和動剪應力在路堤中上部增量最大、數值最大，且其最大值所在部位與拉裂縫出現部位基本一致

7、；動土壓力和位移在護坡道上方達到最大值，最大值部位與鼓張裂縫出現部位基本一致；張拉裂縫、鼓張裂縫均出現在距坡面3m深度范圍內，表明路堤損害是一種淺表層震害模式。通過動力數值計算，發(fā)現不同高度的路堤PGA放大系數形態(tài)呈現三種類型：沿程單調遞增形態(tài)(h≤10m)、隨高程增加而增加→衰減→增加的“三段形態(tài)”(h>20m)、以及介于前二者之間的過渡形態(tài)(10m

8、　　 (5)為研究路堤工程的抗震設計問題，通過對汶川8.0級地震震區(qū)路堤震害進行調查，發(fā)現強震作用下未加筋路堤存在邊坡坍塌和路面拉裂兩種震害模式，而中上部鋪設了土工格柵的路堤在強震作用下仍然基本保持完好。利用振動臺模型試驗，發(fā)現路堤頂部鋪設長筋，可以阻斷路面張拉裂縫向下擴展，從而防止了路堤本體滑坡的形成；路堤中上部鋪設短筋，可以抑制坡面土體的側向變形，從而防止了路堤坡面滑塌。針對路堤常規(guī)加筋方案，提出了路堤中上部鋪設短筋的加筋抗震優(yōu)化

9、設計方法。利用有限差分動力強度折減法，分別對常規(guī)加筋模型和加筋優(yōu)化模型的抗震性能進行了計算。計算結果表明，優(yōu)化設計以后，筋材用量減少了23.1％，路堤最大地震位移減小了19.0％，土工格柵最大受力減小了14％。優(yōu)化設計不僅減少了土工格柵用量，而且達到了抑制邊坡變形、提高路堤抗震性能的效果。
　　 (6)對汶川地震震區(qū)公路沿線巖質邊坡進行震害調查表明，路塹巖質邊坡震害可分為孤石崩塌和關鍵塊體失穩(wěn)引發(fā)的連鎖破壞兩種類型。關鍵塊體的識