地震作用下路基工程破壞機(jī)理及抗震技術(shù)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(fù)措施、地震作用下土體損傷效應(yīng)及路基工程抗震技術(shù)，已成為當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。
　　 本文基于汶川震區(qū)實(shí)震調(diào)查資料、大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)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(yīng)以及基于動(dòng)力特性和變形控制的路基工程抗震加固技術(shù)。主要工作及研究結(jié)論如下：
　　 (1)對(duì)都江堰-映秀公路全線掛網(wǎng)噴砼防

2、護(hù)削方邊坡和人工填筑路堤震害進(jìn)行了調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)掛網(wǎng)噴砼防護(hù)邊坡和路堤等具有側(cè)向臨空面的土體地震變形破壞表現(xiàn)為震陷和滑塌，而路肩墻工程由于墻體的側(cè)向約束，填料的地震變形表現(xiàn)為震陷變形和下陷、隆起交錯(cuò)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(cè)和凸曲線側(cè)的邊坡震害程度依次遞增。經(jīng)路堤(側(cè)向臨空模型)和層狀填料(側(cè)向約束模型)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)

3、結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查一致，且揭示土體由震陷向凹凸變形轉(zhuǎn)化的峰值加速度閾值約為0.6g。
　　 (2)利用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，重現(xiàn)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(dòng)對(duì)路堤的作用過程及路堤本體的損傷發(fā)展過程。試驗(yàn)現(xiàn)象和參數(shù)損傷識(shí)別結(jié)果均表明，大震-中震序列對(duì)模型的損傷程度遠(yuǎn)比同量級(jí)中震-大震序列對(duì)模型的損傷程度要大。試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)于峰值加速度0.616g的地震原波，大震-中震序列對(duì)降低模型自振頻率的作用比相

4、應(yīng)中震-大震序列高16.02％，大震-中震序列對(duì)增加模型阻尼比的作用比相應(yīng)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(nèi)部損傷，中震作用下使其結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)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(jié)構(gòu)的壓實(shí)、固結(jié)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(diào)查、振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)和有限差分動(dòng)力強(qiáng)度折減法對(duì)地震作用下邊坡的破壞模

5、式、破壞機(jī)理以及滑面特征進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)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(dòng)力下滑面由上部拉裂縫和下部剪切帶共同組成。動(dòng)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(nèi)，當(dāng)?shù)卣鸩ǚ逯导铀俣萈GA=1 m/s2時(shí)，動(dòng)力下滑面比擬靜力下滑面淺約1 m；當(dāng)?shù)卣鸩ǚ逯导铀俣萈GA=10m/s2時(shí)，動(dòng)力下滑面比擬靜力下滑面深約2m；當(dāng)?shù)卣鸩ǚ逯导铀俣萈GA=2m/s2時(shí)，動(dòng)力下滑面與擬靜力下滑面深度相當(dāng)?；谝陨险J(rèn)識(shí)，提

6、出了邊坡工程抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是防止坡項(xiàng)張拉裂縫的形成，震后次生山地災(zāi)害防治的重點(diǎn)在于抑制頂部張拉裂縫的擴(kuò)展。因此，張拉裂縫距坡面的深度是邊坡上部加固工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
　　 (4)對(duì)汶川地震近場(chǎng)區(qū)路堤震害進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)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(qiáng)震作用下仍然基本保持完好。利用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：加速度和動(dòng)剪應(yīng)力在路堤中上部增量最大、數(shù)值最大，且其最大值所在部位與拉裂縫出現(xiàn)部位基本一致

7、；動(dòng)土壓力和位移在護(hù)坡道上方達(dá)到最大值，最大值部位與鼓張裂縫出現(xiàn)部位基本一致；張拉裂縫、鼓張裂縫均出現(xiàn)在距坡面3m深度范圍內(nèi)，表明路堤損害是一種淺表層震害模式。通過動(dòng)力數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)不同高度的路堤PGA放大系數(shù)形態(tài)呈現(xiàn)三種類型：沿程單調(diào)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(shè)計(jì)問題，通過對(duì)汶川8.0級(jí)地震震區(qū)路堤震害進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)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(shè)了土工格柵的路堤在強(qiáng)震作用下仍然基本保持完好。利用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)路堤頂部鋪設(shè)長(zhǎng)筋，可以阻斷路面張拉裂縫向下擴(kuò)展，從而防止了路堤本體滑坡的形成；路堤中上部鋪設(shè)短筋，可以抑制坡面土體的側(cè)向變形，從而防止了路堤坡面滑塌。針對(duì)路堤常規(guī)加筋方案，提出了路堤中上部鋪設(shè)短筋的加筋抗震優(yōu)化

9、設(shè)計(jì)方法。利用有限差分動(dòng)力強(qiáng)度折減法，分別對(duì)常規(guī)加筋模型和加筋優(yōu)化模型的抗震性能進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)不僅減少了土工格柵用量，而且達(dá)到了抑制邊坡變形、提高路堤抗震性能的效果。
　　 (6)對(duì)汶川地震震區(qū)公路沿線巖質(zhì)邊坡進(jìn)行震害調(diào)查表明，路塹巖質(zhì)邊坡震害可分為孤石崩塌和關(guān)鍵塊體失穩(wěn)引發(fā)的連鎖破壞兩種類型。關(guān)鍵塊體的識(shí)