预应力锚索桩板墙地震响应的振动台试验研究

作为一种轻型支挡结构,预应力锚索桩板墙具备安全、可靠、造价低等优势,汶川地震也证明了它具有良好的抗震性能。但由于此结构体系的受力复杂,目前一系列基础研究问题仍没有解决,理论研究远落后于工程实践,特别是在抗震设计理论研究方面。通过最直接的室内研究手段——大型振动台试验对预应力锚索桩板墙进行了地震响应研究,输入加速度时程选取卧龙台站实测水平向和竖直向地震波,并按相似比处理,测试了桩身6个高度位置的地震土压力、2个高度位置的位移、边坡中5个高度位置的加速度以及锚索预应力的时程变化。试验结果揭示了预应力桩板墙在地震作用下的土压力分布规律、桩身位移和锚索预应力的地震响应特征以及加固边坡的动力特性和加速度放大效应,为深入了解预应力锚索桩板墙的抗震表现和抗震机理提供了可靠的依据。     

不同布锚角度锚索抗滑桩抗震性能的离心振动台试验对比

预应力锚索是预应力锚索抗滑桩的重要组成部件,但其布设角度对预应力锚索抗滑桩抗震性能的影响尚不清晰。鉴于此,设计并完成了考虑锚索水平布设和倾斜布设的两组离心振动台模型试验,对比分析了不同布锚角度时坡体地震变形和加速度放大特征以及桩-锚结构的受力特性,揭示了布锚角度变化对锚索抗滑桩-坡体体系抗震性能的影响规律。结果表明,不同布锚角度时锚索锚固点附近坡体均存在加速度异常放大现象,放大系数随输入地震动强度增加而增大;倾斜布锚时坡体沉降幅度和加速度放大程度明显减小;倾斜布锚有利于改善桩身的地震受力,桩身峰值动弯矩和动土压力相比水平布锚时显著降低;倾斜布锚可以有效减缓锚索内力的增长,降低桩-锚-坡体体系地震失效的风险。     

悬臂抗滑桩加固堆积型滑坡地震响应离心模型试验研究

为研究悬臂抗滑桩加固堆积型滑坡的地震响应、抗滑桩桩后动土压力和桩身弯矩分布规律,设计完成50倍重力加速度条件下的悬臂抗滑桩加固堆积型滑坡离心振动台模型试验。试验过程中,采用汶川地震清溪台站反演的基岩波作为基底输入,不断增大输入地震波的幅值,通过监测滑坡不同位置加速度响应、抗滑桩桩后动土压力和桩身应变研究不同强度地震动作用下悬臂抗滑桩加固堆积型滑坡的抗震性能。试验结果表明:滑坡土体中加速度响应随高程增加而增大,趋于坡顶时放大效果最大,具有明显的高程放大效应,而滑坡坡面处呈现浅表放大效应;抗滑桩加固使滑体土体响应受到一定限制;桩后动土压力随着地震动的输入迅速增大至峰值,此后保持稳定形成残余动土压力作用于抗滑桩上;抗滑桩各截面动弯矩呈现出凸形分布规律,弯矩最大值出现在基岩面附近处;桩后动土压力和桩身动弯矩均随着地震动强度的增大而增大。所得到的成果为边坡悬臂抗滑桩抗震设计提供良好的基础。     

抗滑桩加固边坡地震响应离心模型试验

为研究抗滑桩加固边坡的地震响应和桩土相互作用规律,利用土工离心机及专用振动台进行了砂土边坡的动力离心模型试验。在50g离心加速度条件下,输入El Centro地震波,记录了边坡不同位置的加速度时程并作频谱分析,采集了桩前动土压力和抗滑桩应变等。结果表明:边坡的地震动力响应自下而上逐渐放大;抗滑桩对周围土体响应有一定阻滞作用;桩前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;抗滑桩各截面弯矩的变化规律与动土压力类似,弯矩最大值出现在抗滑桩下部。     

下伏基岩堆积体边坡抗滑桩加固前后地震响应特征离心模型试验

 为研究抗滑桩加固上覆堆积体--下伏基岩二元结构边坡的抗震机制,开展2组1∶50比尺的离心振动台模型试验,以对比分析下伏基岩堆积体边坡在抗滑排桩加固前后的地震响应特征与抗滑桩的桩身弯矩分布规律。试验时,输入4级加速度峰值连续增大的El Centro波,监测边坡模型坡面与坡体内的加速度响应、坡顶沉降变形以及抗滑桩上静、动弯矩的分布。试验结果显示由于抗滑桩抑制了上覆堆积体的下滑,坡顶的加速度峰值(PGA)放大系数、加速度反应谱以及竖向沉降变形均有不同程度的降低。抗滑桩一方面加固了上覆堆积滑体另一方面在坡体内产生了地震波的反射叠加效应,使得边坡水平响应加速度放大系数出现了桩前增大桩后减小的现象。下伏基岩堆积体边坡坡顶沉降与Arias烈度在抗滑排桩加固前后均具有良好的正相关线性关系。地震荷载作用过程中抗滑桩动力响应弯矩变化幅值明显大于地震作用后的静弯矩增量,且静弯矩与动弯矩变化幅值的分布均在基岩面附近达到峰值,易在基岩面附近造成抗滑桩的破坏,类似工况下抗滑桩的抗震配筋设计应充分考虑这一特点。     

双排桩加预应力锚索加固边坡锚索轴力地震响应特性研究

利用大型振动台,设计并进行了双排抗滑桩加预应力锚索加固边坡的模型试验,试验结果表明:锚索轴力的变化体现了坡体稳定性的发展过程,小震作用下锚索并未开始工作,在地震的扰动下所有锚索均出现预应力损失。随着输入地震波强度增大,坡肩部分出现局部失稳,锚索开始受力导致轴力增加,直至边坡整体出现失稳趋势,所有锚索均开始受力引起轴力增加,随后边坡与锚索形成新的平衡体系。在新的平衡体系下,锚索轴力在地震扰动作用下继续降低。试验中最大锚索预应力损失比例为16.28%,因此锚索预应力施加初始值应为设计值的1.2倍左右。坡腰抗滑桩以上#2锚索动态响应峰值较大,坡腰抗滑桩与坡脚抗滑桩之间7号锚索轴力动态响应峰值较大,#4,#5,#6号锚索轴力动态响应峰值随高程增加而增大。同一工况下坡面所有锚索轴力的动态响应峰值出现时间接近,且锚索轴力的动态响应峰值出现时间随着输入地震波强度的增大而提前,锚索轴力动态响应峰值出现时间在激励地震波的峰值时间附近。在预应力锚索抗震设计时应采用"分区设计"的思想,即根据不同区域内锚索的动态响应特征对边坡拟加固区域进行锚索设计分区,在不同分区内做针对性的锚索设计。     

高路堤预应力锚索桩板墙承载特性分析

以昆明—曼谷国际公路k70路堤加固工程为背景,采用原位测试方法,完成了不同工况下预应力锚索桩板墙承载特性的现场试验。通过观测结构位移、土压力、桩身内力以及锚索预应力等,系统分析了预应力锚索桩板墙的受力特性与力学行为。锚索桩板墙对高路堤的加固效果显著,填筑初期结构位移随填土高度线性增加,锚索施工后增速有所减缓;初始填筑阶段,抗滑桩变形以刚性倾斜为主,随着锚索张拉和桩后填土不断增高桩身产生了较为明显的弯曲变形。作用在抗滑桩后的土压力大致呈三角形分布,板后土压力大致呈抛物线型分布;相同埋深条件下作用在抗滑桩上的土压力明显大于挡板,原因在于相邻抗滑桩间产生了明显的土拱效应,下部相邻抗滑桩间的土拱效应更强;与解析解的对比结果表明,实测最大桩后土压力与滑坡推力接近,远小于被动土压力;实测板后土压力与主动土压力接近,工程设计中可选取Rankine主动土压力作为挡板的设计荷载,在不利位置采取增大板厚等措施避免挡板发生破坏。采用弹性弯曲梁理论对锚索桩板墙内力计算的结果与实测结果基本一致。张拉锁定初期锚索预应力损失较大,约为设计荷载的10%,后期锚索预应力逐渐趋于稳定,锚索预应力长期损失约为设计荷载值的12%~15%。     

地震作用下边坡预应力锚索振动台试验研究

为研究边坡预应力锚索在地震作用下的动力响应,采用振动台进行预应力锚索支护岩质边坡模型试验。模型试验相似关系依据重力相似律及量纲分析法推导。输入Wolong,El Centrol,TAFT三种地震波,监测锚索轴力、坡面加速度和位移时程,研究预应力锚索轴力和预应力损失在地震作用下的动力特性、边坡在锚索支护下的整体稳定性。结果表明:不同地震作用下,锚索的轴力和预应力损失动力响应不同,试验中锚索的预应力损失最大达15.7%,随着输入地震波峰值的增大,锚索预应力损失呈先增大后减小的趋势,达到临界值后,不再发生预应力损失。建议预应力锚索抗震设计时,施加的预应力应该达到预应力设计值的1.1～1.2倍,高于静力情况下的值。该研究结果可为更加合理的进行边坡预应力锚索抗震设计提供良好的基础。     

锚索抗滑桩地震响应的离心振动台模型试验研究

 锚索抗滑桩的抗震性能是建立和改进其抗震设计方法的基础。为深入理解其抗震性能,以汉源背后山堆积型滑坡锚索抗滑桩加固工程为参考原型,采用能实现原型仿真的50 g离心振动台模型试验,输入不同峰值的汶川地震清溪台基岩波作为基底激励,利用布设的不同类型传感器,记录锚索抗滑桩加固堆积型滑坡体的加速度、桩身弯矩、桩土间的动土压力和锚索轴力全过程的时程数据,揭示不同峰值的地震动作用时加固滑坡体加速度、抗滑桩弯矩、桩土间的动土压力和锚索轴力的定量化响应规律,为验证和发展锚索抗滑桩的抗震设计理论、数值模拟方法、厘清抗震加固机制及破坏模式提供翔实的资料。     

预应力锚索抗滑桩滑坡防治结构的动力计算方法研究

为了研究地震作用下预应力锚索抗滑桩新型滑坡防治结构的工作机理和动力计算方法，根据锚索抗滑桩与土体的实际动力相互作用工作机理，基于达朗贝尔原理和符号函数，将受荷段和嵌固段分别简化为两段均匀的弹性连续地基梁，并考虑受荷段桩前后土体地基抗力的差异性，建立了预应力锚索抗滑桩滑坡防治结构的动力计算模型，给出了分段的预应力锚索 抗滑桩-土体体系协同工作的水平地震动力运动方程，并进行了地震响应分析。最后，将提出的方法应用于实际工程，并与数值模拟进行了对比，二者吻合较好，说明提出的方法是实用、可靠的。结果表明：在地震荷载作用下加速度放大系数沿桩高逐渐增加，在桩顶附近放大最明显；抗滑桩向坡体外和坡体内运动时的位移峰值不对称，向坡体外侧运动时的位移峰值明显大于向坡体内侧运动时的位移峰值；抗滑桩桩身分布的剪力和弯矩呈现出“上下小、中间大”的分布，弯矩最大值出现在滑面附近，剪力最大值在滑面位置。     

地震作用下桩间挡土构件主动土压力极限分析方法

地震作用下抗滑桩或支护桩之间挡土构件的土压力计算是工程技术人员面对的难题之一。根据一系列试验现象归纳出的桩间土体滑塌面特点,建立了桩间挡土构件后侧土体局部失稳的三维滑动楔形体模型。通过计算三维失稳机构的内部能量耗损率和外荷载功率,根据极限分析上限定理建立了能够考虑地震作用的桩间挡土构件主动土压力解析计算方法。将桩间挡土构件土压力计算结果与等尺寸刚性挡墙土压力对比发现,基于三维楔形体模型得到的挡土构件主动土压力小于采用平面应变模型的挡墙主动土压力。通过分析多个水平和竖直地震加速度组合对应的桩间挡土构件主动土压力发现,水平地震加速度与竖直地震加速度对桩间挡土构件主动土压力均有明显影响,同时考虑双向地震作用得到的挡土构件主动土压力大于单独考虑水平或竖直地震作用时的挡土构件主动土压力。     

有限元法分析抗滑桩的适用条件

预应力锚索抗滑桩作为治理滑坡的主流措施,由于其改变了普通抗滑桩不合理的悬臂受力状态,大幅度地减小了桩身弯矩、桩截面及埋深,近二十年来得到广泛的应用。但不同滑坡条件下最适宜采用何种结构形式的预应力锚索抗滑桩,是值得研究的问题。本文用有限元法分析了不同推力情况下普通抗滑桩、单锚抗滑桩及多锚抗滑桩内力分布,进行了力学比较,得出了不同结构形式的抗滑桩的适用条件,可供抗滑桩设计参考应用。     

地震作用下双排抗滑桩支护边坡振动台试验研究

利用大型振动台试验研究双排抗滑桩支护在地震荷载作用下的抗震性能。通过对比上部锚杆+下部双排桩共同支护与单一桩支护的破坏过程,分析两种情况下坡体的动力响应与破坏机制。试验表明在桩+锚杆共同支护下,桩后边坡坡脚首先发生剪切破坏,当地震动作用增大到一定范围,坡顶出现张拉裂缝,两者贯通时边坡发生越顶破坏;单一桩支护条件下,首先在坡顶出现张拉裂缝,裂缝随着地震动作用增大向下扩展,当同下部剪切滑移带贯通时,边坡失稳破坏。通过坡体裂缝发展过程、位移及加速度监测数据表明,前者的抗震性能显著优于后者;在地震动作用下,边坡破坏是张拉–剪切复合作用的结果。试验研究为双排抗滑桩抗震设计奠定了坚实的基础。     

边坡锚杆地震动特性的振动台试验研究

为研究锚杆在地震作用下的动力响应,采用振动台进行锚杆支护岩质边坡模型试验。模型与原型相似关系按照重力相似律、相似比1∶10推导。输入Wolong、El Centro、Taft三种地震波,监测锚杆轴力、坡面加速度和位移时程,研究锚杆在地震作用下的受力机制、锚杆轴力分布规律、不同位置锚杆在地震作用下的动力响应差别。结果表明:地震作用下锚杆的轴力动力受力过程是由外向里;输入相同幅值的不同地震波,锚杆轴力动力响应不同;地震波强度较小时,位于边坡腰部锚杆的轴力最大,但随着地震波强度的增大,坡顶锚杆轴力增加较快,与边坡腰部锚杆轴力均为最大。研究结果为更加合理的进行锚杆抗震设计提供良好的基础。     

前后排抗滑桩加固滑坡桥基的振动台试验研究

 设计并完成前后排抗滑桩加固滑坡桥基的振动台模型试验。通过输入不同频率、加速度峰值的正弦波,分析振动时桥墩基桩、抗滑桩的受力变形规律,以及PGA放大系数变化特性。试验结果显示,当滑体为可塑的粉质黏土时,后排抗滑桩桩后土压力峰值分布随台面加速度峰值变化,由三角形逐渐变为倒三角形;由于桥墩、后排抗滑桩间距很小,两者相互作用增强,桥墩基桩受到较大的动力荷载影响,随着台面振动加速度峰值增加,桥墩基桩的应变最大值从桩顶下移至滑面附近;当正弦波加速度峰值相等时,频率越高,土体黏滞阻尼越小,滑坡的PGA放大系数越大,相应云图呈层状分布,同时高频振动波使土体产生较小的位移和变形,导致滑坡推力也较小;振动波在向上传播时,土体存在滤波效应,自振频率附近的频谱幅值会被放大。     

预应力锚索桩板墙的地震响应及影响参数研究

汶川地震震害调查表明,使用预应力锚索的桩板墙变形协调性更好,抗震性能提高,但目前在预应力锚索桩板墙的抗震设计理论研究方面仍比较落后。本文利用FLAC^3D对预应力锚索桩板墙的地震响应特征进行了研究,包括桩身土压力分布、桩身变位及锚索内锚段应力的动力响应特性等,并通过改变地震动参数、材料参数和结构设计参数,进行了多种工况的分析,系统研究了影响参数对桩-土-锚动力耦合相互作用规律的影响。通过对FLAC^3D的数据分析,其研究结果表明:锚索限制了桩板墙结构的运动,墙后土压力在锚索附近显著增大;桩前基础表面的土体易损坏,因此,应高度重视桩前位置,这对抗震设计有积极影响;随着内聚力和内摩擦角的增大,桩的位移、应力和锚固轴力等减小;锚索存在临界有效锚固长度,在临界范围内,通过减小桩间距来提高加固效果并不明显。研究成果加强了对预应力锚索桩板墙抗震表现的认识,也为深化抗震机理研究提供了可靠的依据。