重力式挡墙基于位移的抗震设计方法研究——大型振动台模型试验研究

基于位移的设计方法是岩土工程抗震领域的前沿课题。以大型振动台模型试验为手段,研究重力式挡土墙的位移计算模型,能够为挡土墙基于位移的抗震设计提供支撑。首先系统介绍了实验方案,包括实验装置、模型设计、测试方案、地震波输入及加载制度。然后,研究了不同地震烈度下重力式挡墙墙体位移及位移模式的变化规律,阐述了土压力分布及其与位移的变化关系,并以 Newmark 滑块及 Zeng 和 Steedman 转动块理论为基础,构建了计算地震下重力式挡墙滑移位移及转动位移模型。经比较振动台模型试验与既有滑移位移经验公式结果,提出 Whitman 和 Liao 的均值拟合法适合用于计算重力式挡土墙的滑移位移量。最后,对重力式挡墙基于位移的抗震设计流程进行了归纳。     

预应力返包式加筋土挡墙的动力响应分析

在地震作用下,返包式加筋土挡墙作为一种柔性结构常因侧向变形较大或局部产生破坏而影响其正常使用。为解决该问题,提出了预应力返包式加筋土挡墙结构。为完善预应力返包式加筋土挡墙的设计理论,运用拟动力法和附加应力法理论,以预应力返包式加筋土挡墙作为研究对象,结合现有的加筋土挡墙侧向动土压力和侧向位移计算理论,提出了一套用于计算预应力返包式加筋土挡墙侧向动土压力和侧向位移的理论公式。结合室内振动台模型试验验证了所提理论方法的可行性和合理性。该方法计算简洁,适用性广,能够较好地计算预应力返包式加筋土挡墙的侧向动土压力和侧向位移,对完善预应力返包式加筋土挡墙的设计理论具有一定的指导和借鉴意义。     

基于小波分析的地震动转动分量研究

基于强震时断层附近地面地震动转动分量对单摆式地震仪水平和竖向摆造成的响应差异性,建立采用小波分析获取地震动转动分量的方法。首先采用离散小波变换探讨未修正地震动水平和竖向分量的局部时频特性;进而在水平和竖向分量低频差异性的基础上,建立新的阈值处理方法对水平分量的小波系数进行处理,从而获取了地震动转动分量;最后,通过振动台试验验证了基于小波分析的地震动转动分量获取方法的正确性和精度。结果表明:基于小波分析获取的地震动转动分量的残余倾斜位移与实测的基本吻合,且过滤掉转动分量的水平分量傅里叶谱的低频部分与竖向分量的较为相似;振动台试验验证了基于小波分析获取地震动摇摆分量方法的正确性,且相较于基于傅里叶分析的方法,结果与实际情况更加吻合,精度实现了大幅提高。     

不同位移模式刚性挡墙主动土压力研究

假定挡墙后填土沿墙高任一点处侧压力与其水平位移成线性关系,将土体看作是一系列弹簧和理想刚塑体的组合体。在此基础上,分析了挡墙位移模式,改进了Coulomb理论,提出了不同位移模式下刚性挡墙主动土压力非线性分布计算方法。该方法计算合力大小和Coulomb理论计算相等,主动土压力分布和合力作用点位置随挡墙位移模式变化而不同,计算结果和实测结果吻合较好。该方法对刚性挡墙土压力计算具有理论价值。     

格栅条带式加筋胎面挡土墙变形性能数值计算

采用土工格栅加筋的方法提高废旧轮胎挡墙的承载性能,促进废旧轮胎挡墙的推广应用,通过数值计算方法分析了不同墙顶荷载下有无土工格栅加筋的废旧轮胎挡墙的水平变形与竖向沉降反应特征,得出铺设土工格栅加筋的方法可显著减小墙体的水平变形和竖向沉降,提高废旧轮胎挡墙结构的承载能力,随着外荷载的增加,墙体变形模式依次呈凹凸微小变化型、“弯弓”型、“似弯弓”型和“鼓腮”型和直线型。考虑土工格栅的加筋长度、竖向加筋间距以及格栅加筋刚度3种因素对废旧轮胎+土工格栅加筋土挡墙的水平变形的影响,得出在废旧轮胎加筋土挡墙设计中,建议土工格栅的加筋长度选取范围为0.5H～0.7H,土工格栅竖向间距的选取范围为0.4 m~0.7 m,格栅刚度不宜大于5 000 kN/m。     

地震作用下饱和回填砂土重力式挡土结构滑动与转动位移分析

 预测地震作用下重力式挡土结构的位移是基于位移抗震设计方法的关键。基于Newmark滑动理论、超孔隙水压力应力模型和累积损伤原理,建立饱和回填砂土中超孔压比时程计算模型,以及墙体滑动和转动临界加速度时程计算模型。基于所建立的模型,提出用于计算饱和回填砂土重力式挡土结构滑动和转动位移的计算方法。采用该方法,分析土体参数和地震动参数对墙体滑动及转动位移的影响,并对墙体滑动与转动的耦合作用进行研究。结果表明,填土不发生液化的情况下,滑动位移对土体相对密度和墙体与地基土间的摩擦角十分敏感;转动位移对输入地震的震级、水平加速度和竖向加速度、填土的内摩擦角、墙背摩擦角和相对密度均较为敏感。超孔隙水压力对墙体滑动和转动位移的影响不可忽视。在地震作用下墙体与墙后填土破坏土楔体共同运动的假设条件下,墙体滑动与墙体转动相互抑制。     

格宾加筋土挡墙抗震性能及数值分析

基于有限差分程序FLAC3D动力分析模块,建立水平地震作用下格宾加筋土挡墙足尺数值模型,通过抗震模型试验结果验证数值模型的可靠性,分析不同强度地震波作用、不同竖向加筋间距时,格宾加筋土挡墙的水平位移响应、震陷、加速度响应及破坏模式,在此基础上,提出格宾加筋土挡墙抗震设计相关措施与建议。结果表明:在不同峰值加速度作用下,格宾加筋土挡墙没有出现倒塌破坏,在较大的水平位移及沉降发生后仍能继续承载,表现出良好的抗震性能;在地震波频率特性基本不变的情况下增长加速度峰值,墙面加速度放大系数有减小的趋势;格宾加筋土挡墙建造于7度及以下、8度、9度及以上抗震设防区时,格宾网竖向间距分别不宜大于1.0m、0.75m、0.5m;水平地震作用下挡墙潜在破裂面为双线段组合形式;提出格宾加筋土挡墙抗震设计位移控制标准。     

带抗滑键的挡土墙设计

系统地研究了带抗滑键挡土墙的设计理论，给出了带抗滑键挡土墙设计的新方法，建议了描述墙后土压力随挡墙位移变化而变化的非线性土压力系数计算公式，讨论了嵌压桩承受水平荷载作用下的荷载-位移关系，并将其运用到带抗滑键挡土墙的设计理论之中，给出了挡土墙的设计步骤。根据具体的工程实例的计算，表明该方法是合理的。     

软土地基临江特大型相邻深基坑同期施工监测分析

 结合软土地基临江两相邻深基坑施工监测数据,分析两基坑同期开挖过程中邻近位置围护墙变形、支撑轴力和立柱沉降受到的影响,分析结果表明：相邻位置中部的围护墙变形呈增大趋势,角部及远离相邻位置的围护墙变形受邻近基坑影响较小;相邻基坑开挖对邻近位置的围护墙顶竖向位移影响较大,基坑距离越小,相邻位置围护墙顶水平位移越大;邻近基坑处支撑轴力达峰值后呈变小趋势,立柱竖向位移值呈加大趋势;与已有理论对比发现基坑相邻位置围护结构变形不同于独立基坑开挖的情况。     

格形地下连续墙竖向承载特性研究

格形地下连续墙不仅可以用作基坑的围护结构,亦可以作为竖向承重结构。由于目前关于格形地下连续墙竖向承载特性的理论和试验研究非常匮乏,设计中往往采用相当保守的态度。在原位静载试验和三维有限元分析的基础上,对格形地下连续墙的竖向承载机理进行研究,研究结果表明格形地下连续墙的竖向承载机理与灌注桩存在很大差异。基于广泛的参数分析,如土体力学指标、格形地下连续墙的几何尺寸等,提出格形地下连续墙竖向承载力的简化计算公式,可以用于指导格形地下连续墙竖向承载结构的设计和施工。     

组合式挡墙的基坑围护非线性的空间设计计算理论和方法

组合式挡墙的基坑围护能够充分发挥各种型式挡土墙的优点,使基坑围护既安全又经济.本文提出组合式挡墙的基坑围护非线性的空间设计计算理论和方法.工程实例的计算和分析表明,采用这种计算方法计算得到的结果符合实际情况,而计算时间又短,这为组合式挡墙的基坑围护设计计算提供有力的计算手段.     

基于应变监测的围护结构深层水平位移监测研究

围护结构受力变形作为评判基坑工程安全的重要指标之一,传统方法采用传感器测量围护结构在不同深度的倾角变化换算得到水平位移的常规方法存在工作量繁重、效率低、误差大等问题,而用于岩土工程高精度监测的应变感测光缆可达到±2με的测试精度.本文首先介绍了基于光纤应变监测结果获取围护结构深层水平位移的计算原理,然后结合实际工程进行...     

考虑变形影响的重力式挡墙地震土压力分布

利用汶川地震丰富的近场实震资料,分析总结了地震作用下挡墙的变形破坏模式,指出挡墙的变形模式与地基基础关系最为密切。位于岩质地基上的挡墙主要发生倾斜变形,位于土质地基上的挡墙则主要发生推移变形。在此基础上,基于温克勒地基模型,将土体看做是一系列弹簧和理想刚塑性体的组合体,分析得到了不同变形模式下挡墙地震土压力及其合力作用点的计算方法。结果表明：不同变形模式下挡墙的地震土压力分布特征各异,除平移模式外,其余变形模式下挡墙地震土压力随深度都呈非线性分布;位于岩质地基上的挡墙发生变形后地震土压力的合力作用点要比土质地基上的挡墙高。通过开展位于岩质地基和土质地基上挡墙的振动台模型试验,对文中提出的挡墙地震土压力计算方法进行了验证,发现试验结果和理论分析结果较相吻合。     

基覆边坡支挡结构的加速度放大系数数值与试验研究

 以大理至瑞丽铁路沿线边坡支挡结构为研究对象,以汶川波作为输入地震波,对基覆(厚覆盖层和基岩)边坡的3种不同支挡结构在地震荷载下的动力特性进行数值模拟和振动台模型试验,再对比分析二者结果,主要研究基覆边坡在压缩汶川波XZ双向激励下支挡结构基覆边坡加速度响应规律,研究表明：数值结果与振动台模型试验结果规律基本一致,3种支挡结构的水平向加速度放大系数随着挡墙高度的增加而变大;锚杆框架梁竖向加速度放大系数随测点高度的增加均有增大的趋势;对于地震加速度响应特性而言,振动台模型试验的结果是合理的,数值模拟的结果是可靠的,但数值模拟值稍偏大。     

Automated measurement of highway retaining wall displacements using terrestrial laser scanners

Highway retaining walls are continuously monitored during their construction to ensure the required performance criteria are met. Currently, inspection data are obtained manually by using geotechnical field instrumentations and surveying equipment. The data collection practice is often time-consuming, and erroneous. High precision and accuracy of laser scanners have made them valuable in construction, especially for structural health monitoring and change detection. This paper proposes a new method to (1) extract geometric features of highway retaining walls from the laser-scan data; and (2) use the extracted features as benchmarks for detecting wall displacements. The method is evaluated using Mechanically Stabilized Earth (MSE) walls, which are one of the most widely used highway retaining walls in the United States. Specifically, we investigated the hypothesis that the horizontal joints between the panels of an MSE wall could be used in point clouds to detect the wall's displacement with the required accuracy for condition assessment purposes. First, the proposed methodology was tested using the actual point cloud data of an MSE wall. The proposed feature extraction method was able to extract the horizontal joints with 94.26% accuracy. Then to test the generalizability of the method, we created 3D models of an MSE wall by using the wall's actual dimensions and geometric parameters. These models were used to examine the validity of the hypothesis for 36 laser scanner settings and 15 wall displacement scenarios. Laser scanner sensor parameters along with the 3D models were imported into a simulation environment to generate synthetic data to evaluate accuracy of the proposed method. The method was also tested with 3D models of two more types of MSE walls for a selected number of simulation scenarios. The results demonstrated that the proposed method is capable of measuring wall displacements with an average error of 0.9 mm.     

桩板墙地震动力特性的大型振动台模型试验研究

 通过1个比尺1∶8的二级支护边坡大型振动台模型试验,研究地震条件下桩板式挡墙加速度、动位移和动土压力等的响应特性,模型试验以汶川波、大瑞人工波和Kobe波3种地震波作为振动台激振波,汶川波采用水平(X)向、竖直(Z)向和水平竖直(XZ)双向3种激振方式,大瑞人工波和Kobe波采用水平竖直(XZ)双向1种激振方式,研究地震波作用方向和方式以及地震波形等地震动参数对桩板式挡墙地震动力响应特性的影响规律。研究表明：桩板式挡墙加速度、动位移和动土压力等的响应特性,主要受水平向地震波作用的影响,且与地震波类型、激振方向和方式以及测点位置有关。加速度动力响应峰值呈现出沿墙高非线性增大的特征,因而在采用拟静力法时,有必要在考虑支挡结构组合方式、边坡特性及地震波作用方式等影响的基础上,采用合适的地震荷载拟静力值的放大系数。动位移响应峰值和永久位移值呈现出非线性响应特性,水平竖直(XZ)双向地震波激振下,桩板墙主要产生离开土体向边坡外侧平移的动位移模式。动土压力响应峰值沿墙高呈现出两头小中间大的非线性分布特征。     

不同围护结构变形模式对坑外深层土体位移场影响的对比分析

对某深基坑开挖全过程中围护桩的水平位移进行了实测,由于水平支撑提供的支撑刚度不同,不同位置处的围护桩可产生不同的水平位移分布模式,且最大水平位移值也存在明显差别。通过建立考虑土体小应变的有限元模型,针对4种典型围护结构变形模式引起的坑外深层土体位移场变化特点进行分析,结果表明：即使围护结构最大水平位移相同,由于侧移分布模式不同,基坑外地表和深层土体的竖向及水平位移场均可存在较大差别,从而可能对环境产生不同程度的影响。围护结构在内凸型和复合型模式下,坑外深层土体竖向变形可分为凹槽形沉降区、三角形过渡区和隆起区,而深层土体水平位移场可分为弓形变形区、变形过渡区以及悬臂形变形区；悬臂型模式下坑外深层土体竖向位移场只存在三角形变形区和隆起区,而水平位移场则全部呈悬臂形；踢脚型模式下的竖向位移和水平位移影响范围均为最大。在实际工程中除控制围护结构最大变形值外,尚应根据周围环境特点合理控制围护结构变形模式,并尽可能避免出现踢脚模式变形。     

Simplified Procedure to Evaluate Earthquake-Induced Residual Displacement of Geosynthetic Reinforced Soil Retaining Walls

Based on a series of shaking table model tests, it was found that the effects of 1) subsoil and backfill deformation, 2) failure plane formation in backfill, and 3) pullout resistance mobilized by the reinforcements on the seismic behaviors of the geosynthetic reinforced soil retaining walls (GRS walls) were significant. These effects cannot be taken into account in the conventional pseudo-static based limit equilibrium analyses or Newmark's rigid sliding block analogy, which are usually adopted as the seismic design procedure. Therefore, this study attempts to develop a simplified procedure to evaluate earthquake-induced residual displacement of GRS walls by reflecting the knowledge on the seismic behaviors of GRS walls obtained from the shaking table model tests. In the proposed method, 1) the deformation characteristics of subsoil and backfill are modeled based on the model test results and 2) the effect of failure plane formation is considered by using residual soil strength after the failure plane formation while the peak soil strength is used before the failure plane formation, and 3) the effect of the pullout resistance mobilized by the reinforcement is also introduced by evaluating the pullout resistance based on the results from the pullout tests of the reinforcements. By using the proposed method, simulations were performed on the shaking table model test results conducted under a wide variety of testing conditions and good agreements between the calculated and measured displacements were observed.     

土压力对软土地基中圆柱型挡土墙的作用

 竖井是过河或海隧道的组成部分,与隧道这样轴向细长的结构相比,竖井在形状上可以有不同的设计。尽管方形有更多的使用空间,但在断面连接处,竖井一般被设计成圆形。此外,在水底或海底进行建筑物施工时,也常采用圆形的沉井作为结构的基础。由于水平面的成拱作用,减小了外部压力而显示其更重要的优点。在进行支撑墙的施工过程中,墙的刚度、施工方法和施工管理对墙的位移具有很大的影响。此外,挡墙的位移发展是可能的,即使增加了刚性的侧向支撑如注浆墙。所以,在开挖过程中由于应力的释放、水平和垂直向的成拱作用,在平面应变条件下圆柱型挡土墙上的土压力是介于静止和主动土压力之间。讨论了无黏性土中圆柱型挡土墙的模型试验,给出土压力的分布和破坏面形状。     

大跨空间结构竖向变刚度三维隔震装置及其隔震性能研究

本文中研制了一种适用于大跨空间结构的竖向变刚度三维隔震装置，该装置由用于水平隔震的铅芯橡胶支座和用于竖向隔震的组合液压缸构成。基于液压原理，通过改变组合液压缸不同阶段参与工作腔室的种类和数量实现装置竖向变刚度特性。推导了组合液压缸不同工作阶段的刚度计算公式，并建立了其滞回模型。完成了组合液压缸的振动台试验，验证了刚度计算公式与所建立滞回模型的准确性。采用有限元方法，对比分析了不同地震作用下单层球面网壳结构在不隔震、水平隔震、非变刚度三维隔震与竖向变刚度三维隔震时的响应，建立了考虑水平地震影响的最大竖向隔震位移计算方法。结果表明，竖向变刚度三维隔震装置对结构加速度与杆件内力的减震率优于水平隔震支座，与非变刚度三维隔震装置接近，但可更有效地限制隔震层竖向位移与结构倾覆转角；所建计算方法可以准确计算结构三维隔震时的最大竖向隔震位移，不同地震记录作用下计算结果的最大误差为16.0%。