高烈度地震区椅式抗滑支挡结构抗震性能研究.pdf

年 月第 卷第 期?年 月第 卷第 期中 文 引 用 格 式：胡 会 星，李 宁，任 华 锋高 烈 度 地 震 区 椅 式 抗 滑 支 挡 结 构 抗 震 性 能 研 究 特 种 结 构，（）：英 文 引 用 格 式：，（）：高 烈 度 地 震 区 椅 式 抗 滑 支 挡 结 构 抗 震 性 能 研 究胡 会 星李 宁任 华 锋中 铁 二 院 工 程 集 团 有 限 责 任 公 司成 都摘 要：针 对 位 于度 高 烈 度 地 震 区 的 某 山 区 铁 路 陡 坡 工 点，采 用 三 维 有 限 元 分 析 软 件，对 椅 式 复 合 抗滑 支 挡 结 构 的 结 构 位 移 及 内 力 动 力 响 应 进 行 分 析，数 值 计 算 结 果 表 明，复 合 抗 滑 支 挡 结 构 峰 值 位 移 较小，最 大 值 为，结 构 抗 震 性 能 好；左 侧 椅 式 桩 板 墙 主 桩、副 桩 桩 身 弯 矩 均 呈型，剪 力 呈型，横 梁 弯 矩 和 剪 力 均 呈 正 弦 分 布，结 构 弯 矩 峰 值 位 于 副 桩 桩 身 中 部 附 近，剪 力 峰 值 位 于 副 桩 与 横 梁连 接 处，需 加 强 副 桩 中 部 抗 弯 能 力 设 计，同 时 提 高 副 桩 与 横 梁 节 点 处 的 抗 剪 能 力；右 侧 锚 索 桩 桩 身 弯矩 呈型 分 布，剪 力 呈型，弯 矩 峰 值 位 于 锚 索 桩 身 中 部，正 负 剪 力 峰 值 基 本 相 当，锚 索 桩 弯 矩 峰 值偏 大，因 此 需 在 桩 身 增 设 排 锚 索 以 减 少 桩 身 弯 矩。关 键 词：复 合 抗 滑 支 挡 结 构陡 坡 地 段椅 式 桩 板 墙三 维 数 值 模 拟位 移 响 应内 力 响 应：牞 牞 牞 牶 牞 牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 引 言西 南 山 区 铁 路 工 程 的 建 设 受 选 线 线 型、车 站布 置 等 外 部 因 素 限 制，不 可 避 免 以 陡 坡 路 基 或 抗滑 明 洞 形 式 通 过。而 西 南 山 区 地 质 条 件 复 杂 多高烈度地震区椅式抗滑支挡结构抗震性能研究胡 会 星李 宁任 华 锋?变，新 构 造 运 动 活 动 造 成 区 域 地 震 频 发，大 部 分线 路 位 于 度 区，局 部 甚 至 位 于度 区。陡 坡 地 段 路 基 一 般 采 用 抗 滑 挡 墙、抗 滑 桩、锚 杆 挡 墙 等 进 行 加 固，当 外 侧 填 方 高 度 大 于时，特 别 是 位 于 高 烈 度 地 震 区 时，采 用 普 通 支 挡结 构 存 在 抗 滑 能 力 不 足、支 挡 结 构 变 形 大 等 问 题。此 外，靠 山 侧 坡 面 若 存 在 松 散 堆 积 体 时，在 频 繁地 震 及 降 雨 相 互 作 用 下，松 散 物 质 易 形 成 坡 面 泥石 流，在 运 营 期 间，存 在 泥 石 流 上 道 的 风 险。若选 择 抗 滑 明 洞 方 案，在 高 地 震 烈 度 作 用 下，陡 坡地 段 明 洞 存 在 抗 滑 能 力 不 足，易 发 生 偏 移 等 病 害，因 此 常 在 明 洞 靠 山 侧 设 置 锚 索 桩 进 行 联 合 加固，。椅 式 桩 板 墙 在 兰 渝 客 专、叙 大 铁 路 等 陡 坡地 段 得 到 了 应 用，其 综 合 了 埋 入 式 桩 板 结 构、悬臂 式 桩 板 墙 与 双 排 抗 滑 桩 的 技 术 特 点，利 用 刚 架桩简 支 板岩 土 体 三 者 之 间 的 协 同 作 用 满 足 路 基 的强 度 与 变 形 要 求，具 有 刚 度 大、变 形 控 制 好 等 特点，但 目 前 的 研 究 主 要 集 中 于 静 力 作 用 下 其 受 力性 能 和 变 形 特 性，结 构 内 力 计 算 也 是 基 于 静 力 状态 下 的，对 椅 式 桩 板 墙 结 构 的 动 力 特 性 未 做 研究。若 将 椅 式 桩 设 置 于 明 洞 下 方，与 明 洞、锚 索 桩 组 成 一 个 复 合 支 挡 结 构，其 复 合 支 挡 结 构的 动 力 特 性、控 制 变 形 能 力 等 国 内 外 未 见 研 究。本 文 依 托 于 某 铁 路 陡 坡地 段 实 际 案 例，创 新 性 提 出 了 椅 式 桩 板 墙明 洞锚 索 桩 的 椅 式 复 合 抗 滑 支 挡 结 构，基 于 有 限 元软 件 建 立 了 三 维 结 构 模 型，重 点 分 析 在 复 合 结 构中 的 椅 式 桩 板 墙 和 锚 索 桩 横 向 高 烈 度 地 震 作 用 下（）结 构 的 变 形 特 性 和 内 力 响 应，得 到 了其 峰 值 内 力 分 布 曲 线，提 出 了 该 结 构 的 优 化 补 强建 议，研 究 成 果 对 技 术 人 员 认 识 该 复 合 抗 滑 支 挡结 构 的 受 力 机 制 是 有 益 的。工 程 概 况某 铁 路 里 程 范 围 位 于 陡坡 地 段，为 半 填 半 挖 通 过，左 侧 最 大 填 方 高 度 为，右 侧 最 大 挖 方 高 度 为。本 段 地 面 横 坡 最大 约，线 路 左 侧 为 既 有 国 道、河 道 等，右 侧 上方 分 布 破 残 积、泥 石 流 成 因 的 松 散 堆 积 体，松 散堆 积 体 主 要 以 角（圆）砾 土、碎 石 土 等 为 主，分 选差，厚 度 约，基 岩 为 花 岗 岩。本 工 点 地震 动 峰 值 加 速 度 为。若 采 用 顺 坡 桥 通 过，桥梁 需 按 罕 遇 地 震 进 行 设 计，则 面 临 桥 梁 梁 体竖 向 位 移 过 大 且 右 侧 坡 面 松 散 体 在 高 地 震 烈 度 作用 下 形 成 坡 面 滑 塌 撞 击 桥 墩 的 风 险；若 采 用 普 通的 陡 坡 路 基 通 过，也 同 样 面 临 右 侧 坡 面 物 质 上 道的 风 险，因 此 在 此 提 出 了 一 种 左 侧 椅 式 桩 板 墙（主桩、副 桩、横 梁）明 洞右 侧 锚 索 桩（设 置 两 排锚 索）的 复 合 抗 滑 支 挡 结 构，具 有 结 构 受 力 形 式 明确、抗 震 性 能 好、变 形 小 等 优 点，如 图所 示。图 复合抗滑支挡结构（单位：）（：）数 值 计 算 模 型 模 型 尺 寸 及 岩 土 体 参 数本 文 选 取 断 面 处 的 复 合 抗 滑 支挡 结 构 进 行 计 算，桩 纵 向 间 距 为，结 构 尺 寸如 表所 示，三 维 计 算 模 型 如 图所 示。表结 构 尺 寸（单 位：）（：）结 构宽高桩 长（梁 长）椅 式 桩（主 桩）椅 式 桩（副 桩）椅 式 桩（横 梁）锚 索 桩图 椅式复合抗滑支挡结构三维模型大样图 本 文 基 于有 限 元 软 件 建 立 复 合 抗 滑支 挡 结 构 三 维 模 型，主 体 模 型 长 度 取 为，由 于 动 力 计 算 需 要 使 用 无 限 元，因 此 在 模 型 两 侧 年 月第 卷第 期 各 施 加的 无 限 元，故 模 型 总 长 度 为。模 型 高 度 根 据 原 设 计 图 纸，取 为，其 中 桩顶 以 上 坡 高 为。锚 索 分 为 锚 固 段 与 自 由 段，施 加 预 应 力，自 由 段 与 锚 固 段 长 度 与 设 计 图纸 一 致，自 由 段 横 截 面 积 为，锚 固 段 横截 面 积 为。对 桩、混 凝 土 和 基 岩 采 用 弹性 本 构 模 型；对 堆 积 体 采 用 以准则 为 屈 服 准 则 的 理 想 弹 塑 性 模 型，并 通 过 室 内 直接 剪 切 试 验 得 到 了 黏 聚 力 和 内 摩 擦 角，确 定 各 材料 参 数 如 表所 示。表模 型 的 物 理 力 学 参 数 参 数密 度（）弹 性 模 量 泊 松 比黏 聚 力 内 摩 擦 角（）椅 式 桩锚 索 桩混 凝 土 锚 索 堆 积 体 基 岩 地 震 动 输 入 及 边 界 条 件由 于 本 工 点 范 围 现 有 地 震 记 录 部 分 时 段 缺 少合 适 的 地 震 动 峰 值 加 速 度 为 的 时 程 曲 线 进行 结 构 动 力 分 析，因 此 本 次 计 算 需 采 用 人 工 合 成方 法 得 到 地 震 波 用 于 结 构 计 算，输 入 地 震 动 峰 值加 速 度 为，方 向 为向，其 原 波 长 达，为 节 省 计 算 时 间，取 前进 行 计 算，为 保 证 模型 最 终 计 算 时 刻 位 移 和 速 度 为，对 前的 地震 波 进 行 基 线 修 正，同 时 为 控 制 单 元 尺 寸，滤 掉以 上 的 高 频 波，经 过 滤 波 和 基 线 修 正 的 输入 波 如 图所 示。图 基线修正和滤波后的波形图 为 防 止 边 界 上 地 震 波 的 反 射，在 模 型 左 右 两侧 设 置 无 限 元 边 界，模 型 采 用 两 跨，因 此 在分 析 过 程 中 始 终 限 制 模 型 前 后 侧 的 位 移，静 力 分析 时 限 制 底 部 三 个 方 向 的 位 移，动 力 计 算 则 放 开底 部 水 平 方 向 位 移。数 值 计 算 结 果 分 析 图 监测点布置 位置示意 结 构 位 移 响 应为 监 测 复 合 抗 滑支 挡 结 构 在 地 震 动 峰值 加 速 度 作 用下 的 变 形 情 况，在 椅式 桩 桩 顶、锚 索 桩 桩顶 及 明 洞 顶 部 布 置 了监 测 点，监 测 点 位 置如 图所 示，位 于 椅 式 桩 顶，位于 明 洞 顶，位 于 锚 索 桩 顶。由 于 模 型 完 全 对 称，与，与的动 位 移 响 应 完 全 一 致，因 此 仅 考 虑、和处 的 位 移 响 应。图为监 测 点 位 移 响 应 情 况（负 值 为 远 离 坡 面 侧），即 椅 式 桩 桩 顶 的 位 移 响 应情 况，其 最 大 负 向 位 移 为，主 桩 长 为，位 移 为 桩 长 的，满 足 规 范 要 求。图为监 测 点 位 移 响 应 情 况（负 值 为 远 离 坡 面侧），即 锚 索 桩 桩 顶 的 位 移 情 况，其 最 大 负 向 位移 为，锚 索 桩 长 为，位 移 为 桩 长的，满 足 规 范 相 关 要 求。图为 明 洞 顶部监 测 点 位 移 情 况，最 大 负 向 位 移 为，最 大 正 向 位 移 为。将和处 的 位 移 与 规 范 限 值 对 比 列 入 表。表桩 顶 位 移 动 力 响 应 情 况 与 规 范 限 值 对 比 位 置最 大 负 向位 移 占 桩 长百 分 比规 范 限 值椅 式 桩 桩 顶（测 点）锚 索 桩 桩 顶（测 点）同 时 在 锚 索 锚 头 处 及 自 由 段、锚 固 段 分 界 点处 布 置 了 监 测 点，分 析 锚 索 在 地 震 荷 载 下 的 受 力状 态，、为 第 一 排 锚 索（桩 顶 自 上 而 下），高烈度地震区椅式抗滑支挡结构抗震性能研究胡 会 星李 宁任 华 锋?、为 第 二 排 锚 索，监 测 点 布 置 如 图所 示。通 过 监 测 锚 索 锚 头 和 自 由 段、锚 固 段 分 界 点的 位 移 响 应 情 况，可 较 直 观 地 得 到 动 力 作 用 过 程中 锚 索 的 受 力 状 态（张 拉 力 增 加 或 者 张 拉 力 减少）。图为 第 一 排 锚 索交 界 点 与 锚 固 点 的相 对 位 移，值 为 正 时，锚 索 张 拉 力 增 加，由 图 可知 在 振 动 过 程 中 第 一 排 锚 索 基 本 一 直 都 处 于 张 拉力 减 少 的 状 态，且 从 震 后 残 余 位 移 来 看，锚 索 受力 均 有 所 减 少，因 此 在 设 计 中 可 将 第 一 排 锚 索 初始 张 拉 力 适 当 加 大 至。由 图可 知 在 振 动 过 程 中 第 二 排 锚 索 基 本一 直 都 处 于 张 拉 力 增 大 的 状 态，且 从 震 后 残 余 位移 来 看，锚 索 受 力 均 有 所 增 加，因 此 在 设 计 中 可将 第 二 排 锚 索 初 始 张 拉 力 适 当 减 少 至。图 位移响应时程曲线 图 锚索监测点布置位置示意 图 动位移响应情况 结 构 内 力 响 应本 文 仅 分 析 结 构 在 地 震 荷 载 作 用 下 其 峰 值 内力，该 时 刻 为 结 构 最 危 险 时 刻。根 据 前 面 位 移 响应 情 况，可 以 确 定 椅 式 桩 桩 顶测 点 在 时，位 移 响 应 达 到 负 峰 值 为，复 合 结 构 内 力 最 大，此 时，椅 式 桩 的 主 桩、副 桩以 及 横 梁 的 内 力 分 布 曲 线 如 图所 示。由 图、可 知，椅 式 桩 结 构 在 地 震 荷 载 作用 下，其 主 桩 桩 身 弯 矩 呈型，全 桩 靠 山 侧 受拉，最 大 值 位 于 横 梁 下 部 约处，大 小 约，因 此 需 在 主 桩 与 横 梁 连 接 处 设 置 较多 竖 向 主 筋 抗 弯；其 桩 身 剪 力 呈型，最 大 值 位于 横 梁 上 部 约处，大 小 约。由 图、可 知，椅 式 桩 结 构 在 地 震 荷 载 作用 下，其 副 桩 桩 身 弯 矩 也 呈型，全 桩 靠 山 侧 受拉，最 大 值 位 于 桩 身 中 部 偏 上 处，大 小 约，较 主 桩 弯 矩 大，因 此 需 在 副 桩 中 部附 近 设 置 较 多 竖 向 主 筋 抗 弯；其 桩 身 剪 力 呈型，最 大 值 位 于 桩 梁 节 点 附 近，大 小 约，因 此 需 在 副 桩 与 横 梁 连 接 处 设 置 较 多 箍 筋 抗 剪 或加 大 副 桩 截 面。由 图、可 知，椅 式 桩 结 构 在 地 震 荷 载 作用 下，其 横 梁 弯 矩 和 剪 力 均 呈 正 弦 分 布，正 负 弯矩 基 本 对 称，最 大 值 约；但 其 剪 力 峰值 偏 大，大 小 约，位 于 横 梁 与 副 桩 连 接处，因 此 需 在 横 梁 与 副 桩 连 接 处 设 置 较 多 箍 筋 抗剪 或 设 置 倒 角 增 加 截 面 进 行 抗 剪。年 月第 卷第 期 图 椅式桩内力分布（）（）图 锚索桩内力分布（）（）由 图可 知，锚 索 桩 在 地 震 荷 载 作 用 下，其桩 身 弯 矩 呈型 分 布，全 桩 靠 山 侧 受 拉，最 大 值位 于 桩 身 中 部，最 大 值 约，弯 矩 峰 值偏 大，因 此 需 在 桩 身 增 设 多 排 锚 索 以 减 少 桩 身 弯矩；其 桩 身 剪 力 呈型，正 负 剪 力 峰 值 基 本 相当，大 小 约。结 论本 文 通 过 选 取 断 面 处 的 复 合 抗 滑支 挡 结 构，基 于 三 维 有 限 元 软 件，分 析 该 复 合 抗滑 支 挡 结 构 在 高 烈 度 地 震 区（动 峰 值 加 速 度 为）其 位 移 及 内 力 动 力 响 应，主 要 得 出 以 下 结 论：在 横 向 地 震 荷 载 作 用 下，复 合 抗 滑 支 挡 结构 最 大 位 移 发 生 在 锚 索 桩 顶 部，最 大 值 为，位 移 峰 值 为 桩 长 的，满 足 规范（）限 值 要 求，说 明 该 复 合 抗 滑 支 挡 结 构抗 震 性 能 较 好。通 过 监 测 锚 索 锚 头 和 自 由 段、锚 固 段 分 界点 的 位 移 响 应 结 果 得 出，在 振 动 过 程 中，锚 索 桩顶 第 一 排 锚 索 基 本 一 直 都 处 于 张 拉 力 减 小 的 状态，第 二 排 锚 索 处 于 张 拉 力 增 大 的 状 态，因 此 在设 计 中 可 将 第 一 排 锚 索 初 始 张 拉 力 适 当 加 大 至，第 二 排 锚 索 初 始 张 拉 力 适 当 减 少 至，以提 高 锚 索 在 地 震 作 用 下 其 长 期 受 力 性 能。椅 式 桩 结 构 在 地 震 荷 载 作 用 下，其 主 桩、副 桩 桩 身 弯 矩 均 呈型，剪 力 呈型，弯 矩 峰 值位 于 副 桩 桩 身 中 部 偏 上，最 大 值 为；剪 力 峰 值 位 于 副 桩 与 横 梁 连 接 处，最 大 值 为，因 此 需 在 副 桩 中 部 附 近 设 置 较 多 竖 向 主筋 进 行 抗 弯，并 在 副 桩 与 横 梁 连 接 处 设 置 较 多 箍筋 抗 剪 或 加 大 副 桩 截 面。横 梁 弯 矩 和 剪 力 均 呈 正弦 分 布，正 负 弯 矩 基 本 对 称，最 大 值 约；但 其 剪 力 峰 值 偏 大，大 小 约，位 于 横梁 与 副 桩 连 接 处，因 此 需 在 横 梁 与 副 桩 连 接 处 设置 较 多 箍 筋 抗 剪 或 设 置 倒 角 增 加 截 面 进 行 抗 剪。锚 索 桩 在 地 震 荷 载 作 用 下，其 桩 身 弯 矩 呈型 分 布，剪 力 呈型，弯 矩 峰 值 位 于 锚 索 桩 身中 部，最 大 值 为；正 负 剪 力 峰 值 基 本相 当，大 小 约。锚 索 桩 弯 矩 峰 值 偏 大，因 此 需 在 桩 身 增 设 排 锚 索 以 减 少 桩 身 弯 矩。参 考 文 献韦 随 庆陡 坡 高 填 方 刚 架 桩 结 构 优 化 方 案 研 究 铁 道标 准 设 计，（）：，（）：蒋 楚 生，李 庆 海，曹 新 文高 烈 度 地 震 区 高 路 堤 桩 板 墙 的高烈度地震区椅式抗滑支挡结构抗震性能研究胡 会 星李 宁任 华 锋?动 力 响 应 研 究 铁 道 工 程 学 报，（）：，（）：曲 宏 略，张 建 经，王 富 江预 应 力 锚 索 桩 板 墙 地 震 响 应 的振 动 台 试 验 研 究 岩 土 工 程 学 报，（）：，（）：文 畅 平，江 学 良，杨 果 林，等桩 板 墙 地 震 动 力 特 性 的 大 型振 动 台 模 型 试 验 研 究 岩 石 力 学 与 工 程 学 报，（）：，（）：白 皓，王 武 斌，廖 知 勇，等软 岩 陡 坡 椅 式 桩 支 挡 结 构 受 力变 形 模 型 试 验 研 究 岩 土 力 学，（）：，（）：姚 裕 春，李 安 洪，苏 谦陡 坡 椅 式 桩 板 结 构 受 力 模 式 及 计算 方 法 分 析 铁 道 工 程 学 报，（）：，（）：张 礼 财，王 顺 豪，刘 思 阳，等斜 坡 段 路 基 椅 式 桩 板 支 挡 结构 力 学 特 性 分 析 高 速 铁 路 技 术，（）：，（）：白 皓椅 式 桩 板 墙 受 力 机 制 与 设 计 计 算 方 法 研 究 成都交 通 大 学，：，櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧（上 接 第页）在 工 程 应 用 中 存 在 管 体 腐 蚀、渗 漏 等 问 题 和 风险，不 但 影 响 工 程 质 量，更 是 影 响 了 行 业 的 健 康发 展；另 外，混 凝 土 管 自 重 过 大 也 是 影 响 其 应 用范 围 的 原 因 之 一。技 术 是 混 凝 土 技 术 的 革命 性 进 步，其 带 来 的 混 凝 土 材 料 各 方 面 性 能 的 巨大 提 高，使 混 凝 土 结 构 具 备 深 远 的 创 新 空 间。基于 对技 术 的 分 析 和 笔 者 的 试 验 探 索，本 文讨 论 了 在 混 凝 土 管 产 品 中 应 用技 术 的 性 能和 经 济 性 优 势，认 为 应 用技 术 可 以 解 决 混凝 土 管 的 各 项 性 能 短 板，能 得 到 耐 腐 蚀、抗 渗透、轻 量 化 的 高 品 质 混 凝 土 管 材 产 品。参 考 文 献 混 凝 土 和 钢 筋 混 凝 土 排 水 管 预 应 力 钢 筒 混 凝 土 管 活 性 粉 末 混 凝 土 超 高 性 能 混 凝 土 基 本 性 能 和 试 验 方 法 赵 筠超 高 性 能 混 凝 土 的 性 能 和 应 用 简 述 第 六 届 全 国特 种 混 凝 土 技 术（高 性 能 混 凝 土 专 题）交 流 会 暨 中 国 土 木 工程 学 会 混 凝 土 质 量 专 业 委 员 会年 年 会 论 文 集：（）：黄 有 强，陈 露 一，张 志 豪，等硫 酸 盐 环 境 作 用 下的 性 能 研 究 新 型 建 筑 材 料，（）：，（）：韩 荣 霞活 性 粉 末 混 凝 土 在 氯 盐 和 冻 融 循 环 耦 合 作 用 下 的耐 久 性 研 究 北 京：北 京 交 通 大 学，：，混 凝 土 结 构 耐 久 性 设 计 标 准