柔性加固失稳重力式挡土墙的支静动力稳定性

柔性加固失稳重力式挡土墙的静动力稳定性分析兰州理工大学土木工程学院朱彦鹏2014.10.11兰州第二十三届结构工程学术会议第十二届土力学及岩土工程学术大会一、研究背景二、柔性支挡结构的型式和应用三、柔性支挡结构的静力稳定性四、柔性支挡结构的动力稳定性五、结论汇报内容：第十二届土力学及岩土工程学术大会一.研究背景第二十三届结构工程学术会议第十二届土力学及岩土工程学术大会我国是一个多山的国家，山地占国土面积约2/3,有世界上两条最活跃的地震带，东有太平洋地震带，西有喜马拉雅山-地中海地震带。西北地区沟壑纵横，大多为黄土地区，在这些地区修建城市、修筑公路和铁路时都会遇到边坡的开挖和回填问题，为防止滑坡和泥石流的发生则必然要支挡，这样才能保证工程的使用安全。以前的重力式挡墙出现稳定性问题很多，我们研究的框架预应力锚杆（锚索）加固法，加固效果很好！第二十三届结构工程学术会议第十二届土力学及岩土工程学术大会某加油站重力式挡墙失稳某重力式挡墙失稳引起的地面开裂，威胁建筑物的安全。第二十三届结构工程学术会议第十二届土力学及岩土工程学术大会二.柔性加固重力式挡墙的型式和应用第二十三届结构工程学术会议第十二届土力学及岩土工程学术大会7第二十三届结构工程会议图1基于框锚加固技术的失稳重力式挡墙支护结构立面

图2基于框锚加固技术的失稳重力式挡墙支护结构剖面第十二届土力学及岩土工程学术大会8第二十三届结构工程会议第十二届土力学及岩土工程学术大会9第二十三届结构工程会议第十二届土力学及岩土工程学术大会10第二十三届结构工程会议三.

框架预应力锚杆加固失稳重力式挡土墙的静力稳定性创新团队的基本情况第二十三届结构工程学术会议第十二届土力学及岩土工程学术大会第二十三届结构工程学术会议当时，当时，图3加固后挡墙墙背土压力分布3.1框架预应力锚杆加固后重力式挡土墙的土压力第十二届土力学及岩土工程学术大会第二十三届结构工程学术会议当时，当3.2挡土墙加固后的墙顶面上活荷载产生的土压力竖向土压力可按应力扩散角法计算：时，水平总土压力第十二届土力学及岩土工程学术大会14第二十三届结构工程学术会议3.3加固后重力式挡墙的抗倾覆稳定性分析图4抗倾覆稳定性验算简图第十二届土力学及岩土工程学术大会15

整体稳定性分析简图第二十三届结构工程学术会议3.4加固后重力式挡墙的抗滑移稳定性分析四.

框架预应力锚杆加固失稳重力式挡土墙的动力稳定性创新团队的基本情况第二十三届结构工程学术会议第十二届土力学及岩土工程学术大会图5框架预应力锚杆加固重力式挡墙地震土压力的分布第二十三届结构工程学术会议4.1框架预应力锚杆加固失稳重力式挡土墙的地震动力响应分析（1）框架预应力锚杆加固后重力式挡土墙的动力分析模型

对于一个框架预应力加固后的重力式挡土墙土质均匀边坡，地震时假定其破坏模式为直线破裂面破坏，这样破裂面以外土体由坡顶至坡脚就近似呈倒三角形分布。因此地震土压力的图形为一个倒三角形分布，相当于加固支挡结构仅发生第一振型。对于土体任意点，地震时所产生的位移：则土对挡土墙产生的地震动土压力强度为：

第十二届土力学及岩土工程学术大会18第二十三届结构工程学术会议其中：土体的最大位移可由下式求得[第十二届土力学及岩土工程学术大会19第二十三届结构工程学术会议图6土层和重力式挡墙质量分布示意图

根据公式（14）~（19）得地震时支档结构上的土压力强度：

则作用在加固框架锚杆结点处的动土压力为：第十二届土力学及岩土工程学术大会20第二十三届结构工程学术会议（2）加固框架预应力锚杆重力式挡墙的结构动力分析模型及控制方程

当仅考虑水平地震作用时，采用集中质量法进行加固框架预应力锚杆重力式挡墙结构地震响应分析，把锚杆简化为弹簧支座，以锚杆与框架相交结点为中心作为质量及重点。图7框架预应力锚杆加固重力适当结构动力分析模型图8加固立柱计算单元简图第十二届土力学及岩土工程学术大会21第二十三届结构工程学术会议其控制微分方程如下质量矩阵：刚度矩阵：为框架和重力式挡墙的等效剪切刚度矩阵为锚杆支座的弹性刚度矩阵。第十二届土力学及岩土工程学术大会第二十三届结构工程学术会议集中质量表达式：弹性支座刚度系数计算：因此在单位力作用下锚杆支座弹性变形量为：第十二届土力学及岩土工程学术大会23第二十三届结构工程学术会议（3）加固框架预应力锚杆重力式挡墙的结构振型反应分析及锚杆拉力设个独立单自由度方程式为：

式中：由于初位移和初速度都为零，上式的解为：第十二届土力学及岩土工程学术大会24第二十三届结构工程学术会议则动力方程的解为：即框架结构的动力位移为：拟静力位移为：从而得加固框架预应力锚杆结构各自由度的总位移：第十二届土力学及岩土工程学术大会第二十三届结构工程学术会议框架结构沿支座方向的等效静力，即锚杆拉力可表示为：从而得出加固框架预应力锚杆加固结构中锚杆拉力为：第十二届土力学及岩土工程学术大会第二十三届结构工程学术会议则第n个节点产生的地震作用惯性力为：抗震设计计算时可取：第十二届土力学及岩土工程学术大会第二十三届结构工程学术会议4.2框架预应力锚杆加固失稳重力式挡土墙的地震动力稳定性（1）加固后重力式挡墙的地震动力抗倾覆稳定性式中：为挡土墙自重引起的抗倾覆力矩；为墙趾处动土压力所产生的抗倾覆力矩为预应力锚杆设计极限拉力所产生的抗倾覆力矩；为加固重力式挡墙和墙背处土体动力产生的倾覆力矩第十二届土力学及岩土工程学术大会第二十三届结构工程学术会议（2）加固后重力式挡墙的地震动力抗滑移稳定性加固后的重力式挡土墙的抗滑移稳定性，可用下式计算：第十二届土力学及岩土工程学术大会五.结论第二十三届结构工程学术会议第十二届土力学及岩土工程学术大会第二十三届结构工程学术会议（1）以极限平衡理论为基础，对柔性加固后重力式挡土墙进行整体静力稳定性分析，推导出挡土墙的抗滑移稳定性和抗倾覆稳定性计算公式。（2）通过分析给出了地震动力计算模型，分析了地震动力作用，采用振兴分解法给出地震动力作用下地震作用和锚杆拉力计算公式。（3）采用极限平衡法，给出了地震动力作用下，框架预应力锚杆柔性加固重力式挡土墙的地震动力作用下抗倾覆和抗滑移稳定性计算公式。第十二届土力学及岩土工程学术大会主要学术方向取得的标志性成果

根据以上成果课题组编著了国内第一部《支挡结构设计》（朱彦鹏、罗晓辉、周勇）编著，高等教育出版社（2008年5月出版），出版了《支挡结构设计计算手册》（朱彦鹏、王秀丽、周勇），中国建筑工业出版社（2008年5月），该成果于2006年12月通过甘肃省科技厅成果鉴定，成果达到了国际先进水平。该成果在国道G75高速公路建设中得到应用。团队专家组在2010年8月7号舟曲洪水泥石流、8月12日陇南洪水泥石流发生之后对其泥石流的成因和防治对策进行调查，通过调查研究，在科技厅的领导下，组成兰州大学、兰州理工大学和甘肃林科院为主的研究团队共同申请了国家支撑计划“地震扰动区重大滑坡泥石流等地质灾害防范与生态修复”（2011BAK12B00）项目，团队主要成员承担“白龙江流域滑坡泥石流工程防治技术研究与示范”（2011BAK12B07），获得科技部764万元和省科技厅的60万元资助。2012年5月10号岷县特大暴洪泥石流发生之后，团队专家组在科技厅组织下作为省灾后调查专家组，对其泥石流的成因和防治对策进行调查，形成了调研报告，提交省科技厅供省政府灾后重建参考。2011年３月２日东乡县县城发生特大地质灾害，萨尔塔文体广场西北部发生大面积滑坡，县城出现大面积地面塌陷和不稳定斜坡。甘肃东乡县特大滑坡地质灾害灾后重建规划工作方案６月初确定。团队专家协助甘肃省地质灾害调查院完成的地质灾害治理方案，现在正在实施。第二十三届结构工程学术会议第十二届土力学及岩土工程学术大会甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室33地震扰动区重大滑坡泥石流等地质灾害防范与生态修复陇南成州民用机场高填方跑道土基处理试验及灾害防治研究

（甘肃省重大科技专项，528万）兰永一级公路高边坡和软弱土地基处治技术研究（210万）兰州低丘缓坡未利用地造地工程（485万，兰州市）庆阳市超大厚度黄土上修建超高建筑基础方案（198万，庆阳市）兰州地铁车站深基坑支护方案（68万，铁一院）

在重大岩土工程项目问题LanzhouUniversityofTechnology

甘肃省科技攻关项目“永久性柔性边坡支挡结构的地震作用分析与设计”（2GS064-A52-040）获2012年度甘肃省科技进步二等奖；国家自然基金及甘肃省科技攻关项目“支挡结构的分析与设计方法研究及其在黄土地区的应用”获2007年度甘肃省科技进步二等奖；在甘肃、青海、宁夏完成了200余项工程治理项目，效益数亿元。科研获奖第二十三届结构工程学术会议第十二届土力学及岩土工程学术大会六.目前开展的研究工作创新团队的基本情况第二十三届结构工程学术会议第十二届土力学及岩土工程学术大会项目负责人：王秀丽朱彦鹏“地震扰动区重大滑坡泥石流等地质灾害防范与生态修复”（2011BAK12B07，764万）国家科技支撑计划项目重大项目之一甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室重大项目工程应用情况第十二届土力学及岩土工程学术大会

白龙江流域滑坡防治综合技术研究；白龙江流域滑坡防治综合技术示范；白龙江流域泥石流防治综合技术研究；白龙江流域泥石流防治综合技术示范。成果可推广到所有西部滑坡泥石流的防治当中。解决的关键技术问题甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室第十二届土力学及岩土工程学术大会舟曲春长南路东侧高边坡治理工程第十二届土力学及岩土工程学术大会舟曲灾后重建项目春长南路东侧高边坡治理工程第十二届土力学及岩土工程学术大会40舟曲春长南路边坡治理舟曲锁儿头滑坡治理兰州市滑坡治理

在重大工程项目的应用情况舟曲南山滑坡治理甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室第十二届土力学及岩土工程学术大会项目负责人：朱彦鹏甘肃陇南成州民用机场高填方跑道土基处理试验及灾害防治研究

甘肃机场投资公司328万甘肃省重大科技项目200万重大项目之二第二十三届结构工程学术会议第十二届土力学及岩土工程学术大会甘肃陇南成州民用机场高填方跑道土基处理试验及灾害防治研究第二十三届结构工程学术会议第二十三届结构工程学术会议甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室第十二届土力学及岩土工程学术大会甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室固原机场水毁甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室固原机场水毁甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室延安新机场甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室固原机场水毁LanzhouUniversityofTechnology

山区机场高填方处置方法及工后沉降控制；山区机场高填方和挖方边坡的稳定性及加固措施；山区机场建成后防洪水、滑坡泥石流防治研究。成果可推广到天水机场、平凉机场的建设中。解决的关键技术问题第二十三届结构工程学术会议项目负责人：朱彦鹏兰州低丘缓坡未利用地造地工程420万兰州市人民政府重大项目之三第二十三届结构工程学术会议第十二届土力学及岩土工程学术大会LanzhouUniversityofTechnology兰州低丘缓坡未利用地造地技术规定兰州低丘缓坡造地检测兰州低丘缓坡造地第二十三届结构工程学术会议LanzhouUniversityofTechnology

湿陷性黄土地区荒山造地技术标准；造地时高填方处置方法及工后沉降控制；高填方和挖方边坡的稳定性；造地后洪水、滑坡泥石流防治研究。成果可推广到甘肃全省造地工程当中。解决的关键技术问题第二十三届结构工程学术会议项目负责人：朱彦鹏兰永一级公路软弱土地基处治技术可行性研究210万重大项目之四甘肃省交通厅第二十三届结构工程学术会议第十二届土力学及岩土工程学术大会1.1大规模公路通过土质较差的软土地区，控制软基稳定性及变形尤为关键桥头跳车及半挖半填路基处理在高速公路建设中的重要意义第二十三届结构工程学术会议LanzhouUniversityofTechnology

软弱路基处理技术及桥头跳车处理技术；高填方路基处置方法及工后沉降控制；高填方和挖方边坡的稳定性及加固方法；特殊路段的边坡加固技术研究。成果可推广到湿陷性黄土地区高速公路