挡土墙地震动响应解析解及挡土墙-土动力相互作用机制研究

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挡土墙作为公路工程、边坡工程等常用的一种支挡结构,具有适应范围广、稳定性好等特点。但是现有的震害调查表明,地震荷载作用下挡土墙可能出现滑移、倾覆、开裂等破坏,还会带来边坡失稳、交通中断等次生灾害。当前对地震作用引起挡土墙-土动力相互作用研究不够深入是造成挡土墙震后破坏的重要原因之一。相对于现有地震作用下挡土墙动力响应的解析研究方法取得的大量研究成果,地震作用引起挡土墙-土动力相互作用的研究还没有受到足够的重视。本文旨在通过建立一种基于Pasternak模型的简明解析方法来分别研究均质土和层状土中挡土墙的动力响应。利用现有连续介质模型、Scott模型计算结果、ABAQUS有限元计算结果与本文模型结果进行对比,验证了本文所提模型的准确性;利用修正Vlasov模型求解了刚度系数k和剪切刚度系数γ,并获得了均质土和层状土中挡土墙-土动力相互作用中各个物理量的解析表达式;利用PCA法定量研究了挡土墙-土动力相互作用中主要物理作用和随入射波频率的演化规律;结合层状土中挡土墙-土动力相互作用,考虑了土层不连续及夹层土对挡土墙-土动力相互作用的影响,研究层状土中挡土墙上的动态受力平衡主要影响因素机制的演变规律,为揭示挡土墙动力响应机理,实际挡土墙的工程抗震设计提供研究基础。鉴于此,本文取得的主要研究成果如下:(1)均质土中,在入射波频率接近ω1和3ω1时,不论是墙底固支还是铰支,挡土墙-土系统均容易出现类似共振的现象,且剪力和弯矩均在范围内呈现峰值,尤其是当入射频率接近ω1时,这种现象更明显。(2)均质土中,在系统入射频率ω/ω1≤1时,挡土墙刚度作用、土体连续性作用和土弹簧作用对挡土墙-土动力相互作用中起着主要作用,而在入射频率ω/ω1>1时,土弹簧作用和土体惯性力作用对挡土墙-土动力相互作用中起着主要作用。(3)两层土中,坚硬土层中土体连续性作用以及土弹簧作用会显著提高,并且当上层土相对软弱时,挡土墙处土体位移与邻近土体位移差别明显;三层土中夹层土的存在将显著影响挡土墙的地震动力响应,夹层土模量与相邻土层差异较大时土体连续性作用以及土弹簧作用会显著提高,并且随着夹层土相对刚度由强到弱,挡土墙受到土体的作用力也逐渐增强,并且当夹层土非常软弱时,挡土墙受到的动力作用可能会显著增强。(4)对于理想的层状土中挡土墙-土系统,应重点关注挡土墙刚度作用,土体连续性作用以及土弹簧作用,而挡土墙的惯性力与土体的惯性力为了简化计算可被忽略。
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