地震诱发滑坡不仅直接造成经济损失和人员伤亡,而且导致交通生命线中断,给抗震救灾工作带来极大不便.锚拉式桩板挡墙结构通过对边坡坡体施加主动约束,有效改善岩土体的应力状态,提高边坡的稳定性,因而被广泛应用于边坡支护工程中.但其在地震过程中是否发生破坏,以及发生各级破坏的风险有多大,成为锚拉式桩板挡墙抗震设计中需要面临的新问题.本文将基于性能的抗震设计理念引入到锚拉式桩板挡墙支护边坡的抗震研究中,采用理论分析与数值计算相结合的方法,对墙-土-锚的动力耦合作用进行探讨,建立锚拉式桩板挡墙的动力有限元模型,研究结构的地震易损性与安全风险,并对其抗震安全进行评估,主要研究内容和成果如下:
　　① 在极限平衡理论框架内,根据变分学原理将挡土墙的地震主动土压力转化为以两个拉格朗日常数为未知量的函数优化问题,对不同变位模式下挡墙的地震主动土压力大小、作用点位置以及相应的滑裂面形状进行研究.结果表明:极限平衡变分法可有效估计挡墙可能变位模式下的地震主动土压力大小及作用点位置的区间,可为锚拉式桩板挡墙的抗震设计提供依据.
　　② 基于锚-土界面的软化剪切模型与锚固体的荷载传递模型,建立土层锚杆受拉全过程的数学模型,并借助Matlab程序对锚杆的拉拔受力进行数值计算.结果表明:该方法能准确的模拟锚杆的拉拔受力过程,得到完整的荷载-位移曲线,确定锚杆的承载力,且易于程序化实现,可为后续锚拉式桩板挡墙的抗震设计与动力分析奠定基础.
　　③ 将锚拉式桩板挡墙支护边坡各组成要素等效为实体杆件并赋予杆件相应的本构关系,基于OpenSees建立锚拉式桩板挡墙的等效动力有限元模型,并对其静动力响应进行分析.结果表明:静力作用下,挡土墙的剪力总体上大致呈倒"S"型分布,最大剪力出现在开挖面附近;挡墙的水平位移从墙底到墙顶逐渐增大.随着PGA的增大,墙顶累计位移逐渐增大,峰值剪力也逐步增大,且远大于静力作用下的剪力;随着坡高的增加,土体的加速度放大系数随之增加,并与PGA呈正相关关系;在极限抗拉承载力范围内,锚杆轴力与加速度幅值成正比;达到抗拉强度后,锚杆逐渐失效,其轴力减小,失效后的残余强度随PGA的增大而减小.
　　④ 选取墙顶的累计位移指数δCDI为结构需求参数,基于 PEER 数据库选取大量地震波对锚拉式桩板挡墙进行动力时程分析,并分别采用云图法和条带法建立其概率地震需求模型.结果表明:随着地震动强度的增大,采用云图法和条带法获得的需求中位值均呈线性增长,云图法得到的中位值为一条直线,而条带法得到的中位值为分段直线;同时,云图法得到的对数标准差为一固定值,而条带法得到的对数标准差随地震强度的变化而发生改变.
　　⑤ 根据支挡结构的破坏模式分析,结合地震作用下锚拉式桩板挡墙的损伤状态和使用情况,将锚拉式桩板挡墙的抗震性能划分为基本完好、轻微破坏、中等破坏和严重破坏四个水准,并得到与之对应的轻微破坏 LS1、中等破坏 LS2 和严重破坏LS3三个极限状态.假定黏滞阻尼(ζ)服从正态分布,其余不确定性参数(钢筋弹性模量Es、混凝土弹性模量Ec、黏性土的重度γ、黏聚力c及内摩擦角φ)均服从对数正态分布,采用基于点估计的随机IDA方法得到各个极限状态的抗震能力值,与已有研究成果较为接近,说明该法适用于锚拉式桩板挡墙结构的抗震能力分析.
　　⑥ 将概率地震需求模型和抗震能力模型进行卷积,导出了锚拉式桩板挡墙的解析易损性函数,借助Matlab程序得到相应的地震易损性曲线.根据易损性曲线,得到锚拉式桩板挡墙在不同水准(小震、中震和大震)地震作用下发生各级破坏的概率.结果表明:易损性曲线总体呈"S"型分布,从轻微破坏(LS1)到严重破坏(LS3),曲线逐渐变的扁平,即对应同一地震动强度,其失效概率越来越小.在小震作用下,结构保持基本完好状态,发生破坏的可能性极小.中震时结构出现了发生各级破坏的可能性,但主要以轻微破坏为主.大震时结构发生各级破坏的可能性都极大的提高,但都在可控范围内.
　　⑦ 在概率地震需求分析和抗震能力分析的基础上,引入地震危险性的经典幂函数,建立地震安全风险的解析函数,计算各极限状态的年平均失效概率和使用期内发生各级破坏的失效概率,进而对锚拉式桩板挡墙的抗震安全进行评估.结果表明:由于考虑了结构能力的不确定性,锚拉式桩板挡墙各极限状态的地震安全风险略大于地震需求风险;锚拉式桩板挡墙在50年基准使用期内发生轻微破坏(LS1)的概率分别为11.9%(5点估计法)和9.5%(7点估计法),远远小于63.2%,发生中等破坏(LS2)的概率分别为2.9%(5点估计法)和2.7%(7点估计法),均小于10%,发生严重破坏(LS3)的概率分别为1.2%(5点估计法)和1.3%(7点估计法),均未超过2%,满足抗震设防的三个水准.