层状软岩边坡地震动力响应特征及抗震加固措施研究

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“5.12”汶川特大地震对震区公路边坡产生了不同程度的震裂松动等损伤,形成了大量的潜在不稳定岩土体,加之不定期发生的余震对震区公路边坡的施工及后期营运都存在潜在威胁。广甘高速公路是位于震区的一条在建的高速公路,该公路岩类全线以千枚岩为主,千枚岩具有明显的片理面,胶结程度低,其形成的不同类型的层状边坡,在地震作用下,易发生变形破坏。本硕士学位论文以―层状软岩边坡地震动力响应特征及抗震加固措施研究‖为题,详细阐述了广甘高速公路沿线的工程地质条件,基于室内物理力学试验,结合广甘路软岩边坡的工程地质调研资料,总结了广甘路软岩边坡的特征;通过数值模拟对层状软岩边坡的地震动力响应进行了研究,在此基础上,研究了框锚结构的抗震加固机理。对广甘高速公路典型边坡进行了动力稳定性评价,结合数值模拟结果和坡体地质结构对原设计方案进行了抗震优化。主要获得以下研究成果:(1)在室内物理力学试验的基础上,结合广甘路软岩边坡工程地质调研资料,总结了广甘路软岩边坡的特征:岩性为薄层状绢云母千枚岩,弱~强风化,岩体质量为Ⅳ~Ⅴ级,抗剪强度试验参数及变形参数较低,受水的软化作用较明显;强风化岩体段,在节理的切割作用下,岩体呈镶嵌、碎裂结构;地下水不发育;切坡发育少量石英质硬质岩脉,对边坡稳定性影响较小;边坡破坏模式主要有局部剥落、大面积垮塌、小规模滑移型破坏和滑移—前缘剪出型破坏。并结合工程地质类比法,给出了研究区千枚岩物理力学参数建议值。(2)通过分析坡体内最大主应力及坡脚剪应力,结合工程地质分析原理,研究层状软岩边坡水平地震动力作用下的响应特征:缓倾外、中倾外的层状软岩边坡易沿层面产生滑移,直立或陡倾内的层状软岩边坡易向临空面发生弯曲,故这两类边坡在地震动力作用下坡体中的拉应力区分布较广且坡脚剪应力较大,尤其是陡倾内的层状软岩边坡,在地震作用下,后缘易形成拉应力贯通;而陡倾外的层状软岩边坡在地震作用下,稳定性相对较好。(3)运用数值模拟,通过分析弱面倾角与锚固角度交叉组合下的坡面PGA放大系数来研究框锚结构的抗震效应,在此基础上,结合前述层状软岩边坡动力响应特征及锚固理论初步探讨了框锚结构的抗震加固机理:在水平地震作用下,对于缓倾外的层状软岩边坡,锚杆角度宜较缓以在水平方向提供一个较大的分力来平衡水平地震力,从而阻止边坡沿层面滑移;对陡倾外层状软岩边坡,锚杆应尽量与层面正交,通过对岩层面的垂向拉结,提高岩体的抗拉强度,增强岩体的整体抗震性;对于陡立、倾内的层状体坡,易发生倾倒和弯折,固锚杆角度宜相对较缓以提供较大的水平抗力来平衡水平地震力,限制岩体向临空面发生弯曲,另一方面将薄层状岩体锚固叠合在一起形成组合梁,增加岩体的整体抗弯刚度。(4)对广甘路典型层状软岩高边坡进行了动力稳定性评价,在汶川地震波作用下,第四、五、六级坡面强风化岩体段,易发生大面积的垮塌破坏或沿风化界面的滑塌破坏;第一、二、三、四级坡面弱风化岩体段,受片理面的控制作用,在地震过程中,易发生局部垮塌破坏,另外局部地方节理裂隙与片理面组合成的不利块体在地震作用下震裂、松弛,产生零散的岩块崩落。(5)对原设计方案在汶川地震波作用下的支护效果进行了数值模拟论证,并在前述框锚结构抗震加固机理的基础上,依据数值模拟结果,结合边坡的地质结构,对原设计方案进行优化。(6)结合广甘路沿线地区安全评估报告中的动参数合成人工地震波,并对原支护措施进行抗震评价,可知人工合成地震波作用下,原支护措施的抗震效果较好。
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