基本信息
- 项目名称：
- 地震作用下复合土钉支护边坡动力响应分析
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 采用大型有限元软件ADINA对复合土钉支护边坡进行了地震响应分析。在建立有限元模型时，考虑了土体和支护结构相互作用；应用非线性静动力性能的弹塑性M-C模型模拟土体；采用双线形强化模型模拟支护结构；土与支护结构相互作用由接触单元模拟。得出的结论为永久性支护边坡抗震设计提供依据，可供类似工程设计参考。
- 详细介绍：
- 采用大型有限元软件ADINA对复合土钉支护边坡进行了地震响应分析。地震波输入选用了常用的EL－Centro波，分析内容包括支护边坡位移、加速度、土钉、锚杆的轴力时程响应。在建立有限元模型时，考虑了土体和支护结构相互作用；应用非线性静动力性能的弹塑性M-C模型模拟土体；采用双线形强化模型模拟支护结构；土与支护结构相互作用由接触单元模拟。结果表明复合土钉边坡支护结构比纯土钉边坡支护结构有更好的抗震性能，普通土钉支护最大水平位移发生在边坡顶部，而复合型土钉支护发生在边坡的中上部，尤其是在施加了预应力之后，边坡在地震作用下位移明显减小，土钉和锚杆轴力在地震作用下放大显著，在滑移面附近轴力最大，位移和加速度沿着坡高逐渐增大。得出的结论为永久性支护边坡抗震设计提供依据，可供类似工程设计参考。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目前，对于纯边坡在地震作用下的动力分析研究相对较多，但考虑支挡结构与边坡协同工作的动力研究甚少。随着越来越多的高边坡支护中应用到复合土钉这种柔性支挡结构，深入开展地震作用下黄土地区复合土钉支护结构的动力分析和研究，对保证公路、铁路和建筑物的使用安全、减少滑坡对公路、铁路和建筑物的危害有重大的现实意义。
科学性、先进性及独特之处
- 文章采用大型非线性有限元分析软件ADINA对一边坡在地震作用下的变形、加速度、土钉、锚杆轴力进行了计算和参数分析。考虑土体和支护结构相互作用及其协同工作，建立三维有限元模型。应用了非线性静动力性能的弹塑性模型模拟土体；采用双线形弹塑性模型模拟支护结构；土与支护结构相互作用由接触单元模拟。主要分析了输入地震波后边坡位移峰值、加速度峰值、土钉、锚杆的地震响应，可以作为今后工程设计的参考。
应用价值和现实意义
- 通过对复合土钉支护结构进行动力有限元分析，结果表明复合土钉边坡支护结构比纯土钉边坡支护结构有更好的抗震性能，普通土钉支护最大水平位移发生在边坡顶部，而复合型土钉支护发生在边坡的中上部，尤其是在施加了预应力之后，边坡在地震作用下位移明显减小，土钉和锚杆轴力在地震作用下放大显著，在滑移面附近轴力最大，位移和加速度沿着坡高逐渐增大。得出的结论为永久性支护边坡抗震设计提供依据，可供类似工程设计参考。
学术论文摘要
- 采用大型有限元软件ADINA对复合土钉支护边坡进行了地震响应分析。地震波输入选用了常用的EL－Centro波，分析内容包括支护边坡位移、加速度、土钉、锚杆的轴力时程响应。在建立有限元模型时，考虑了土体和支护结构相互作用；应用非线性静动力性能的弹塑性M-C模型模拟土体；采用双线形强化模型模拟支护结构；土与支护结构相互作用由接触单元模拟。结果表明复合土钉边坡支护结构比纯土钉边坡支护结构有更好的抗震性能，普通土钉支护最大水平位移发生在边坡顶部，而复合型土钉支护发生在边坡的中上部，尤其是在施加了预应力之后，边坡在地震作用下位移明显减小，土钉和锚杆轴力在地震作用下放大显著，在滑移面附近轴力最大，位移和加速度沿着坡高逐渐增大。得出的结论为永久性支护边坡抗震设计提供依据，可供类似工程设计参考。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1]董建华，朱彦鹏，地震作用下土钉支护高速公路边坡动力参数分析[J]. 西安建筑科技大学学报（自然科学版）, 2007, 39（5）: 661-666. [2]董建华，朱彦鹏.土钉土体系统动力模型的建立及地震响应分析[J].力学学报.2009，41（2）：236-242. [3]董建华, 朱彦鹏. 地震作用下土钉支护边坡稳定性分析[J]. 中国公路学报, 2008, 21(6): 20-25. [4] 钱家欢, 殷宗泽. 土工原理与计算(第二版) [M].北京: 中国水利水电出版社,1996. [5]《建筑边坡工程技术规范》（GB50330—2002）．北京：中国建筑工业出版社，2000..
同类课题研究水平概述
- 人们对复合土钉支护结构的研究还不够深入，存在着理论滞后于实践的现象。但自复合土钉墙产生以来，国内外学者就开始了对复合土钉墙的理论研究，尤其在静力方面的研究较多，并取得了一定的成果： 陈肇元[9](清华大学，1999)对复合土钉支护结构形式和适用条件作了详细的分析研究，并指出不同形式的复合土钉支护工作机理不完全相同，应针对不同支护形式建立不同的分析方法。 汤风林[10](中国地质大学，1999)结合广州地区工程实例讨论了复合土钉支护技术的应用情况。 黄力平[11](深圳市勘察研究院，1999)根据深圳地区工程实践，提出了挡土挡水复合型土钉支护设计方法。 杨林德[12](同济大学，2000)采用带转动自由度的Goodman单元对复合土钉支护结构进行非线性有限元分析。 国内学者王思敬在1977年对岩体边坡的动力问题开始研究。后来李秉生等也进行了边坡动力的研究。 董建华、朱彦鹏[20-24]用拟静力法建立了地震作用下土钉支护边坡稳定性模型，推导了边坡滑移面圆心位置与稳定系数之间的函数关系。针对水平地震作用下竖向条分在计算地震惯性力和抗滑力矩时存在计算上不合理这一问题，采用竖向条分和水平条分结合的方法对土钉支护边坡地震稳定性分析方法进行了改进。利用遗传算法对最危险滑移面的圆心进行动态搜索，采用面向对象程序设计语言VC++编制了程序，实现了土钉支护边坡稳定最小安全系数的自动寻优。 同时，建立土钉土体系统动力计算模型，以此为基础，建立土钉土体系统地震动力作用下的阻尼微分方程，求解了在简谐地震作用下土钉动力响应的解析解；建立土钉支护边坡地震动力简化模型，通过该模型可以得到滑移面附近土钉轴力动力响应和土钉支护边坡的弹性动位移响应，为土钉支护边坡的第一阶段地震分析和抗震设计提供了依据。 运用功能原理建立地震作用后永久位移计算模型并求解，根据土钉柔性结构特性，对土钉震后随土体滑移机理提出褶皱台阶变形来计算土钉的滑移摩阻作功，给出基于边坡永久位移控制的土钉支护结构动态设计理念及程序步骤，并用实例进行计算及数值验证。 由于目前在西北地区越来越多的高边坡支护中应用到复合土钉这种柔性支挡结构，因此，深入开展地震作用下黄土地区复合土钉支护结构的分析和设计研究，对保证公路、铁路和建筑物的使用安全、减少滑坡对公路、铁路和建筑物的危害有重大的现实意义。
