地震作用下抗滑桩悬臂长度影响及桩顶锚拉组合结构响应分析

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我国西部区域地形地质十分复杂,高烈度地震频发,铁路、公路路基工程能否在地震动力作用下保持稳定具有非常重要意义。目前,针对纯悬臂式抗滑桩在静力作用下的研究较多,但对于处于高烈度地震区抗滑桩的抗震性能的研究比较缺少,锚索桩在地震作用下的动力响应特征较为缺乏。采取ABAQUS有限元数值模拟软件,建立了桩身下部嵌固、桩身埋置于土体、桩底嵌固对应于岩质、土质、土-岩双层三种地基形式的计算模型,研究桩身加速度、悬臂段土压力及分布形式、桩顶位移及桩身内力,探讨了不同工况下的悬臂长度影响。建立长悬臂段抗滑桩采取桩顶锚拉加固结构数值模型,对锚固段长度、锚索倾角、预应力大小、抗滑桩截面尺寸与桩间距等材料参数进行优化分析,提出了各影响参数的合理取值范围。针对高烈度地震近场区考虑竖向地震作用,在土-岩双层地基条件15m悬臂段锚索桩模型底输入水平+竖向地震共同作用,与仅施加水平地震作用的动力响应结算结果相对比。
  论文主要研究内容与成果如下:
  (1)总结了国内外关于纯悬臂式抗滑桩与预应力锚索桩结构加固边坡的理论研究、模型实验以及有限元数值分析成果,归纳总结了加固机理及研究现状。
  (2)采用ABAQUS对悬臂式抗滑桩在三种不同地基形式、三种不同悬臂段长度和三种不同地震动峰值加速度的动力响应分析进行了模拟,计算结果表明,桩身峰值加速度与高程关系,岩质地基地面线以下基本不变,地面线以上呈非线性加速放大,土-岩双层地基呈先减小,地面以上逐渐增大的“凹”形分布,土质地基条件下的“凹”形分布趋势则更为明显。桩身动土压力、残余土压力与桩身内力峰值响应均为岩质地基>土质地基>土-岩双层地基。位移响应在岩质、土质与土-岩双层地基形式下分别为嵌固、沿地面处转动加平动、沿桩趾处铰支的变位模式。以桩顶水平相对位移为控制标准,三种地基形式下抗滑桩合理悬臂长度为岩质地基>土-岩双层地基>土质地基。
  (3)以土-岩双层地基下15m悬臂段抗滑桩为模型基础,建立了桩顶锚拉加固以限制位移的锚索桩数值模型,分别选取锚索倾角、预应力量值、锚固段长度、抗滑桩截面尺寸和桩间距等作为工程设计优化参数,研究了桩顶水平相对位移、桩背土压力、桩身内力与锚索轴力等动力响应特征,通过单变量分析,提出了各设计参数的优化建议方案:锚索倾角30°~45°、锚索预应力300kN~400kN、锚固段长度8m、抗滑桩截面尺寸1.2m×1.8m~1.5m×2.25m,桩间距5m。
  (4)针对高烈度地震近场区竖向地震作用明显的特点,在土-岩双层地基15m悬臂段锚索桩模型底部输入水平+竖向加速度共同作用,与只输入水平加速度的计算模型相对比,探讨了增加竖向地震作用下的加速度、桩顶位移、桩背土压力与桩身应力等响应特征,研究表明,桩身加速度响应几乎不发生变化,桩后土体加速度响应增大,桩身悬臂段最大土压力合力0.2g时增加26.3%,因桩后土体可能发生塑性变形,随PGA增大土压力增量减小,桩身剪力与弯矩略微减小。
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