废旧轮胎加筋路堤边坡抗震性能研究

　　废旧轮胎加筋路堤边坡抗震性能研究-->第1章绪论1.1研究的意义和目的地震是地壳内的能量瞬间释放引起地面振动的一种自然灾害，它不仅直接造成巨大的人员伤亡和财产损失，而且还诱发很多如泥石流、海啸、滑坡、地陷和崩塌等次生地质灾害，同时还会造成土体强度降低，路堤边坡发生失稳破坏。例如，1960年发生在智利的迄今为止记录到规模最大的里氏9.5级大地震，造成数以千计的崩塌和滑坡，其中出现了体积分别为300万m3、600万m3和3000万m3的三次大滑坡[1]。1994年的美国的北岭市地震诱发了1.1万处面积超过104km2的滑坡[2]。2008年发生在我国的汶川大地震，由于震区的地貌为山岭，对地震作用下地形的放大效应极为显著，引发的滑坡、崩塌次生地质灾害非常之多，实属罕见，但滑坡多发生在边坡土体的中上部和山体的临空面[3]。2010年发生青海玉树县的7.1级地震，诱发92处崩塌、65处不稳定斜坡和41 处滑坡，道路、铁路运输通道的路堤边坡破坏现象非常严重，增加了救援的难度，造成了很大的人员伤亡和巨大的财产损失[4]。我国处在欧亚和太平洋两大世界上最活跃的地震带之间，受地震影响范围广，其中高烈度地震区大部分分布在山区，而山区在全国面积中约占2/3，随着国民经济的快速发展，在山区开工建设公路工程和铁路交通运输是必不可少的。由于山区地段是地震多发区，在地震的作用下道路路基易发生破坏。因此，在道路设计时必须考虑保障强烈地震作用下道路交通运输工程的通畅，特别是对于群山万壑的西部山区，道路稀少，又是地震高发区，在强震作用下保证其道路的通畅尤其重要。废旧轮胎的摩擦性能好、韧性高和耐久性好等独特的力学性能，废旧轮胎作为加筋材料使用，特别用于路堤的加筋，可以增强路堤边坡在地震作用下的稳定性。废旧轮胎应用于路堤工程可以有效地分配土体承受的荷载，约束土体的变形，提高路堤的刚度、强度和稳定性。与其它土工合成材料，例如土工格室、土工格栅以及土工袋等相比，轮胎作为一种新型土工合成材料，不仅为处理废旧轮胎开辟了新途径，又为边坡、路堤、地基和挡土墙加筋等提供了新思路和新方法。……..1.2国内外研究现状 加筋土是在土体中交替铺设一层或者多层加筋材料形成土与筋的复合体，土体与筋材之间相互作用，能不同程度地提高土体结构的抗剪强度和变形特性，从而提高土体结构的稳定性[5]。应用加筋土技术在国内外具有上千年，如修建道路时在土体内加入编织的芦苇或者木排等[6]。早起的加筋技术完全依靠经验，对加筋土缺少相应的理论和试验研究。直到1963年，法国学者亨利•维达尔通过三轴模型试验发现，在土体中加入适量的有机纤维后，土体的抗剪强度比原来的增强了好几倍，亨利•维达尔据此首次提出了现代加筋土的概念，并发表了他的科研成果[7]。加筋土技术的提出，得到了相关专家学者的广泛重视，加筋土技术得到快速的发展。从近年来的技术研究和工程实践来看，加筋土技术在静载作用下的理论研究已经基本成熟，有的国家也制定了相应的技术规范并应用于工程实践中。但加筋土尤其是废旧轮胎加筋土路堤边坡在地震荷载作用下的稳定性和边坡的动力响应特性由于影响因素很多，还须进行相关深入的研究。目前国内外大量的专家和学者开展地震作用下加筋路堤边坡稳定性研究的常用手段有现场振动台试验、室内振动台试验和动力稳定性理论分析等，以研究地震作用下速度、加速度和位移的动力响应放大效应及其规律，为加筋土技术在高地震烈度区的应用提供重要的参考和借鉴。……… 第2章废旧轮胎加筋路堤边坡振动台试验2.1引言地震作用下路堤边坡的稳定性是岩土工程研究的重要内容之一，开展路堤边坡在地震作用下的动力响应特性的试验研究，可以经济合理地对其进行抗震设防，使路堤边坡在遇到地震时具有较大的柔性和韧性以消耗地震的能量，减轻地震对路堤边坡的破坏。废旧轮胎加筋土结构是近10年来发展的一种新技术（若干废旧轮胎整胎或沿环向切割连接成串，形成网状或条状结构，充填土石料，用于对挡土墙、边坡、地基、桥台和岸堤等工程加筋抗震）[31-35]，其加筋原理类似与土工合成材料。废旧轮胎加筋土结构变形适应性、长期稳定性、拉伸模量和其立体嵌锁结构等都较优，废旧轮胎是一种柔性材料，抗震和防撞性能良好，施工快速，成本低廉，对环境及地下水无负面影响，耐久性较好[36-40]。正是由于废旧轮胎具有强度高，韧性好，耐久性好，不易腐蚀，抗震防震性能优良，良好的变形适应性能和长期稳定性。如果将废旧轮胎应用于土体加筋中，不但可以解决废旧轮胎造成的环境问题，而且可以为加筋土工程提供大量的廉价优质的加筋材料。Keun等（2011）和张达德等（2011）研究发现，废旧轮胎的极限拉拔阻力是土工格室的1.25 倍[41]P；经切割的轮胎与砂土能紧密夯实并增加承受法向应力的面积，但轮胎与轮胎间的拉伸变形将影响其拉拔阻抗，轮胎间不同连接材料及不同连接方式可能对拉拔结果产生较大影响[42]。轮胎加筋砂土地基的极限承载力是未加筋的2倍，并且轮胎去掉侧壁的加筋效果优于传统土工格室。汶川地震造成大量滑坡和崩塌发生，对此，主要采取了废旧轮胎加筋抗滑挡墙、加筋碎石土滑坡体和种植香根草的措施[43]。………2.2试验仪器与材料参数本试验在武汉大学振动台试验室中的单向电流模拟地震振动台上进行，该振动台采用电液伺服驱动方式，其主要技术指标如下：台面尺寸为2m2m，水平向最大加速度为1g，最大位移为100mm，满载负荷2.5t，工作频率0.1Hz~100Hz。边坡模型堆放在净空尺寸为2.15m1.0m0.76m（长宽高）的大型模型箱内，用14个高强螺栓将模型箱固定在振动台上，以使模型箱和振动台形成一个整体，如图2.1所示。试验采用江苏东华测试技术有限公司生产的DH112压电式加速度传感器（如图2.2）对模型加速度响应进行监测；电荷放大器采用具有4个通道的AZ804-A电荷放大器，最大放大倍数为100倍，低通最大滤波为 500HZ；数据采集器采用南京安正软件工程有限公司开发的AZ308R数据采集器（如图2.3）。路堤边坡振动台模型试验结果的合理性和可靠性取决于路堤边坡振动台模型是否真实地反应实际工程中真实路堤边坡的工作状态[44]。由于土体的物理力学性质随其组成成分、加载的方式、施加荷载的大小和长短以及历史等原因不同而变化，造成土体的性质各异，试验很难找到一种能全面考虑这些影响因素和特征的模拟材料。因此本试验采用武汉地区的砂土，加筋材料采用实际生活中的电动车废旧轮胎，试验过程中保持砂土的质量密度和含水率与采用土样地区实际路堤边坡的相同，即可近似认为试验设计的路堤边坡与实际工程中的路堤变坡的无量纲系数相等。以模型几何尺寸、密度-->和输入的加速度为控制量，按Buckingham的π定理进行振动台边坡模型的相似关系分析，用相应的相似关系公式得出对应物理量的相似系数，如表2.3所示，通过特定的相似关系，将路堤边坡模型的变化规律推算到实际工程中。………第3章废旧轮胎加筋路堤边坡 FLAC3D模拟分析.........233.1引言.......233.2FLAC3D动力反应分析方法......233.2.1边界条件的设置.......233.2.2动力荷载输入.........253.2.3边界阻尼的设定.......273.3建立模型以及选取参数.......283.3.1建立计算模型.........283.3.2材料的本构模型和参数选取.....313.3.3废旧轮胎加筋的模拟...........323.4模拟结果分析.......33.5振动台试验结果与FLAC3D计算结果对比分析.....473.6本章小结...........49第4章结论与展望........514.1结论.......514.2展望.......52第3章废旧轮胎加筋路堤边坡FLAC3D模拟分析3.1引言20世纪60年代Ishizaki Hatekeyama首次运用数值分析方法分析路堤边坡的动力响应特性[49]。岩土工程中常用的数值分析方法有有限单元法和有限差分法，FALC3D作为目前通用的岩土工程有限差分法分析软件的一种，相对其他分析软件在计算方面具有以下几个优点:土体材料发生塑形流动和破坏采用的是混合离散法模拟，这使得计算的结果更加的准确、合理；在分析动荷载作用下土体的变化时采用动态的运动方程和显示差分法进行求解计算，使得发生的大变形可采用小变形的本构关系来计算。在计算动力作用下结构物的响应特性时，FLAC3D采用完全非线性的分析方法，将等效线性分析方法中的模量衰减曲线以阻尼的形式嵌入到程序中，使得FLAC3D动力分析的结果与真实的实际情况相吻合。本章基于FLAC3D的非线性动力反应分析，研究素土路堤和不同加筋间距的废旧轮筋加筋路堤在地震作用下的动力响应特性，对于揭示地震作用下废旧轮胎的加筋效果以及合理的设置加筋路堤具有重要的意义。运用FLAC3D进行路堤边坡的动力反应分析分为以下两步进行：重力作用下的静力分析计算和输入动力荷载后的动力分析计算，其中静力分析是动力分析计算的基础。在第一步中确定模型的尺寸、网格建模、材料参数和本构模型等，完成初始应力的计算。第二步在第一步的前提上，施加动力，进行路堤边坡的动力响应分析。再进行动力分析时应考虑以下三个方面的问题：①地震荷载的输入和边界条件的设置②力学阻尼的选定③ 模型中地震波的传播情况。……..结论本文通过大型振动台模型试验并结合FLAC3D动力分析，研究了地震作用下素土和加筋间距为110mm、55mm、0mm的4组路堤边坡模型的动力响应特性，对地震作用下的边坡模型的加速度响应进行了探讨，通过振动台试验的结果和FLAC3D的分析结果，初步揭示了废旧轮胎加筋土路基边坡的抗震机理，可为废旧轮胎加筋土结构在地震作用下的设计和工程应用提供一定的理论参考，丰富和发展了土工合成材料加筋土理论，主要研究结论如下：（1）与素土相比，废旧轮胎加筋可有效地阻隔地震力的传递，降低路堤边坡对地震加速度的放大效应，显著地减弱土体在地震作用下的破坏程度，这与FLAC3D数值计算的结论相同。在振动台上当施加的加速度为0.4g时，废旧轮胎加筋后坡顶的加速度放大倍数与素土相比，汶川波、EI波、三峡波、作用下减小幅度分别达到32%、17%，19%、22%。（2）轮胎加筋边坡和素土边坡在不同地震波的作用下，都是1/3 坡高以后，其加速度放大倍数都逐渐增大，且素土与加筋土加速度放大倍数差别开始变得显著，并在靠近路堤边坡顶部位置达到最大值。（3）轮胎竖向加筋间距越小，路堤边坡水平加速度放大倍数越小，与素土相比加速度放大倍数减小幅度越大，抗震效果越好。（4）在相同加筋方式下，施加的水平地震强度较大时，加筋边坡的加速度放大倍数减小效果更明显。（5）在同种加筋方式和地震强度机理下下，输入的地震波不同，路堤边坡加速度响应也有所差异，迁安波产生的加速度响应明显强于其他三种地震波的激励。（6）各种加筋方式下，路堤边坡加速度响应效果具有普适性，在不同地震波作用下规律一致。............