基于能量原理的边坡工程抗震设计方法研究

So far the problem on dynamic stability evaluation of slopes under earthquake has not been resolved satisfactorily, the stability evaluation methods commonly used currently, such as pseudo-static method, Newmark method, and numerical methods and their stability evaluation criteria have their shortcomings. Catching the characteristic that seismic response of slopes is energy dissipation in essence, a seismic design method of slopes based on energy principle is put forward in this research. The method of shaking table model tests is employed in conjunction with theoretical analysis, numerical simulation and field investigation to analyze the transmission, transformation and dissipation process of energy, and the energy dissipation mechanism of slopes and their supporting structures during earthquake. A seismic stability evaluation criteria of slopes based on the energy concept is proposed, meanwhile, a new theoretical frame for seismic stability evaluation of slopes based on the energy principle is established, which can be realized through the secondary development of numerical analysis software. Finally, as an optimization design application of flexible supporting structures, a kind of prestressed anchor which connects energy-consuming devices is designed.The results of this subject can be directly used to guide seismic design of slopes, advance technological progress in the field of seismic stability analysis of slopes, and has important academic significance and application value.

地震作用下边坡的动力稳定性评价问题至今仍没有得到很好的解决，当前常用的拟静力法、Newmark方法、数值分析方法及其稳定性评价指标都存在一定的缺陷。本项目抓住边坡的地震响应本质上是能量的耗散这一基本特征，提出了一种基于能量原理的边坡工程抗震设计方法。项目综合运用振动台模型试验、理论分析、数值模拟和现场调查等技术手段，深入探讨地震时边坡及其支护体系中能量的传递、转化和耗散过程，研究地震作用过程中边坡及其支护体系的耗能机制，提出基于能量概念的边坡地震稳定性评价指标，初步建立基于能量原理的边坡工程抗震设计方法体系，通过数值分析软件的二次开发实现这一设计方法。最后提出一种新型的串联耗能装置的预应力锚索支护结构，作为柔性边坡支护结构抗震设计和课题成果的应用范例。项目的研究成果可直接用于指导边坡工程抗震设计，推动边坡地震稳定性分析领域的技术进步，具有重要的学术意义和工程应用价值。

作为岩土工程领域的一个重要课题，地震作用下边坡的动力稳定性评价问题至今仍没有得到很好的解决，当前常用的拟静力法、Newmark方法、数值分析方法及其稳定性评价指标都存在一定的缺陷。. 为此，本项目将能量方法引入边坡工程抗震设计领域，探讨了地震时边坡及其支护体系中能量的传递、转化和耗散过程，初步建立了基于能量原理的边坡工程抗震设计方法框架。为精确获取输入模型边坡的总能量，研制了一种双向自由振动模型试验装置。提出了一种基于动能突变的边坡失稳判据，基于最大剪应变增量，实现了边坡潜在滑动面的搜索和获取。通过模型试验和数值分析，揭示了边坡及其支护体系的耗能机制，结果表明，特定的模型边坡的耗能能力是一定的，其耗能主要集中在滑动面或滑动带上，土体阻尼和滑坡体内部耗能很小，地震触发滑坡后，滑坡体自身势能降为滑坡体提供了大量的能量。提出了基于耗能能力和耗能需求的边坡稳定性评价动静力统一指标，实现了边坡动力稳定性和静力稳定性评价指标的衔接和统一，该指标对于动力工况可给出明确的安全系数，有利于工程应用，对于静力工况，其安全系数和传统的极限分析法具有类似的物理意义。提出了一种改进的边坡稳定性分析超载系数法，通过加大重力加速度进行超载，同时对土体内摩擦角进行折减，使边坡在抗滑力维持不变的情况加大下滑力，其本质是通过超载，使边坡在原有土体强度状态下达到极限平衡状态。提出了一种耗能抗震预应力锚索，通过特殊的耗能锚固装置，改进了现有预应力锚索的抗震性能。提出了一种新型双肢耗能抗滑桩结构，地震时，双肢耗能抗滑桩的耗能连杆不断屈服并产生塑性变形，可显著增加地震过程中边坡及其支护体系的能量耗散，减小被支护边坡的剪应变，降低桩后土压力，较刚性抗滑桩具有更好的抗震性能，可显著提高被支护边坡的地震稳定性。. 项目的研究成果可用于指导边坡工程抗震设计，推动边坡地震稳定性分析领域的技术进步，具有重要的学术意义和工程应用价值。