地震与冲击荷载作用下预应力式加筋土挡墙的工作机理及计算方法研究

In the background of reinforced soil performing excellently in disaster prevention during "5.12" Wenchuan Earthquake and "3.11" Earth Japan Great Earthquake, this project studies the earthquake and impact resistance and proposes a new technology of reinforced retaining wall withstand high earthquake resistance and strong impact resistance in view of the poor understanding of its dynamic behavior. Firstly, a pre-stressed reinfroced retaining wall with composite structures is developed based on the mechanism of defromation absorption of soft structure. Nextly, the shaking table test and impact model test are carried out to research the energy degradation, dynamic response and failure mechanism. Finally, a numerical simulation using LS-DYNA finite element code using a dynamic coupling constitutive model, is performed to recur the test processes to anallyze the transient vibration and deformation mechanism of the new type of retainning wall and to construct the resonable numerical methhod of the new type of retaining wall. The reserch will be of important social significance and practical value for the construction and safety maintenance for slope and road in mountain region, and will provide a scientific basis for the development and innovation for reinforced soil.

本项目以“5.12”四川汶川地震及“3.11”东日本大地震中加筋土在减灾性能上的卓越表现为背景，针对目前对其抗震耐冲击性能认识不足问题，开展了加筋土挡墙震耐冲击性能研究，并提出适用于地震山区的抗震效果好、耐冲击性能强的加筋土设计新方法。首先，根据柔性结构吸收变形能量机理，开发预应力加筋土挡墙的复合结构；然后，利用振动台小型模型试验及自行设计的耐冲击试验装置，进行该加筋土挡墙模型试验，揭示其在地震与冲击荷载下能量衰减规律，研究其振动响应特性及破坏机理；最后，建立复杂动荷载作用下耦合动力分析本构模型，基于动力有限元程序LS-DYNA进行数值模拟，与试验结果进行对比验证，分析复合式新型加筋土的瞬态振动响应，揭示地震及冲击荷载下加筋土变形机理，建立其抗震耐冲击设计计算方法。该研究将对我国山区边坡及道路工程建设和安全维护具有重要的社会意义和实用价值，为加筋土技术的发展和创新提供理论依据。

本项目以“5.12”四川汶川地震及“3.11”东日本大地震中加筋土在减灾性能上的卓越表现为背景，为提升加筋土结构的抗震耐冲击性能，提出一种适用于地震山区的抗震效果好、耐冲击性能强的预应力加筋方法。该预应力装置由前后挡板和螺杆组成，通过预应力构件对筋材施加预张拉使其相对土体向外拉伸变形，并沿筋材轴力方向产生预应力，使得筋材提前发挥作用，约束土体，这样不仅提高刚度，还增强了加筋土整体的抗变形能力。为验证该预应力加筋结构的抗震、抗冲击性能，完善其设计理论，先后开展了地震荷载作用下和冲击荷载作用下预应力加筋土挡墙动力性能及计算方法研究、交通荷载作用下预应力加筋路堤沉降控制研究以及不均匀沉降条件下加筋土挡墙变形性能研究。结果表明：1.在地震荷载作用下，预应力返包式加筋土挡墙既增加了挡墙的整体刚度，有助于减小侧向变形，又提高了挡墙层与层之间的整体连接性，使其可以更好地发挥筋材的作用，挡墙的抗震性能进一步提高；2.在冲击荷载作用下，预应力对于挡墙变形的控制要优于筋材以及缓冲层对于变形的控制，通过对筋材施加预应力，使得筋材与土体之间的摩擦力提前得到发挥，土体的准黏聚力得到提高，改变了填土的力学性能，加筋土挡墙的抗冲击性能得到了明显的提升，将加筋土挡墙与预应力技术结合应用在抵抗落石、滑坡等冲击荷载领域是切实可行的；3.预应力的施加使得筋材的抗弯性能得到提升，当受到交通荷载时，筋材的抗弯能力会抵消一部分附加应力，从而降低了路堤中及传递到路基的附加土压力，减小了路基沉降量；且由于预应力的施加增强了路堤填料的密实度，使得路堤承载能力提升；4.筋材与面板的刚度差异导致差异沉降条件下，加筋土挡墙筋材与面板连接处发生“应力集中-断裂-分离”现象，而施加侧向约束能减弱这种破坏程度，本项目提出的理论公式可计算和预测筋材的变形曲线及变形范围，有助于超高层加筋土挡墙的设计研究。