地震作用下新疆喀什高台民居基于变形控制的土遗址边坡加固设计研究

第４６卷㊀第２期２０２４年３月
地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报
C H I N A E A R T H Q U A K EE N G I N E E R I N GJ O U R N A L
V o l ．４６㊀N o ．２
M a r c h ,２０２４
㊀㊀收稿日期:２０２３Ｇ０２Ｇ０７
㊀㊀基金项目:新疆维吾尔自治区高校科研计划(X J E D U ２０２０I ０１１
)㊀㊀第一作者简介:张一驰(１９９６－),男,硕士,研究方向为岩土工程.E Ｇm a i l :l y z y
c ９６＠１６３．c o m .㊀㊀通信作者:刘㊀健(１９７９－),男,副教授,硕士生导师,研究方向为岩土工程.E Ｇm a i l :x j l i u j
i a n １１７＠１６３．c o m .张一驰,刘健,杨光．地震作用下新疆喀什高台民居基于变形控制的土遗址边坡加固设计研究[J ]．地震工程学报,２０２４,４６(２)
:３８８Ｇ３９８．D O I :１０．２００００/j
．１０００Ｇ０８４４．２０２３０２０７００１Z HA N G Y i c h i ,L I UJ i a n ,Y A N G G u a n g ．R e i n f o r c e m e n t d e s i g no f t h e e a r t h e n s i t e s l o p e f o r r u r a l h o u s e s i n t h eh i g h l o e s s s l o p
e o fK a s h g a r ,X i n j i a n g ,u n d e r e a r t h q u a k eb a s e do nd e
f o r m a t i o n c o n t r o l [J ]．C h i n aE a r t h q u a k eE n
g i n e e r i n g J
o u r n a l ,２０２４,４６(２):３８８Ｇ３９８．D O I :１０．２００００/j
．１０００Ｇ０８４４．２０２３０２０７００１地震作用下新疆喀什高台民居基于变形控制的
土遗址边坡加固设计研究
张一驰１,刘㊀健１,杨㊀光２
(１．新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆乌鲁木齐８３００５２;
２．新疆新工勘岩土工程勘察设计院有限公司,新疆乌鲁木齐８３００５２
)摘要:为验证地震作用下格构式锚杆挡墙加固土遗址边坡的有效性,
以新疆喀什高台民居土遗址边坡现有加固段为研究对象,利用有限元软件M i d a s /G T X N X 建立三维动力分析模型,
对地震作用下格构式锚杆挡墙加固土遗址边坡的变形控制进行研究分析.结果表明:地震作用下土遗址边坡在坡顶与坡脚处产生严重的位移变形,且随着地震持时增加呈现累加效果;土遗址边坡加固后能有效控制水平方向与垂直方向的位移变形,最大位移变形值满足控制要求;土遗址边坡加固后地震作用下的稳定性系数提高至１．５４,满足规范要求值１．１５.研究成果验证了格构式锚杆挡墙加固土遗址边坡能够有效控制位移变形,并提高稳定性.
关键词:土遗址边坡;地震;格构式锚杆挡墙;位移变形;稳定性中图分类号:T U ４４㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:１０００Ｇ０８４４(２０２４)０２－０３８８－１１
D O I :１０．２００００/j
．１０００Ｇ０８４４．２０２３０２０７００１R e i n f o r c e m e n t d e s i g no f t h e e a r t h e n s i t e s l o p
e f o r r u r a l h o u s e s i n t h e h i g h l o e s s s l o p e o fK a s h g a r ,X i n j i a n g ,u n d e r e a r t h q
u a k e b a s e d o nd e f o r m a t i o n c o n t r o l
Z H A N G Y i c h i １,L I UJ i a n １,Y A N G G u a n g
２
(１．C o l l e g e o f H y d r a u l i c a n dC i v i lE n g i n e e r i n g ,X i n j i a n g A g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y ,U r u m q i ８３００５２,X i n j i a n g ,
C h i n a ;２．X i n j i a n g N e w E n g i n e e r i n g G e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g S u r v e y a n d
D e s i g nI n s t i t u t eC o ．,L t d ．,U r u m q i ８３００５２,X i n j i a n g ,
C h i n a )A b s t r a c t :T o v e r i f y t h e e f f e c t i v e n e s s o f s t r e n g t h e n i n g t h e e a r t h e n s i t e s l o p e u n d e r e a r t h q
u a k e ,w e c o n s i d e r e d t h e e x i s t i n g r e i n f o r c e d s e c t i o n o f t h e e a r t h e n s i t e s l o p e i n t h e h i g h l o e s s s l o p
e o fK a s h Ｇg a r ,X i n j i a n g ,a st h er e s e a r c ho b j e c t ．At h r e e Ｇd i m e n s i o n a ld y n a m i ca n a l y
s i s m o d e lw a se s t a b Ｇl i s h e du s i n g t h e f i n i t e Ｇe l e m e n t s o f t w a r e M i d a s /G T X N X ,a n da n a l y
s i sw a s p e r f o r m e do nt h ed e Ｇf o r m a t i o n c o n t r o l o f t h e e a r t h e n s i t e s l o p e r e i n f o r c e db y l a t t i c e a n c h o r r e t a i n i n g w
a l l u n d e r e a r t h Ｇq u a k e ．R e s u l t s i n d i c a t e t h e s e v e r e d i s p l a c e m e n t a n dd e f o r m a t i o n a t t h e t o p a n d f o o t o f t h e s l o p
e ,
t h e c u m u l a t i v e e f f e c t o f t h e i n c r e a s e i n e a r t h q u a k e d u r a t i o n ．T h e d i s p
l a c e m e n t a n d d e f o r m a t i o n i n t h e h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l d i r e c t i o n sw e r e e f f e c t i v e l y c o n t r o l l e d a f t e r r e i n f o r c e m e n t ,a n d t h em a x i Ｇm u md e f o r m a t i o nv a l u em e t t h e r e q u i r e m e n t so f c o n t r o l ．T h e s t a b i l i t y c
o e f f i c i e n t o f t h ee a r t h e n s i t e s l o p eu n d e r e a r t h q u a k e r e a c h e d１．５４a f t e r r e i n f o r c e m e n t ,w h i c h m e e t s t h e r e q
u i r e m e n t v a l u e o f １．１５i n t h e c o d e ．T h e r e s e a r c hd e m o n s t r a t e s t h a t t h e l a t t i c e a n c h o r r e t a i n i n g w a l l c a n e f f e c t i v e l y c
o n Ｇt r o l t h e d i s p l a c e m e n t a n d d e f o r m a t i o n o f t h e e a r t h e n s i t e s l o p e ,t h u s i m p r o v i n g s l o p e s t a b i l i t y ．K e y
w o r d s :e a r t h e n s i t e s l o p e ;e a r t h q u a k e ;l a t t i c e a n c h o rr e t a i n i n g w a l l ;d i s p l a c e m e n t a n d d e f o r m a t i o n ;s t a b i l i t y ０㊀引言
新疆喀什高台民居是中国现存规模最大的具有维吾尔民族特色的建筑遗址.土遗址边坡保存现状如图１所示.该土遗址边坡的工程地质条件复杂,
再加上喀什地区作为地震多发区,常引发土遗址边坡严重的位移变形问题,直接威胁到坡体上部建筑遗址的安全.因此,在高台民居保护过程中涉及到大量的土遗址边坡加固难题
.
图１㊀土遗址边坡保存现状
F i g ．１㊀P r e s e r v a t i o n s t a t u s o f t h e e a r t h e n s i t e s l o p
e ㊀㊀由于新疆特殊的地理位置,
以及干旱少雨的气候条件,在当地保存了大量土遗址.当前,众多学者针对交河故城与高昌故城等地的土遗址位移变形破
坏问题,采用薄壁钢管[１]和锚杆(索)[２]进行加固,也有学者采用木质锚杆[３]㊁楠竹加筋复合锚杆[４
]㊁土工长丝锚杆[５
]和玻璃纤维增强塑料(G l a s s F i b e rR e i n Ｇ
f o r c e dP l a s t i c s ,G F R P )锚杆[６]
,
并与多种锚固浆体[７Ｇ８]相结合进行加固研究.由于土遗址边坡的坡
型呈高陡状,且上部存在大量建筑遗址,在保持原有形态的前提下进行加固难度极大,需针对土遗址边坡的工程特点选择适用的支护结构.
２１世纪初,
格构式锚杆挡墙作为一种新型支护结构被应用于工程领域,其通过格构㊁锚杆(索)与坡体的协同作用进行位移变形控制,解决了复杂工程
条件下边坡加固的难题[
９
].国内外学者结合现场实验与数值模拟等方法对支护结构与坡体之间的力学
机制与结构内力进行了系统研究[
１０Ｇ１２
].因格构式锚杆挡墙具有良好的力学特性,众多学者将其应用于
膨胀土边坡[１３]㊁黄土边坡[１４]和冻土边坡[１５]
等特殊
类边坡.
综上所述,国内外学者对土遗址加固以及格构式锚杆挡墙支护结构进行了大量研究分析,使得格构式锚杆挡墙得以应用于土遗址边坡加固工程,但尚未对其在地震作用下控制土遗址边坡位移变形的有效性进行研究分析,严重制约了土遗址边坡的科学治理.因此,本文结合新疆喀什高台民居土遗址边坡加固工程,研究土遗址边坡工程地质条件对位移变形的影响,对比分析目前已采用的三类支护结构的优缺点,并结合位移监测试验数据对一般工况下格构式锚杆挡墙控制坡体的位移变形进行验证.在此基础上,借助有限元软件M i d a s /G T XN X 建立土遗址边坡加固后的三维动力分析模型,分析验证地震作用下格构式锚杆挡墙在控制土遗址边坡位移变形方面的有效性.
９８３第４６卷第２期㊀㊀㊀㊀张一驰,等:地震作用下新疆喀什高台民居基于变形控制的土遗址边坡加固设计研究㊀㊀㊀㊀㊀
１㊀工程概况
土遗址边坡加固段总长约４６４m ,
北侧坡长约１２９．８m ,东侧坡长约１２７．３m ,西侧坡长约４１．１m ,南侧坡长约１６５．７m .边坡的坡高最低４．０m ,最高１５．０m ,坡度为１ʒ０．１~１ʒ０．５.选取土遗址边坡西侧典型加固段B C 段作为本次研究坡段,并对研究区内取土点Z K １~Z K ６进行取土勘察试验.土遗址边坡B C 加固段及取土点的平面位置如图２
所示
.
图２㊀土遗址边坡总平面位置图
F i g ．２㊀P l a n l o c a t i o no f t h e e a r t h e n s i t e s l o p
e ２㊀土遗址边坡变形因素分析
２．１㊀地层分布
基于取土点Z K １~Z K ６的取土勘察试验,
得到土层分布情况如图３所示.土遗址边坡的土层均为
第四系全新统(Q a l ＋p l
４
)松散沉积物,呈近乎水平分布,具有明显的沉积韵律.土遗址边坡由T C １粉质黏土与T C ２黄土状粉土构成,
而坡底场地土层由T C ３粉土㊁T C ４砂土㊁T C ５粉土和T C ６砂土构成.图３㊀土层分布剖面图
F i g ．３㊀P r o f i l e o f s o i l l a y
e r d i s t r i b u t i o n ２．２㊀土体性质
基于取土点Z K １~Z K ３所得试样,
对粉质黏土和黄土状粉土进行土工试验,得到土体级配曲线如图４所示,土体基本物理力学指标如表１所列.
由表１得,粉质黏土含水率为２１．９％,远高于黄土状粉土含水率(７．２％).粉质黏土的液性指数I L 为０．１１２,
具有一定塑性,土体为硬塑的状态,而黄土表１㊀土体基本物理力学指标
T a b l e １㊀B a s i c p h y
s i c a l a n dm e c h a n i c a l i n d e x e s o f s o i l 土层天然密度
ρ
/(g /c m ３)含水率
ω/％孔隙比
e
塑性指数
I P
液性指数
I L
湿陷性系数
δs
黏聚力
c /k P a 内摩擦角
φ/(ʎ)粉质黏土１．８５２１．９０．７９５１１．６７０．１１２
Ｇ
２６．５
１７黄土状粉土
１．６６
７．２
０．７４２
７．６７
－１．３２２０．０２０２２．６１７．２
状粉土的液性指数为－１．３２２,土体为半固态.依据«湿陷性黄土地区建筑标准(G B５００２５ ２０１８)
»[１６]
,黄土状粉土的湿陷性系数δs 为０．０２０,呈轻微湿陷性.
由图４可得,粉质黏土中粒径大于０．０７５mm
的砂粒含量为３４．５％~３５．９％,粒径小于０．００５mm 的黏粒含量为１４．５％~１６．４％;黄土状粉土中粒径大于０．０７５mm 的砂粒含量为３６．３％~３７．７％,粒径小于０．００５mm 的黏粒含量为８．８％~８．９％.土遗址边坡的土体粒径分布情况为砂粒含量高㊁黏粒含量低.砂粒作为土体主要骨架,粉粒填充在骨架中,而黏粒则分布于骨架接触点处,起到胶结作用,也就是说,土体中黏粒含量决定土体能否形成稳定的团
聚结构,阻止土体裂隙的形成与发育.因此,黄土状粉土黏粒含量低于粉质黏土,更容易导致土体内垂直裂隙发育.
土遗址边坡土体的抗剪强度指标c ㊁φ值较高,
含水率ω较低,加之边坡的整体形态呈高陡状,导致土体出现整体直立性强的现象.边坡常年经受自
然环境的侵蚀破坏,使得坡体产生垂直裂隙,造成土体整体崩落.基于现场勘察资料,土遗址边坡的破坏模式主要为崩塌破坏,导致严重的位移变形与稳定性问题.２．３㊀地震情况
根据中国地震台网速报地震目录库,得到喀什地区２０１２ ２０２１年地震次数如图５所示.
０９３㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２４年
图４㊀土体级配曲线
F i g ．４㊀
G r a d i n g c
u r v e o f s o i
l 图５㊀喀什地区地震次数
F i g ．５㊀N u m b e r o f e a r t h q u a k e s i n t h eK a s h g a r r e g
i o n 由图５可得,喀什地区年地震次数在２０２１年最
高,为３７次,２０１６年最低,为９次.喀什地区４级以上地震次数在２０１７年㊁２０２０年和２０２１年达到最高,为６次,２０１６年最低,为１次.喀什地区多震的根源主要在于所处的塔里木盆地为古老地台,周围是华力西晚期隆起的地槽褶皱山系.喀什地区大约在燕山期和喜马拉雅期受印度板块及阿尔卑斯造山运动的影响,昆仑山强烈上升.在奥陶纪末期塔里木地台上升程度不同,在地台边缘产生断裂,形成山前断陷,在地台内部产生局部的隆起和拗陷,其中包括喀什台拗.第四纪以来,喀什地区新构造活动十分明显,昆仑山再次强烈上升,致使处于山前的喀什台拗剧烈沉降,在接受了巨厚卵砾石的沉积后,同时形成了多处沿盆地边缘走向分布的大小断裂,引起喀什地区地质构造呈现地震频发的特点,造成土遗址边坡严重的位移变形问题.
３㊀土遗址边坡加固方案分析
３．１㊀土遗址边坡加固设计原则
土遗址边坡的工程安全等级为一级,支护为永久性支护,设计使用年限为５０年.由于整个高台民居直接在坡顶搭建而成,未设计相应抗震措施,土遗址边坡在一般工况和地震工况下的稳定性对高台民
居的安全极为关键,尤其是在地震作用下,土遗址边坡的位移变形会对上部建筑遗址产生严重影响.考虑到高台民居的抗震安全,基于«建筑边坡工程技术
规范(G B５０３３０ ２０１３)
»[１７]
中相关规定,同时结合土遗址边坡加固工程实际地震作用条件,土遗址边
坡在坡顶与坡脚处最大水平位移与垂直位移变形不得超过２０mm .
因此,土遗址边坡加固工程不仅对坡体的稳定
性控制要求严格,对坡顶与坡脚处的位移变形控制要求也极为严格.土遗址边坡加固方案在地震作用下的有效性验证,应研究分析地震工况下土遗址边坡的稳定性与位移变形控制.
３．２㊀支护结构优缺点分析
为解决土遗址边坡的位移变形问题,对土遗址边坡采用三种支护结构进行加固,支护结构如图６所示.
如图６(a )所示,土遗址边坡的坡度为１ʒ０．３~
１ʒ０．５,坡顶建筑遗址较少,在坡体内布置一定长度的土钉,土钉穿过坡体破裂面,承担侧向土压力,达到控制位移变形的目的.如图６(b )所示,土遗址边坡的坡度为１ʒ０．１~１ʒ０．２,且上部建筑遗址较为密集,侧向土压力增大,土钉墙难以承担侧向土压力
的水平分量,但坡体下部土层承载力能够承担支护结构产生的自重荷载与侧向土压力的垂直分量,因１９３第４６卷第２期㊀㊀㊀㊀张一驰,
等:地震作用下新疆喀什高台民居基于变形控制的土遗址边坡加固设计研究㊀㊀㊀㊀㊀
此在土遗址边坡临空面处布置重力式挡墙,进而控制坡体的位移变形.如图６(c )所示,土遗址边坡的坡度为１ʒ０．１~１ʒ０．２,上部建筑遗址密集,但由于坡体下部土层承载力不足,采用土钉墙和重力式挡
墙难以提高土体的承载力.因此,采用格构㊁锚杆和桩基组成格构式锚杆挡墙支护结构,承担侧向土压力,并对坡体下部深层土进行有效加固,进行土遗址边坡的位移变形控制
.
图６㊀土遗址边坡支护结构
F i g ．６㊀S u p p o r t i n g s t r u c t u r e o f e a r t h e n s i t e s l o p
e ㊀㊀格构式锚杆挡墙具有自重轻㊁可随坡就势施工等优势,同时可在格构内填充面层材料,来满足 修旧如旧,呈现民族风情 的文物保护原则,为后期文物保护工作提供基础条件.格构式锚杆挡墙的面层施工如图７所示.
图７㊀面层施工图
F i g ．７㊀P h o t oo f s u r f a c e l a y
e r c o n s t r u c t i o n ３．３㊀格构式锚杆挡墙加固方案
基于上述分析,格构式锚杆挡墙能够有效控制土遗址边坡的位移变形.土遗址边坡B C 加固段的加固设计方案如图８所示.
格构和基础结构均采用C ４０高性能商品混凝
土,箍筋采用H P B ３００钢筋,主筋采用H R B ４００钢筋.锚杆主筋采用H R B ４００钢筋,倾角为１５ʎ
,孔径２００mm ,并采用多次注浆法,直至注满锚杆.格构面层先喷射５０mm 的C ２５高性能细粒混凝土,后将粉土㊁水泥和石灰以８ʒ１ʒ１的比例制成水泥土,进行格构内的填充
.
图８㊀B C 加固段加固设计方案
F i g ．８㊀R e i n f o r c e m e n t d e s i g
n s c h e m e o fB C r e i n f o r c e m e n t s e c t i o n
３．４㊀位移监测
基于土遗址边坡B C 加固段的位移监测试验,得到坡顶水平方向与垂直方向位移监测试验数据如图９所示.
由图９可得,在位移监测试验前期,监测点水平
方向位移值在０．４~０．５mm 波动,最终趋于０．５
mm ;垂直方向沉降位移值在１．５~１．６mm 波动,最终趋于１．６mm .监测值未超过«
建筑边坡工程技术规范(G B５０３３０ ２０１３
)»[１７]
中坡体加固后最大位移值２０mm ㊁变化速率２mm /d 警报值的相关规定.土遗址边坡采用格构式锚杆挡墙加固后,改变了土
２９３㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２４年
体整体应力分布,造成位移监测点前期位移值的波动,但随着监测时间增加,监测点的位移值趋于平稳.位移监测试验结果验证了在一般工况条件下,格构式锚杆挡墙支护结构能够有效控制土遗址边坡的位移变形.
图９㊀位移监测试验数据
F i g．９㊀D i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n g t e s t d a t a
４㊀土遗址边坡有限元分析
土遗址边坡在加固设计阶段,基于极限平衡法理论,预先假设坡体破裂面所处位置,同时将坡体假设为刚体进行设计计算,不考虑土体的应力Ｇ应变本构关系.由于土遗址边坡加固工程的工程条件复杂,以此方法进行稳定性计算对土遗址边坡位移变形的控制精度较低,存在一定误差.因此,在地震作用下支护结构控制土遗址边坡位移变形的有效性无法得到准确验证.
为更加全面准确地验证在地震作用下,格构式锚杆挡墙控制土遗址边坡位移变形的有效性,借助有限元软件M i d a s/G T XN X进行三维动力分析,采用非线性时程分析法进行计算.非线性时程分析法基于逐步积分理论,从土遗址边坡的初始状态逐步积分至地震结束,分析坡体位移变形及稳定性.４．１㊀有限元模型建立
４．１．１㊀模型划分
基于土遗址边坡B C加固段的勘察情况,边坡自上而下的土体及厚度为:T C１粉质黏土２．５m, T C２黄土状粉土６．０m,T C３粉土１．７m,T C４砂土１．９m,T C５粉土４．４m,T C６砂土５．５m.基于有限元软件M i d a s/G T X N X建立格构式锚杆挡墙加固土遗址边坡的三维有限元模型,坡顶与坡脚处控制点的位置如图１０(a)所示.土体模拟采用３D实体单元设置,格构与桩基础模拟采用１D梁单元设置,锚杆模拟采用１D桁架单元设置.模型采用实体印刻的方式,并通过网格单元质量检查,以此来保证支护结构与土体的耦合关系.如图１０(b)所示,模型内部无异常连接,土体与支护结构耦合良好.经过多次建模计算,模型划分单元采用宽度为０．５m的四面体为主的混合网格时,模型收敛性最佳.模型共划分７８３５０个单元数,７８６５６个节点.
图１０㊀三维有限元模型
F i g．１０㊀T h r e eＧd i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n tm o d e l
４．１．２㊀材料参数
土遗址边坡加固三维有限元模型中土体模拟分析采用弹塑性本构模型,服从M o h rＧC o u l o m b破坏准则,土体材料计算参数如表２所列.格构式锚杆挡墙模拟分析采用弹性本构模型,基于«混凝土结构设计规范(G B５００１０ ２０１０)»[１８]和«建筑结构荷载规范(G B５０００９ ２０１２)»[１９],得到支护结构材料计算参数如表３所列.
３９３
第４６卷第２期㊀㊀㊀㊀张一驰,等:地震作用下新疆喀什高台民居基于变形控制的土遗址边坡加固设计研究㊀㊀㊀㊀㊀
表２㊀土体材料计算参数
T a b l e ２㊀C a l c u l a t i o n p a r a m e t e r s o f s o i lm a t e r i a l s
土层弹性模量E /M P a
泊松比μ密度ρ/(g
/c m ３)黏聚力c /k P a
内摩擦角φ/(ʎ
)T C １粉质黏土
２１．００．３０１．８５
２６．５１７．０T C ２黄土状粉土
２２．００．３５１．６６２２．６１７．２T C ３粉土１９．２０．３０１．７０１５．０２４．０T C ４细砂２２．５０．３０１．８０５．０
２５．０T C ５粉土２０．４０．３０１．７２１０．０２４．０T C ６细砂２５．５
０．３０
１．８５
５．０２７．０
表３㊀支护结构材料计算参数
T a b l e ３㊀C a l c u l a t i o n p a r a m e t e r s o f s u p p o r t i n g
s t r u c t u r em a t e r i a l s
材料名称弹性模量E /M P a
泊松比μ容重γ/(k N /m
３)
锚杆２．００ˑ１０５
０．３０７８．５混凝土
３．２５ˑ１０
４０．２５
２５．０
４．１．３㊀荷载输入
基于«中国地震动参数区划图(G B１８３０６
２０１５
)»[２０]规定,土遗址边坡加固工程的抗震设防烈度为８度,所处地震分组为第三组,设计基本加速度为０．３０g ,
特征值周期为０．４５s ,场地类别Ⅱ类.基于«建筑抗震设计规范(G B５００１１ ２０１０)
»[２１]
中的规范反应谱,选取符合规定的地震波如图１１所示,时间间隔为０．０２s ,共１０００个荷载步.
一般工况条件下,土遗址边坡加固三维有限元
模型采用固定位移约束边界;地震工况条件下,模型四周采用自由场边界,
坡体底部为固定位移约束边
图１１㊀地震波选取
F i g
．１１㊀S e i s m i cw a v e s e l e c t i o n 界.在坡顶距离坡面４．０m 处,施加建筑荷载折算值１０k N /m ２,考虑到不同地震方向对土遗址边坡位移变形与稳定性影响程度不同,选取影响程度最大的整体坐标X 轴方向进行地震荷载输入.土遗址边坡加固三维有限元模型在一般工况分析中采用非线性静力法,地震工况分析中采用非线性时程法,稳定性系数采用强度折减法计算,计算时进行原始场地平衡.
４．２㊀有限元模型验证
基于土遗址边坡位移监测试验数据,利用M i Ｇd a s /G T X N X 的非线性静力法计算,对比分析一般工况下位移监测点最终位移值的大小,验证有限元数值模型.土遗址边坡位移值如表４所列.
由表４得,在位移监测试验期内,土遗址边坡监
测点水平方向最终位移为０．５mm ,垂直方向最终沉降位移为１．６０mm .基于有限元非线性静力法计算,得到监测点水平方向数值模拟最终位移为０．５２
mm ,垂直方向数值模拟最终沉降位移为１．６５mm .
有限元数值模拟所得位移值未超过«建筑边坡工程
技术规范(G B５０３３０ ２０１３
)»[１７
]中土遗址边坡加固后最大位移值不超过２０mm 的规定.
表４㊀土遗址边坡位移值(单位:m m )
T a b l e ４㊀D i s p
l a c e m e n t v a l u e s f o r t h e e a r t h e n s i t e s l o p
e (U n i t :m m )位移监测水平方向位移
垂直方向位移
实际监测０．５０－１．６０数值模拟
０．５２
－１．６５
基于上述对比分析,有限元数值模拟的位移值符合位移监测试验的实际情况,确保了土遗址边坡
４９３㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２４年
加固模型在后续分析中计算结果的准确性.因此,土遗址边坡加固模型合理有效,可以进行地震作用下土遗址边坡的位移变形研究.４．３㊀土遗址边坡位移变形分析４．３．１㊀位移响应分析
基于M i d a s /G T XN X 非线性时程法计算,
得到土遗址边坡坡顶与坡脚处位移控制点的水平方向位移时程曲线如图１２所示,
垂直方向位移时程曲线如图１３所示.
由图１２(a
)可知,在地震作用下,土遗址边坡未加固时坡顶位移控制点处产生的最大水平方向位移为１３９．４４１mm ,坡脚位移控制点处产生的最大水平方向位移为１６４．３７０mm .由图１２(b )可知,土遗址边坡加固后,坡顶位移控制点处最大水平方向位移减小到１９．１０６mm ,坡脚位移控制点处最大水平方向位移减少到１８．０５７mm .
图１２㊀水平方向位移时程曲线
F i g ．１２㊀T i m e Ｇh i s t o r y c u r v e o f h o r i z o n t a l d i s p
l a c e m e n
t 图１３㊀垂直方向位移时程曲线
F i g ．１３㊀T i m e Ｇh i s t o r y c u r v e o f v e r t i c a l d i s p
l a c e m e n t ㊀㊀由图１３(a )可知,在地震作用下,土遗址边坡未加固时坡顶位移控制点处产生的最大垂直方向沉降位移为６０．３６６mm ,坡脚位移控制点处产生的最大垂直方向沉降位移为４４．８９２mm .由图１３(b )可知,土遗址边坡加固后,坡顶位移控制点处垂直方向产生０．３９４mm 的轻微隆起,坡脚位移控制点处垂直方向在地震作用前期产生０．１１７mm 的沉降,随着地震持时增加,坡脚处垂直方向产生０．３５５mm
的轻微隆起.４．３．２㊀位移云图分析
基于M i d a s /G T XN X 进行非线性时程法计算,
以土遗址边坡加固三维有限元模型的横向(整体坐标Y 轴)中点为分界,选取坡体５．５m ㊁７．５m ㊁９．５m
和１１m 处进行纵向剖切,得到剖面１~４.基于地震作用下土遗址边坡加固前后的位移云图,提取剖面在坡面处水平方向位移变形数值,绘制坡体水平
５９３第４６卷第２期㊀㊀㊀㊀张一驰,
等:地震作用下新疆喀什高台民居基于变形控制的土遗址边坡加固设计研究㊀㊀㊀㊀㊀
方向位移曲线如图１４所示,提取剖面在坡顶处垂直方向位移变形数值,绘制坡体垂直方向位移曲线如图１５所示.
由图１４(a
)可知,在地震作用下,土遗址边坡未加固时坡体的水平方向位移变形随坡高增加呈现先增大后逐步减小的趋势,
坡体在坡顶与坡脚处产生
图１４㊀坡体水平方向位移曲线
F i g ．１４㊀H o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t c u r v e o f s l o p eb o d
y
图１５㊀坡体垂直方向位移曲线
F i g ．１５㊀V e r t i c a l d i s p l a c e m e n t c u r v e o f s l o p eb o d y
明显位移变形,且位移曲线在２．０m 高度处呈现突变趋势.由图１４(b )可知,土遗址边坡采用格构式锚杆挡墙加固后,坡体的水平方向位移曲线变化趋于平滑,边坡在坡顶与坡脚处的水平方向位移变形明显减少,满足位移变形控制要求.
由图１５(a
)可知,在地震作用下,土遗址边坡未加固时坡体顶部垂直方向的位移变形随着与坡面距离增加,呈现先增大后逐步减小的趋势;在距坡面２．０m 处,
坡体垂直方向位移曲线呈现突变趋势.由图１５(b )可知,土遗址边坡采用格构式锚杆挡墙加固后,坡体垂直方向位移突变趋势消失,坡体整体位移沉降值明显减少,满足位移变形控制要求.
基于上述分析,地震作用下土遗址边坡在坡顶与坡脚处的位移变形时程曲线变化趋势基本一致,
水平方向与垂直方向位移变形随着地震持时增加呈现累加效果.土遗址边坡未加固时,坡体在水平方向和垂直方向的位移变形不满足地震作用下土遗址边坡位移变形不超过２０mm 的控制要求,影响高台民居的安全.土遗址边坡采用格构式锚杆挡墙加固后,坡体在水平方向和垂直方向的位移变形满足变形控制要求,达到了控制坡体位移变形的加固目的.
４．４㊀土遗址边坡稳定性分析
基于M i d a s /G T XN X 进行强度折减法计算,得到土遗址边坡稳定性系数F s 如表５所列.由表５可得,在未加固状态下,土遗址边坡一般
工况下的稳定性系数F s 为１．０８,地震工况下的F s 为１．００.边坡采用格构式锚杆挡墙加固后,
一般工６９３㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２４年
况下的F s提升至２．２８,地震工况下的F s提升至１．５４.土遗址边坡未加固状态下两种工况的稳定性系数F s不满足«建筑边坡工程技术规范(G B ５０３３０ ２０１３)»[１７]中F sȡF s t相关规定;边坡采用格构式锚杆挡墙加固后稳定性系数F s提高,满足规范中稳定安全系数F s t在一般工况应达到１．３５,地震工况应达到１．１５的规定.
表５㊀土遗址边坡稳定性系数
T a b l e５㊀S t a b i l i t y f a c t o r f o r t h e e a r t h e n s i t e s l o p e
计算工况土遗址边坡
状态
土遗址边坡稳定
性系数F s
土遗址边坡稳定
安全系数F s t
一般工况未加固１．０８１．３５加固后２．２８
地震工况未加固１．００１．１５加固后１．５４
５㊀结论
(１)地震作用下土遗址边坡在坡顶与坡脚处的位移变形时程曲线变化趋势基本一致,水平方向与垂直方向的位移变形随着地震持时增加呈现累加效果.
(２)通过实际位移监测数据与非线性时程法验证,土遗址边坡采用格构式锚杆挡墙加固后,能够有效控制坡顶与坡脚处水平方向与垂直方向位移变形,满足土遗址边坡位移变形控制要求.
(３)通过强度折减法计算,土遗址边坡采用格构式锚杆挡墙加固后,整体稳定性系数显著提高,满足土遗址边坡抗震稳定性系数要求.
(４)土遗址边坡采取格构式锚杆挡墙加固,能够有效控制位移变形并提高稳定性.研究成果可为我国新疆地区土遗址边坡的科学治理提供相应参考,为满足土遗址边坡 修旧如旧,呈民族风情 保护原则提供基础条件,推动当地文化的传承.
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(１２):２５２０Ｇ２５２６．
[１２]㊀L I N YL,L IYX,Y A N GGL,e t a l．E x p e r i m e n t a l a n d n u m e rＧ
i c a l s t u d y o nt h es e i s m i cb e h a v i o ro fa n c h o r i n g f r a m eb e a m
７９３
第４６卷第２期㊀㊀㊀㊀张一驰,等:地震作用下新疆喀什高台民居基于变形控制的土遗址边坡加固设计研究㊀㊀㊀㊀㊀。