地震作用下土体变形破坏模式与机理
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映秀公路和水磨支线全线挂网喷混凝土边坡的地 震变形进行了调查统计. 根据抢通保修的要求以及 “小震不坏 、中震可修 、大震不倒 ”三级抗震设防原
则 ,可将震害严重程度由轻到重依次划分为完好 、 基本完好 、损伤 、严重损害和毁坏 5个等级 [ 7 ] .
对表 1所列的震陷率进行统计分析表明 ,其均 值为 0. 77,方差为 0. 45;对震陷率进行显著性水平 α = 5%的单样本正态分布 Jarque2B era假设检验 ,
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西 南 交 通 大 学 学 报
第 45卷
பைடு நூலகம்
震害模式实际上可以归并到滑塌模式 ,但由于挂网 喷混凝土是柔性结构 ,可以允许较大变形 ,所以出 现滑面贯通而未滑塌的现象. 从减少同震断道灾害 而言 ,反映了柔性结构抗震性能具有的优越性.
边坡滑塌变形占所有调查工点的 18. 9% ,占 大变形工点的 77. 8%. 边坡的滑塌模式可概括为 顶部滑坡和坍塌断道 ,如图 4所示.
汶川地震中 ,我们观察到地震作用下的土体具 有滑坡 、震陷 、下陷与隆起交错变形 3种变形模式.
传统的研究将地震作用下非饱和土体变形分为滑 坡和震陷 2种模式. 关于滑坡研究较多 ,以往对土
收稿日期 : 2009209210 基金项目 : 国家 973计划资助项目 (2008CB425802) ; 铁道部科技研究开发计划资助项目 (2008G010 - A ) 作者简介 : 王建 (1980 - ) ,男 ,博士研究生 ,研究方向为岩土地震工程 ,电话 : 028287634192, E2mail: crest01@ qq. com
地震作用下土体变形破坏模式与机理
王 建 , 姚令侃 , 蒋良潍
(西南交通大学土木工程学院 , 四川 成都 610031)
摘 要 : 为探讨土体的地震变形效应 ,对都江堰 —映秀公路全线挂网喷混凝土防护削方边坡和人工填筑路堤震 害进行了调查分析 ,发现挂网喷混凝土防护边坡和路堤等具有侧向临空面的土体 ,其地震变形破坏表现为震陷 和滑塌 ,而路肩墙工程由于墙体的侧向约束 ,填料的地震变形表现为震陷变形和下陷与隆起交错变形 (即凹凸变 形 ). 震陷率和凹凸变形幅值均随地震烈度增大而增大 ,且均服从正态分布. 上边坡震害受平面线型程度影响较 大 ,位于直线段 、凹曲线侧和凸曲线侧边坡的震害程度依次递增. 经路堤 (侧向临空模型 )和层状填料 (侧向约束 模型 )振动台模型试验验证 ,试验结果与现场调查一致 ,且揭示了土体由震陷向凹凸变形转化的峰值加速度阈值 约为 0. 6g,可供评估路堤震害模式和确定修复措施参考. 关键词 : 路基工程 ;变形破坏模式 ;震害调查 ;振动台模型试验 ;汶川地震 中图分类号 : TU435 文献标识码 : A
Se ism ic D eforma tion and Fa ilure M odes and M echan ism of So il M a ss
WAN G J ian, YAO L ingkan, J I AN G L iangw ei
( School of Civil Engineering, Southwest J iaotong University, Chengdu 610031, China)
第
45卷 第 2期 2010年 4月
西 南 交 通 大 学 学
JOURNAL OF SOUTHW EST J IAOTONG
报 UN IVERS
ITY
Vol. 45 No. Ap r. 2010
2
文章编号 : 025822724 (2010) 0220196207 DO I: 10. 3969 / j. issn. 025822724. 2010. 02. 006
第 2期
王建等 :地震作用下土体变形破坏模式与机理
197
体地震变形效应的研究 ,多为拟静力分析或基于 Newmark滑块模型的地震永久位移分析. 这类方法 仅适用于预测斜坡大变形 ( ≥1 m )的破坏状态 ,即 对确定了滑动面 、以侧向变形为主的滑坡是合适 的 ,但不适用于最大位移在 cm 级的斜坡变形 [ 1 ].
边坡滑体下错变形占所有调查工点的 5. 4% , 占大变形工点的 22. 2%. 边坡的滑体下错变形模 式可概括为顶部滑裂和壳体破碎 ,如图 3 所示. 顶 部滑裂指坡体上部在地震作用下出现滑坡台阶 、环 状拉裂缝等大变形现象. 顶部滑裂发生在滑面较浅 的情况下 ,虽然滑面已经形成 ,但由于锚杆的限制 , 阻止了更大的下滑变形 ,所以未发生因完全解体而 塌方断道的现象 ,如图 3 ( a)所示. 壳体破碎指因土 体大变形造成混凝土壳体因变形过大而松散 、破 碎 ,如图 3 ( b)所示. 边坡滑裂如图 3 ( c)所示 ,这种
1. 1 挂网喷混凝土边坡的地震变形 调查发现 ,挂网喷混凝土边坡主要呈现 2种震 害现象 :小变形引起的震陷压实和大变形引起的 滑塌. 1. 1. 1 变形破坏模式
调查发现 ,挂网喷混凝土的边坡变形破坏可分 为 3种模式 : (1) 震陷模式 ; ( 2) 滑体下错变形模 式 ; (3) 滑塌模式. 其中 ,震陷模式属于变形量为 cm 级 的 小 变 形 模 式 , 滑 体 下 错 变 形 量 可 达 数十 cm ,而滑塌模式则造成坡体的完全解体.
这种情况下 ,滑面深度已经超过锚杆的加固长 度 ,滑体从边坡顶部滑动 ,中下部剪出 ,解体并堆积 于下方道路上 ,阻断交通. 边坡滑塌已造成坡体的 完全毁坏 ,仅在坡体下部可见部分残留钢筋及混凝 土壳体.
调查还发现 ,滑坡剪出口均位于道路上方 ,未 对路基本体工程造成损害.
1. 1. 2 挂网喷混凝土边坡地震变形统计分析 为研究边坡地震变形的统计规律 ,对都江堰 —
1 现场调查
调查区域包括国道 213 线都江堰 —映秀三级 公路和水磨支线全线总长约 40 km 的路段 ,包括 9, 10, 11度 3 个地震烈度区 ,如图 1 所示. 调查内 容包括挂网喷混凝土上边坡和路堤的地震变形.
图 1 调查区域示意 Fig. 1 Sketch map of the investigation area
非饱和土的震陷 (地震压实 )研究较少 ,已有 研究通过对公路 、人工堤坝和建筑填方地基等人工 填方工程的震害调查发现 ,地震地面变形以土体的 地震压实为主 [ 223 ]. 地震压实这种小变形虽然不至 于威胁到生命安全 ,但会对工程构筑物造成严重损 害. 1994年洛杉矶北岭地震损坏场地的修复费用 甚至与重建费用相当. 地震压实变形的研究与应用 都引起了人们的高度重视. Tokimatsu和 Seed等基 于动态单剪试验 ,提出了净砂 ( clean sands)的地震 压实分 析 方 法 [ 4 ]. 美 国 加 州 大 学 洛 杉 矶 分 校 的 Stewart和 W hang等利用可施加多向振动的数控单 剪仪 (DC2SS) ,研究了 14 种净砂材料 、8 种非塑性 粉砂材料和 5种塑性材料在不同饱和度 、不同密实 度 、不同应力状态等条件下的动态压实特性 ,并提 出了相应的地震压实分析方法 [ 5 ]. 美国加州地质 调查局 (CGS)要求将地震压实作为学校 、医院建筑 等关键 工 程 设 计 的 一 部 分 [ 6 ] , 并 将 Tokimatsu 和 Seed, Stewart和 W hang提出的土体地震压实简化 分析方法作为推荐使用方法. 由于地震压实的已有 实室内试验仅为尺度 10 cm 左右的土样参数测试 , 没有进行模型试验 ,无法完全反映填土体的地震压 实特性. 此外 ,由于缺少天然岩土体震陷量实测资 料等原因 ,自然边坡的震陷研究尚未见报道. 另一 方面 ,对于侧向约束土体地震破坏后变形的研究 , 即土体下陷与隆起交错变形 (凹凸变形 )的地震变 形效应也未见报道.
边坡震陷变形是挂网喷混凝土边坡地震变形 最主要的形式 ,占所有调查工点的 75. 7%. 如图 2 所示 ,边坡震陷模式可概括为坡顶震陷和坡脚剪 出. 坡顶震陷指混凝土壳体背后的土体在地震作用 下震密压实 ,从而在坡口线附近出现土体沉陷并与 混凝土壳体分离的现象 ,如图 2 ( a)所示. 坡脚剪出 指混凝土壳体在土体震密过程中与土体分离并顺 坡面剪出错位的现象 ,如图 2 ( b)所示. 边坡的震陷 变形就是坡顶震陷 、坡脚剪出及其所引发的其他现 象 ,如图 2 ( c)所示.
我们通过对汶川震区公路上边坡和路堤地震 变形情况的调查 ,归纳出土体的地震变形模式 ,发 现在强震作用下 ,具有侧向临空面的土体会由震陷 向滑坡转化 ,而侧向约束土体变形则由震陷向凹凸 变形转化. 在此基础上 ,设计并完成了侧向临空模 型和侧向约束模型振动台模型试验 ,并确定了震陷 变形向凹凸变形转化的加速度阈值.
Abstract: To study the seism ic deform ation effect of soil m ass, a field investigation on slopes reinforced by shotcrete2bolt system and road em bankments along Dujiangyan to Yingxiu highway was conducted. The investigation show s that the seism ic deform ation and failure modes of soil mass laterally unrestrained as slopes and road em bankments are characterized by subsidences and lateral landslides, while soil m ass laterally restrained by retaining wall is characterized by subsidences and concavo2 convex deform ation, i. e. , alternative settling and bulging deformation. Seism ic subsidence rate and concave2convex amp litude rise w ith the increase of seism ic intensity and obey a normal distribution. Seism ic damage level of the upper slope is affected by p lane alignm ent of highway. The slope dam age of a convex2curve section is more serious than a concave2curve section, and the dam age of a linear section is most light. Shaking table tests of soil mass models laterally unrestrained or laterally bounded were conducted, and the results are consistent w ith the field investigation ones. The threshold of peak ground acceleration from subsidence to concave2convex deformation is app roximate 0. 6 times of gravity acce le ra tion. Key words: subgrade engineering; deformation and failure mode; field investigation; shaking table model test; W enchuan earthquake
则 ,可将震害严重程度由轻到重依次划分为完好 、 基本完好 、损伤 、严重损害和毁坏 5个等级 [ 7 ] .
对表 1所列的震陷率进行统计分析表明 ,其均 值为 0. 77,方差为 0. 45;对震陷率进行显著性水平 α = 5%的单样本正态分布 Jarque2B era假设检验 ,
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西 南 交 通 大 学 学 报
第 45卷
பைடு நூலகம்
震害模式实际上可以归并到滑塌模式 ,但由于挂网 喷混凝土是柔性结构 ,可以允许较大变形 ,所以出 现滑面贯通而未滑塌的现象. 从减少同震断道灾害 而言 ,反映了柔性结构抗震性能具有的优越性.
边坡滑塌变形占所有调查工点的 18. 9% ,占 大变形工点的 77. 8%. 边坡的滑塌模式可概括为 顶部滑坡和坍塌断道 ,如图 4所示.
汶川地震中 ,我们观察到地震作用下的土体具 有滑坡 、震陷 、下陷与隆起交错变形 3种变形模式.
传统的研究将地震作用下非饱和土体变形分为滑 坡和震陷 2种模式. 关于滑坡研究较多 ,以往对土
收稿日期 : 2009209210 基金项目 : 国家 973计划资助项目 (2008CB425802) ; 铁道部科技研究开发计划资助项目 (2008G010 - A ) 作者简介 : 王建 (1980 - ) ,男 ,博士研究生 ,研究方向为岩土地震工程 ,电话 : 028287634192, E2mail: crest01@ qq. com
地震作用下土体变形破坏模式与机理
王 建 , 姚令侃 , 蒋良潍
(西南交通大学土木工程学院 , 四川 成都 610031)
摘 要 : 为探讨土体的地震变形效应 ,对都江堰 —映秀公路全线挂网喷混凝土防护削方边坡和人工填筑路堤震 害进行了调查分析 ,发现挂网喷混凝土防护边坡和路堤等具有侧向临空面的土体 ,其地震变形破坏表现为震陷 和滑塌 ,而路肩墙工程由于墙体的侧向约束 ,填料的地震变形表现为震陷变形和下陷与隆起交错变形 (即凹凸变 形 ). 震陷率和凹凸变形幅值均随地震烈度增大而增大 ,且均服从正态分布. 上边坡震害受平面线型程度影响较 大 ,位于直线段 、凹曲线侧和凸曲线侧边坡的震害程度依次递增. 经路堤 (侧向临空模型 )和层状填料 (侧向约束 模型 )振动台模型试验验证 ,试验结果与现场调查一致 ,且揭示了土体由震陷向凹凸变形转化的峰值加速度阈值 约为 0. 6g,可供评估路堤震害模式和确定修复措施参考. 关键词 : 路基工程 ;变形破坏模式 ;震害调查 ;振动台模型试验 ;汶川地震 中图分类号 : TU435 文献标识码 : A
Se ism ic D eforma tion and Fa ilure M odes and M echan ism of So il M a ss
WAN G J ian, YAO L ingkan, J I AN G L iangw ei
( School of Civil Engineering, Southwest J iaotong University, Chengdu 610031, China)
第
45卷 第 2期 2010年 4月
西 南 交 通 大 学 学
JOURNAL OF SOUTHW EST J IAOTONG
报 UN IVERS
ITY
Vol. 45 No. Ap r. 2010
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文章编号 : 025822724 (2010) 0220196207 DO I: 10. 3969 / j. issn. 025822724. 2010. 02. 006
第 2期
王建等 :地震作用下土体变形破坏模式与机理
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体地震变形效应的研究 ,多为拟静力分析或基于 Newmark滑块模型的地震永久位移分析. 这类方法 仅适用于预测斜坡大变形 ( ≥1 m )的破坏状态 ,即 对确定了滑动面 、以侧向变形为主的滑坡是合适 的 ,但不适用于最大位移在 cm 级的斜坡变形 [ 1 ].
边坡滑体下错变形占所有调查工点的 5. 4% , 占大变形工点的 22. 2%. 边坡的滑体下错变形模 式可概括为顶部滑裂和壳体破碎 ,如图 3 所示. 顶 部滑裂指坡体上部在地震作用下出现滑坡台阶 、环 状拉裂缝等大变形现象. 顶部滑裂发生在滑面较浅 的情况下 ,虽然滑面已经形成 ,但由于锚杆的限制 , 阻止了更大的下滑变形 ,所以未发生因完全解体而 塌方断道的现象 ,如图 3 ( a)所示. 壳体破碎指因土 体大变形造成混凝土壳体因变形过大而松散 、破 碎 ,如图 3 ( b)所示. 边坡滑裂如图 3 ( c)所示 ,这种
1. 1 挂网喷混凝土边坡的地震变形 调查发现 ,挂网喷混凝土边坡主要呈现 2种震 害现象 :小变形引起的震陷压实和大变形引起的 滑塌. 1. 1. 1 变形破坏模式
调查发现 ,挂网喷混凝土的边坡变形破坏可分 为 3种模式 : (1) 震陷模式 ; ( 2) 滑体下错变形模 式 ; (3) 滑塌模式. 其中 ,震陷模式属于变形量为 cm 级 的 小 变 形 模 式 , 滑 体 下 错 变 形 量 可 达 数十 cm ,而滑塌模式则造成坡体的完全解体.
这种情况下 ,滑面深度已经超过锚杆的加固长 度 ,滑体从边坡顶部滑动 ,中下部剪出 ,解体并堆积 于下方道路上 ,阻断交通. 边坡滑塌已造成坡体的 完全毁坏 ,仅在坡体下部可见部分残留钢筋及混凝 土壳体.
调查还发现 ,滑坡剪出口均位于道路上方 ,未 对路基本体工程造成损害.
1. 1. 2 挂网喷混凝土边坡地震变形统计分析 为研究边坡地震变形的统计规律 ,对都江堰 —
1 现场调查
调查区域包括国道 213 线都江堰 —映秀三级 公路和水磨支线全线总长约 40 km 的路段 ,包括 9, 10, 11度 3 个地震烈度区 ,如图 1 所示. 调查内 容包括挂网喷混凝土上边坡和路堤的地震变形.
图 1 调查区域示意 Fig. 1 Sketch map of the investigation area
非饱和土的震陷 (地震压实 )研究较少 ,已有 研究通过对公路 、人工堤坝和建筑填方地基等人工 填方工程的震害调查发现 ,地震地面变形以土体的 地震压实为主 [ 223 ]. 地震压实这种小变形虽然不至 于威胁到生命安全 ,但会对工程构筑物造成严重损 害. 1994年洛杉矶北岭地震损坏场地的修复费用 甚至与重建费用相当. 地震压实变形的研究与应用 都引起了人们的高度重视. Tokimatsu和 Seed等基 于动态单剪试验 ,提出了净砂 ( clean sands)的地震 压实分 析 方 法 [ 4 ]. 美 国 加 州 大 学 洛 杉 矶 分 校 的 Stewart和 W hang等利用可施加多向振动的数控单 剪仪 (DC2SS) ,研究了 14 种净砂材料 、8 种非塑性 粉砂材料和 5种塑性材料在不同饱和度 、不同密实 度 、不同应力状态等条件下的动态压实特性 ,并提 出了相应的地震压实分析方法 [ 5 ]. 美国加州地质 调查局 (CGS)要求将地震压实作为学校 、医院建筑 等关键 工 程 设 计 的 一 部 分 [ 6 ] , 并 将 Tokimatsu 和 Seed, Stewart和 W hang提出的土体地震压实简化 分析方法作为推荐使用方法. 由于地震压实的已有 实室内试验仅为尺度 10 cm 左右的土样参数测试 , 没有进行模型试验 ,无法完全反映填土体的地震压 实特性. 此外 ,由于缺少天然岩土体震陷量实测资 料等原因 ,自然边坡的震陷研究尚未见报道. 另一 方面 ,对于侧向约束土体地震破坏后变形的研究 , 即土体下陷与隆起交错变形 (凹凸变形 )的地震变 形效应也未见报道.
边坡震陷变形是挂网喷混凝土边坡地震变形 最主要的形式 ,占所有调查工点的 75. 7%. 如图 2 所示 ,边坡震陷模式可概括为坡顶震陷和坡脚剪 出. 坡顶震陷指混凝土壳体背后的土体在地震作用 下震密压实 ,从而在坡口线附近出现土体沉陷并与 混凝土壳体分离的现象 ,如图 2 ( a)所示. 坡脚剪出 指混凝土壳体在土体震密过程中与土体分离并顺 坡面剪出错位的现象 ,如图 2 ( b)所示. 边坡的震陷 变形就是坡顶震陷 、坡脚剪出及其所引发的其他现 象 ,如图 2 ( c)所示.
我们通过对汶川震区公路上边坡和路堤地震 变形情况的调查 ,归纳出土体的地震变形模式 ,发 现在强震作用下 ,具有侧向临空面的土体会由震陷 向滑坡转化 ,而侧向约束土体变形则由震陷向凹凸 变形转化. 在此基础上 ,设计并完成了侧向临空模 型和侧向约束模型振动台模型试验 ,并确定了震陷 变形向凹凸变形转化的加速度阈值.
Abstract: To study the seism ic deform ation effect of soil m ass, a field investigation on slopes reinforced by shotcrete2bolt system and road em bankments along Dujiangyan to Yingxiu highway was conducted. The investigation show s that the seism ic deform ation and failure modes of soil mass laterally unrestrained as slopes and road em bankments are characterized by subsidences and lateral landslides, while soil m ass laterally restrained by retaining wall is characterized by subsidences and concavo2 convex deform ation, i. e. , alternative settling and bulging deformation. Seism ic subsidence rate and concave2convex amp litude rise w ith the increase of seism ic intensity and obey a normal distribution. Seism ic damage level of the upper slope is affected by p lane alignm ent of highway. The slope dam age of a convex2curve section is more serious than a concave2curve section, and the dam age of a linear section is most light. Shaking table tests of soil mass models laterally unrestrained or laterally bounded were conducted, and the results are consistent w ith the field investigation ones. The threshold of peak ground acceleration from subsidence to concave2convex deformation is app roximate 0. 6 times of gravity acce le ra tion. Key words: subgrade engineering; deformation and failure mode; field investigation; shaking table model test; W enchuan earthquake