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土质边坡加固机理与安全分析方法研究

作　者: 王丽萍
导　师: 张嘎
学　校: 清华大学
专　业: 土木工程
关键词: 土坡加固抗滑桩离心模型试验稳定性
分类号: TU470
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

发展有效的加固土坡安全评价方法，对于治理和防止滑坡灾害、提高土坡加固工程的合理性和经济性、保证其安全性，具有重要意义。本文针对以抗滑桩加固土坡为代表的加固土坡开展研究，自主研发试验设备，主要采用离心模型试验揭示加固土坡的破坏机理和加固机理，在此基础上发展可用于实际工程的抗滑桩加固土坡安全简化分析方法。主要取得如下新成果：1.自主研发了离心模型试验超重力场中高精度模拟完整桩施工过程的入桩及加载模拟系统、只发生剪切破坏且强度可控的剪切结构桩模型。2.进行了系列化的抗滑桩等结构加固土坡离心模型试验，揭示了地震、坡顶加载和自重加载等条件下加固土坡的响应特性及主要因素的影响规律。3．基于离心模型试验揭示了抗滑桩加固土坡的破坏机理，包括：（1）根据土坡滑裂面与抗滑桩的相对位置关系划分为过桩破坏、绕桩破坏、局部破坏和复合破坏等四类破坏模式；（2）观测证实并根据“可测的变形”定量确定了抗滑桩加固土坡存在的渐进破坏过程；（3）揭示了土坡变形局部化过程、滑裂面形成过程和抗滑桩变形过程的耦变机理，这三个过程互为因果、交替发展、耦合变化；（4）抗滑桩加固土坡破坏模式的多样化和破坏特性的复杂性与不同加载条件下土坡的变形特性密切相关。4．对比分析加固土坡和素土坡离心模型试验结果，发现抗滑桩显著减小土坡变形，其影响在向坡内部传递过程中逐渐减小。揭示了土坡的抗滑桩加固机理：抗滑桩与附近土体发生相互作用并表现为增压效应占优，该效应在抗滑桩显著影响区域内向远桩的坡内部传递，在传递过程中存在着增压效应与抗剪效应的转化，并在潜在滑裂面附近主要表现为抗剪效应，从而延缓了土坡变形局部化的发展过程和滑裂面的形成，增强了土坡稳定性。5．基于地震离心模型试验揭示了抗滑桩、土工织物、土钉等结构的抗震加固机理，证实了土坡加固机理及其分析理论方法具有良好的普适性。6．提出了“等效桩土条”模型，通过几何等效和强度等效在定量上将抗滑桩的三维加固效应简化为二维问题，扩展简化毕肖普法建立了抗滑桩加固应变软化土坡稳定性的分析方法并采用离心模型试验结果验证了有效性。将该方法用于实际土坡抗滑桩加固工程的设计分析，确定了加固显著区域。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-13
第1章绪论  13-29
  1.1 研究背景及意义  13-14
  1.2 边坡加固研究进展概述  14-19
    1.2.1 原型观测  14-16
    1.2.2 模型试验  16-18
    1.2.3 数理方法  18-19
  1.3 抗滑桩加固边坡研究进展详述  19-26
    1.3.1 抗滑桩加固边坡变形破坏特性与加固效果  19-21
    1.3.2 抗滑桩加固边坡稳定性分析方法  21-25
    1.3.3 抗滑桩的安全性分析方法  25-26
  1.4 本文研究目标、内容及方法  26-29
    1.4.1 研究目标  26-28
    1.4.2 研究内容与方法  28-29
第2章离心模型试验新设备的研发  29-49
  2.1 离心机超重力场入桩及加载模拟系统  29-46
    2.1.1 工作原理  30-32
    2.1.2 系统组成  32-37
    2.1.3 工作步骤  37
    2.1.4 应用  37-46
  2.2 剪切结构桩模型  46-48
  2.3 本章小结  48-49
第3章加固土坡破坏和加固机理研究的离心模型试验  49-73
  3.1 模型相似律  49-52
    3.1.1 抗滑桩的模型相似律  49-50
    3.1.2 土工织物的模型相似律  50-51
    3.1.3 土钉的模型相似律  51
    3.1.4 本文试验用到的模型相似律汇总  51-52
  3.2 试验方案  52-63
    3.2.1 加载条件  52-53
    3.2.2 加固结构及布置  53-54
    3.2.3 土坡条件  54-56
    3.2.4 抗滑桩模型  56-57
    3.2.5 其他加固结构的模型  57
    3.2.6 试验方案汇总  57-63
  3.3 试验设备与测量技术  63-65
    3.3.1 模型箱  63
    3.3.2 振动台  63-64
    3.3.3 竖向加载设备  64
    3.3.4 土体图像采集与位移测量系统  64-65
    3.3.5 传感器电测系统  65
  3.4 试验过程  65-67
  3.5 分析方法  67-73
    3.5.1 点对分析  67-69
    3.5.2 位移差异度分析  69-70
    3.5.3 单元应变分析  70-71
    3.5.4 位移流线分析  71-73
第4章抗滑桩加固土坡的破坏机理  73-105
  4.1 破坏模式  73-81
    4.1.1 过桩破坏模式  74-75
    4.1.2 绕桩破坏模式  75-78
    4.1.3 局部破坏模式  78
    4.1.4 复合破坏模式  78-79
    4.1.5 破坏模式与加固土坡极限承载力的关系  79-81
  4.2 破坏过程  81-88
    4.2.1 发生过桩破坏模式的加固土坡破坏过程  81-85
    4.2.2 发生绕桩破坏模式的加固土坡破坏过程  85-88
    4.2.3 发生复合破坏模式的加固土坡破坏过程  88
  4.3 加固土坡破坏过程与变形局部化集成分析  88-100
    4.3.1 土坡变形局部化与滑裂面形成过程的集成分析  88-95
    4.3.2 土坡变形局部化与抗滑桩变形破坏过程的集成分析  95-99
    4.3.3 基于变形局部化的土坡承载力影响因素分析  99-100
  4.4 变形特性  100-103
  4.5 本章小结  103-105
第5章土坡的抗滑桩加固机理  105-127
  5.1 抗滑桩加固特性  105-111
    5.1.1 抗滑桩加固效果  105-108
    5.1.2 抗滑桩显著影响区域  108-111
  5.2 破坏过程与变形局部化集成分析  111-117
    5.2.1 素土坡的破坏机理  111-113
    5.2.2 抗滑桩对土坡变形局部化的影响  113-117
  5.3 “增压效应”和“抗剪效应”  117-126
  5.4 本章小结  126-127
第6章加固土坡震动特性与抗震加固机理  127-153
  6.1 抗滑桩加固土坡  127-135
    6.1.1 抗滑桩加固土坡的动力特性  127-130
    6.1.2 抗滑桩加固效果  130-134
    6.1.3 抗滑桩抗震加固机理  134-135
  6.2 土工织物加固土坡  135-146
    6.2.1 土工织物加固土坡的动力特性  135-137
    6.2.2 土工织物抗震加固机理  137-146
  6.3 土钉加固土坡  146-152
    6.3.1 土钉加固土坡的动力特性  146-148
    6.3.2 土钉加固效果  148-150
    6.3.3 土钉抗震加固机理  150-152
  6.4 本章小结  152-153
第7章抗滑桩加固土坡安全简化分析方法  153-171
  7.1 总体思路与基本假设  153-155
    7.1.1 总体思路  153-155
    7.1.2 基本假设  155
  7.2 抗滑桩加固土坡稳定性分析方法  155-162
    7.2.1 等效桩土条模型  155-157
    7.2.2 应变软化描述方法  157-158
    7.2.3 稳定性安全系数计算公式  158-159
    7.2.4 参数与确定方法  159-160
    7.2.5 程序实现  160
    7.2.6 有效性验证  160-162
  7.3 抗滑桩弯矩估算方法  162-164
  7.4 工程应用  164-167
  7.5 应变软化土坡的参数分析  167-170
  7.6 本章小结  170-171
第8章结论  171-173
参考文献  173-181
致谢  181-183
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  183-185

土质边坡加固机理与安全分析方法研究

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