地震作用下高填减载明洞土压力响应及土拱形态研究

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近年来,我国西北黄土高原地区高填方减载明洞工程的应用日益普遍。然而,由于黄土高原地区特殊的地质背景和地形地貌,导致该地区地震灾害频发,因此,有必要对高填方减载明洞工程的动力响应进行研究。有鉴于此,本文通过数值模拟方法,对地震作用下高填减载明洞周围的土压力以及回填土中土拱形态的变化进行了研究。主要研究内容如下:(1)采用有限差分程序FLAC3D建立高填减载数值分析模型,计算地震作用下高填减载明洞周围土压力以及回填土中土拱形态的变化。通过模拟分析,主要得到以下结论:(1)地震作用下,明洞顶距明洞中央较近范围内竖向动土压力时程曲线变化趋势基本一致,而距明洞中央较远范围内竖向动土压力变化趋势完全相反,明洞两侧水平动土压力时程曲线变化趋势呈“此消彼长”。(2)地震作用下,当明洞周围动土压力达到峰值时,明洞顶平均竖向动土压力是平均竖向静土压力184.00 k Pa的1.22倍,明洞侧面平均水平动土压力是平均水平静土压力82.66 k Pa的2.88倍。另外,地震过程中,静载时基于EPS板减载产生的土拱效应始终存在。(3)静载作用下,明洞顶铺设EPS板可以在填土中激发土拱效应,将明洞顶的荷载转移到明洞两侧,地震作用下,土拱效应会受到扰动,明洞周围的土压力会产生重分布。(4)静载作用下,土拱形态呈左右对称分布,土拱顶部较为平缓,土拱底部上凸明显;地震作用下,土拱形态不再对称,开始向左侧倾斜,土拱顶部降低,土拱底部升高,土拱厚度减小。(2)选取Kobe、Taft和EL-Centro三种地震波作为地震动输入研究了地震波频谱特征对高填减载明洞动力响应的研究,将Kobe波的峰值加速度调整为0.1g~0.6g研究了地震波峰值加速度对高填减载明洞动力响应的研究。研究后所得结论如下:(1)不同地震波作用下,明洞周围土压力均有所增加,Kobe波、Taft波和EL-Centro波作用下,平均竖向动土压力分别增加为平均静载竖向土压力的1.23倍、1.18倍和1.14倍,平均水平动土压力分别增加为平均水平静土压力的2.80倍、1.54倍和2.17倍,Kobe波作用下明洞周围土压力增加最多。(2)不同峰值加速度下,明洞周围的土压力随着峰值加速得增加而增大,当峰值加速度为0.6g时,明洞顶平均竖向动土压力是平均竖向静土压力的1.43倍,明洞侧面平均水平动土压力是平均水平静土压力的4.78倍。(3)不同地震波作用下,土拱顶部降低,底部升高,土拱形态不再对称,Kobe波作用下土拱形态各关键参数变化最大,其中,H1增加了5.04%,H2、H3和H4分别减少了21.44%、10.57%和11.43%。(4)不同峰值加速度作用下,随着峰值加速度的增大,土拱逐渐向左侧倾斜,土拱顶部高度降低,底部高度上升,当峰值加速度从0.1g增加到0.6g时,土拱形态关键参数H1增加了7.62%,H2、H3和H4分别降低了26.41%、5.30%和7.05%。(5)Kobe、Taft和EL-Centro三种地震波的不同峰值加速度作用下,平均竖向动土压力和平均水平动土压力均随着峰值加速度的增加而增大,Kobe波作用下平均竖向动土压力和平均水平动土压力变化最大,峰值加速度为0.6g时,Kobe波的平均竖向动土压力是平均竖向静土压力的1.43倍,平均水平动土压力是平均水平静土压力的4.78倍。
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