公路路基结构抗震设防标准研究.doc
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1、分类号 U416.1 单位代码 10618密 级 学 号 106250404硕 士 学 位 论 文论文题目: 公路路基结构抗震设防标准研究 Study on the anti-earthquake standard for the embankment and retaining wall 研究生姓名: 陈 永 红导师姓名、职称: 邓卫东(研究员)申请学位门类: 工 学 专 业 名 称: 道路与铁道工程论文答辩日期: 2009 年 4 月 7 日学位授予单位: 重 庆 交 通 大 学答辩委员会主席: 吴国雄 评阅人: 吴国雄 刘涌江2009年 4 月重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明:
2、所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
3、同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库,并进行信息服务(包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等),同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。学位论文作者签名: 指导教师签名:日期: 年 月 日 日期: 年 月 日本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊(光盘版)电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布,并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名: 指导教师签名:日期: 年 月 日 日期: 年 月 日摘 要路基结构作为公路工程的重要组成部分,具有量多面广的特点,在地震作用下震害较为严重。因此,为降低或减少因地震所引起的公路路基结
4、构震害现象的产生,开展路基结构抗震设防标准方面的研究尤为重要。目前,对公路路基结构抗震设防标准的研究主要是对其稳定安全度和设防目标的研究。本文在分析地震作用下填土动强度参数试验结果的基础上,提出了路基填土动强度参数取值的建议;通过理论分析,推导了瑞典法、简化毕肖普法、不平衡推力法的拟静力表达式,以及重力式挡土墙抗滑和抗倾覆稳定安全系数计算式,并建议了水平地震力和地震动土压力的计算公式;在此基础上,通过大量算例分析了地震对填方路基、重力式挡墙稳定系数的影响,提出了稳定安全系数取值及稳定性控制的有关建议;结合经济分析,提出了路基结构的抗震设防目标。 对路基结构抗震设防标准的研究有利于提高路基结构的
5、抗震设计能力,预防公路因地震破坏而造成过大经济损失,对公路的正常运营及抗震救灾有着极其重要的意义。 关键词:公路工程;抗震设防标准;拟静力法;路基结构ABSTRACTRoadbed structure is an important structure in highway engineering, the damage is more serious under the earthquakes function. Therefore, in order to reduce the roadbed damages caused by the earthquake, study on the s
6、tandard for anti-earthquake fortification of roadbed structure is particularly important.This paper analyzed the test results of static and dynamic triaxial test,adviced the value of the strength indexs on analyzing the stability of the roadbed structure.Through analyzing the forces acting on the ro
7、adbed,deduced the pseudo-static forums of Swedish slip-circle method 、Simple Bishop method and imbalance thrust force method. Through analyzing the forces acting on gravity retaining wall,derived the calculation forums for factor of safety against sliding and factor of safety against overturning.Thr
8、ough calculations,analyzing the influence of the safety fator under the change of strength indexs、earthquake force and the common action.After that,proposed the value of the safety fator.Through economic analysis and contrastthe norms,put forward the goals of anti-earthquake fortfication on roadbed
9、structure.Study the standard for anti-earthquake fortification of roadbed structure is helpful to perfect the anti-earthquake design method,to prevent big economic loss because of the roadbed damages caused by the earthquake,and to have the vital significance for roads normal operation and the relie
10、f work.KEY WORDS: highway engineering, the standard for anti-earthquake fortification , pseudo-static forcemethod,roadbed structure目 录第一章 绪论11.1 本文研究的目的意义11.2 抗震设防标准研究现状31.2.1 设防目标31.2.2 稳定安全度标准51.3 本文的工作6第二章 地震对路基填土强度参数的影响分析72.1 地震动荷载的特点72.2 影响土动强度的因素72.2.1 土性72.2.2 静力条件92.2.3 地震动荷载的影响112.3 路基填土动强度
11、参数的取值建议16小结21第三章 地震动荷载作用下填方路基稳定性分析方法223.1 地震动荷载作用下填方路基失稳机理223.2 路基震害现象223.3现有路基稳定性分析方法评述263.3.1 拟静力法263.3.2滑块分析法263.3.3概率分析方法273.3.4数值分析法273.4地震动荷载作用的考虑283.4.1相关规范对水平地震力的计算283.4.2 填方路基稳定性分析水平地震力的计算313.5拟静力法解析表达式323.5.1 瑞典条分法323.5.2简化毕肖普法333.5.3不平衡推力法34小结36第四章 地震动荷载作用下重力式挡土墙稳定性分析方法374.1 重力式挡土墙地震反应机理3
12、74.2 挡土墙震害现象384.3 现有重力式挡土墙稳定分析方法评述414.3.1拟静力分析法414.3.2简化条件解析法424.3.3极限位移法434.4作用于挡土墙上的地震动荷载434.4.1现行相关规范水平地震力的计算434.4.2推荐的水平地震力计算方法454.5 地震主动土压力计算方法464.5.1几个典型的地震主动土压力计算方法464.5.2现行相关规范地震主动土压力计算方法524.5.3 本文推荐的地震主动土压力计算方法544.6地震动荷载作用下挡土墙稳定性分析表达式57小结58第五章 地震动荷载作用下路基结构安全度取值分析605.1 填方路基稳定安全系数取值分析605.1.1地
13、震对路基稳定系数的影响分析605.1.2填方路基稳定安全系数取值建议635.2挡土墙稳定安全系数取值分析655.2.1地震对挡土墙稳定系数的影响分析655.2.2挡土墙稳定安全系数取值建议68小结69第六章 路基结构抗震设防目标分析706.1影响抗震设防目标确定的因素706.2 路基工程地震损失分析716.2.1公路工程地震间接损失分析716.2.2公路工程地震直接经济损失分析736.2.3路基结构抗震设防经济分析756. 3路基结构抗震设防目标的建议77小结80第七章 结论及建议817.1主要结论817.1.1稳定安全度817.1.2抗震设防目标817.2存在的问题以及有待进一步研究的问题8
14、2致 谢83参考文献84在学期间发表的论著及取得的科研成果885 第一章 绪论第一章 绪论1.1 本文研究的目的意义全球的板块构造和动力条件决定我国是一个地震频发的国家。我国地处世界上最为活跃的太平洋地震带和喜马拉雅地中海地震带之间,上世纪以来曾多次发生强烈地震,如唐山地震、海城地震、邢台地震、营口地震、云南定武县地震、云南丽山地震以及最近发生的四川汶川大地震和攀枝花-会理地震等,给人民造成了重大的生命和财产损失,对人民的生存和发展造成了严重威胁。1900年以来,中国死于地震人数达60几万,占全球地震死亡人口的绝大部分;1949年以来,100多次破坏性地震袭击了22个省(自治区、直辖市),其中
15、涉及东部地区 14个省份,造成27万余人死亡,地震成灾面积30多万平方公里,房屋倒塌达700余万间。近年来,我国大陆发生的地震有增多的趋势,并具有活动频率搞、强度大、震源浅、分布广等特点,且主要集中在我国中西部地区。地震及其其他自然灾害的严重性构成我国的基本国情之一。图1.1 中国强震及地震带分布图Fig1.1 Chinese earthquake zone and distribution图1.2 我国地震震中分布图Fig1.2 The earthquakes epicenter distribution in China图1.1为我国强震及地震带分布图。由图可知,我国的地震活动主要分布在五
16、个地区的23条地震带上。这五个地区是:台湾省及其附近海域;西南地区,主要是西藏、四川西部和云南中西部;西北地区,主要在甘肃河西走廊、青海、宁夏、天山南北麓;华北地区,主要在太行山两侧、汾渭河谷、阴山-燕山一带、山东中部和渤海湾;东南沿海的广东、福建等地。我国的台湾省位于环太平洋地震带上,西藏、新疆、云南、四川、青海等省区位于喜马拉雅-地中海地震带上,其他省区处于相关的地震带上1。图1.2为我国地震震中分布图。由图可以看出,我国特别是中西部地区的活动断裂分布极为广泛。虽然地震的发生为偶然事件,发生频率并不大,但一旦发生所造成的破坏却是灾难性的,对于公路也不例外。目前,我国公路建设正处于高速发展期
17、,通车里程以每年几千公里的速度增长,同时公路工程的技术等级大幅度提高,为预防和减少地震对公路造成的破坏,避免人员伤亡及经济损失,迫切需要对公路进行抗震研究。路基是公路最普遍的结构,具有量多面广的特点,一旦遭到震害,其破坏是普遍性的。但由于地震是一种随机事件,它是一种一次性的特殊荷载,其发生概率较低,如果设防标准定得太高, 则会导致过高的资金投入,甚至难以承受;相反,如果抗震设防标准定得太低, 便可能达不到减轻震害的目的。因此,如何在抗震设防的投入和震害损失之间权衡, 进行合理设防,就成为路基结构抗震设防标准的关键问题,具有非常重要的意义。20世纪50年代中期,地震工程纳入了我国的国家计划,19
18、56年前后我国编制了第一个地震区划图,直到1964年形成了工程抗震设计草案,最早规定了公路工程的抗震设计。1966年以后,我国发生了一系列破坏性地震,为了保障公路工程的安全,70年代初期,交通部组织公路工程抗震设计规范的编制工作,并于1977年颁布(试行),后来,根据抗震技术的发展需要,1989年进行了修订并颁布了公路工程抗震设计规范(JTJ004-89)2,并一直沿用至今。此后近20年的时间内,地震工作者对地震进行了卓有成效的研究,形成了大量的新理论、新方法,分别于1990年和2001年由相关部门颁布了 中国地震动烈度区划图3和中国地震动参数区划图4,相关行业规范已经采用了这些新成果。随着公
19、路建设的进行,我国的公路工作者对路基结构进行了深入的研究,分别于1996年和2004年颁布了公路路基设计规范56,与公路工程抗震设计规范(JTJ004-892配套使用的1986年颁布的公路路基设计规范5早已废止,而公路工程抗震设计规范(JTJ004-89)2还一直沿用至今,已难以适应公路路基工程抗震的需要。开展公路路基结构抗震设防标准的研究已非常迫切。路基结构主要包括填方路基边坡和挖方路基边坡,以及为保证路基稳定的支挡和防护结构。路基结构形式不同,其毁坏后的重建与恢复通车的难易程度也不同。对于挖方路基边坡,在其遭到震害后往往造成挖方边坡的跨塌,清理后即可基本通车;但对于填方路基,在地震作用下发
20、生毁坏后,如要恢复通车,则需要重新填筑,费时费力,难度相对较大。因此,考虑到公路路基抗震问题的复杂性以及地震毁坏公路的严重程度,本文将主要针对公路填方路基及其最常用的支挡结构重力式挡土墙的抗震设防标准开展研究。1.2 抗震设防标准研究现状 抗震设防标准的研究主要是解决抗震设防目标和结构稳定性标准两大问题。此两类问题的研究在近些年取得显著的成果,并已形成相关规范或标准,但在不同的行业是不一样的。1.2.1 设防目标建筑工程鉴于地震的发生在时间、空间和强度上还不能确切的预测,建筑抗震设防既要考虑发生小震的可能,也要考虑遭遇大地震的可能,并根据安全和经济的原则进行抗震设防。建筑抗震设计规范(GB50
21、0112001)7明确提出如下三水准的抗震设防要求:第一水准,当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时,一般不受损坏或不需修理可继续使用;第二水准,当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时,可能损坏,经过一般修理或不修理仍可继续使用;第三水准,当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时,不致倒塌或危及生命的严重破坏。简言之就是“小震不坏,中震可修,大震不倒”。铁路工程铁路工程抗震设计规范(GB501112006)8要求铁路工程按照多遇地震、设计地震、罕遇地震三个地震动水准进行抗震设计。其中,这三水准根据中国地震动参数区划图4中规定工程所在地区地震峰值加速度值Ag取值的不同来定义,分
22、别为0.33Ag、1.0Ag、2.1Ag。为了确保构筑物在地震作用下的安全性,并防止地震时构筑物发生毁灭性的损坏,避免构筑物使用性能低下,铁路工程抗震设计规范(GB501112006)8规定了铁路工程应达到的三个抗震性能要求,在抗震设计时,应根据不同的地震动水准,并结合其在路网中的重要程度,选取不同的性能要求作为铁路工程的抗震设防目标。这三个抗震性能要求如下:性能要求:地震后不损坏或轻微损坏,能够保持其正常使用功能;结构处于弹性工作阶段;性能要求:地震后可能损坏,经修补,短期内能恢复其正常使用功能;结构整体处于非弹性工作阶段;性能要求:地震后产生较大破坏,但不出现整体倒塌,经抢修后可限速通车;
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- 公路 路基 结构 抗震 设防 标准 研究
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