夯土长城墙体掏蚀失稳机理研究

基于明代夯土长城甘肃山丹段的野外现场调查和室内试验建立了夯土长城掏蚀墙体稳定性分析模型和动力时程分析模型,计算分析了夯土墙体在自重和地震作用下墙体的稳定系数和动力响应规律。结果表明:在自重作用下掏蚀墙体稳定系数是掏蚀深度的二次函数,山丹段墙体在自重作用下处于稳定状态,墙体最大掏蚀深度为0.778 m;山丹段墙体掏蚀深度小于极限掏蚀深度,仍能抵御8度地震作用;夯土墙体峰值加速度最大值出现在墙体掏蚀部位顶侧,比墙根峰值加速度大1.28倍。本文研究成果可为河西地区土遗址保护提供参考。     

地震作用下夯土城墙动力响应分析——以山丹明长城为例

2022年1月8日门源M6.9地震造成山丹明长城局部破坏。为研究此次地震作用下夯土城墙的动力响应与破坏特征,基于地震现场考察结果,采用振幅等效处理后的记录地震波为输入地震动,开展双向地震荷载作用下夯土城墙的动力响应数值分析,研究不同位置测点的最大位移、峰值加速度与墙体应力分布特征,探讨地震导致夯土城墙破坏的主要内因。研究结果表明：双向地震荷载作用下,墙体位移和峰值加速度(PGA)随着高度的增加逐渐增加,但距墙体底部0.5 m高度范围内PGA放大效应不明显,最大位移、加速度均出现在墙体顶部裂缝位置处;水平地震荷载作用下墙体的地震动响应更为显著;墙体的最大主应力、最大剪应力均出现在有裂缝处的底端掏蚀悬空部位,墙体裂缝、夯筑搭接、掏蚀悬空处应力集中明显;裂缝对夯土城墙的地震动放大效应在一定高度范围内表现为弱化作用,但随高度增加逐渐过渡为强化作用;裂缝可显著增强墙体顶部地震动响应,可能是本次地震诱发城墙破坏的主要内因。研究成果可为古城墙遗址的加固修缮提供科学指导。     

门源MS6.9地震诱发明长城山丹段破坏机理分析

2022年1月8日青海门源发生了M_S6.9地震,造成位于低烈度区的甘肃省山丹县境内明长城墙体局部坍塌。作为国家重点文物保护遗址,其坍塌墙体距离此次地震震中114 km,地面振动强度相对较弱,因而其地震破坏机理值得深入研究。地震后,对已坍塌长城墙体进行工程地质调查、病害调查,然后结合调查结果进行理论分析与数值模拟来研究坍塌墙体震害机理。结果表明：此段长城墙体掏蚀病害发育,墙体构造裂缝暴露,尚无保护措施;坍塌墙体临近国道和便道,环境振动效应明显;墙体南北两侧风化差异性明显,北侧墙体含水率较高,夯土强度较低;墙体既有病害加剧了地震惯性力的影响,导致低烈度区长城墙体发生局部坍塌。此次地震对甘肃河西地区明长城遗址保护具有警示意义,研究结果为后期明长城抗震保护提供一定的科学依据。     

不同掏蚀深度下古城墙的稳定性数值分析

以浙江良渚古城的宽顶古场面墙稳定性问题为研究对象,本文针对古城墙可能出现的不同深度的风沙掏蚀的实际工况,通过有限差分软件FLAC3D,建立计算模型进行了稳定性分析,探讨了不同掏蚀深度下城墙破坏机理和规律.研究表明:当城墙墙根掏蚀深度不是很大时,城墙整体稳定,土体开始出现比较小的位移量,掏蚀部位及其周围出现局部塑性破坏现象.随着掏蚀深度的增加,城墙塑性破坏区域不断向城墙体内部、顶部及顶部后缘范围发展,城墙上的土体位移量随着掏蚀深度的增加而呈数量级的增加,直至城墙出现整体崩塌破坏.掏蚀作用加剧了地震作用下城墙体的破坏,在掏蚀部位形成潜在破坏口,内部形成塑性贯通区,造成墙体整体崩塌.     

含氯盐遗址土盐渍风蚀效应试验研究

盐渍风蚀是中国西北干旱区岩土体盐渍劣化加剧风蚀损耗的一种普遍破坏效应,导致遗址体底部盐渍区掏蚀凹进,严重威胁遗址整体稳定。基于室内试验,采用脱盐遗址土掺入不同含量NaCl后制成重塑样,模拟自然干湿循环条件养护并进行声波测试和风洞试验,就遗址土盐渍劣化和风蚀损耗效应做出初步分析。结果表明:含氯盐遗址土试样盐渍劣化和风蚀损耗过程中含盐量是内在因素,干湿循环起着外助力作用。     

西北干旱、半干旱地区土遗址典型病害及其相关性研究

我国西北地区分布着大量土遗址,在对西北地区土遗址实地调查的基础上,按照病害成因类型对该区域土遗址进行归纳总结。根据调查数据进行量化拟合分析后发现,裂缝、掏蚀、冲沟、倒塌等四种病害之间有明显的内在联系,各种病害形成与发展之间存在先后及促进关系。其中线性拟合结果表明上述四种病害之间呈现不同程度的相关性,裂缝、掏蚀、冲沟等三种病害最终将导致土遗址倒塌,相关系数表明导致土遗址倒塌最为显著的影响因素是土遗址冲沟与掏蚀病害。文章认为土遗址加固保护应该综合考虑多种病害,进行多病害综合治理的方法,最大程度地延缓土遗址破坏。     

土遗址文物震害防御及抗震加固对策

概述了土遗址文物的主要病害如风蚀病害、表面风化、雨蚀病害、裂缝或坍塌、基础掏蚀、生物破坏以及人类社会经济活动所产生的不良影响等的特征及成因机制;阐明了建立土遗址文物防灾减灾综合体系的重要性,提出了灾前防御、震时应急和灾后恢复的对策;针对土遗址的特殊性提出了抗震防护加固的原则,分析了其特点,针对不同病害特征的土遗址分别提出了抗震加固方案.为土遗址文物的科学保护和综合防御地震灾害提供了理论基础和工程实践指导.     

玉门关段汉长城墙体结构抗震性能研究

基于野外调查和室内试验建立了玉门关段汉长城结构的三维动力分析模型,其中以长城墙体结构中的夯土层、芦苇层和芦苇绳为主要研究对象。采用有限差分法计算了该段长城结构在地震动作用下的抗震性能。计算结果表明:在自重作用下,芦苇层与夯土层变形机制相互补充,芦苇绳的拉结作用明显,整个墙体变形合理;从墙体底部到顶部,地震波的高频成分减少,低频成分增加;在强震作用下,墙体芦苇层的最大应力远小于单根芦苇纤维的抗拉强度,处在比较安全的状态;采用格栅单元和锚索单元分别模拟芦苇层、芦苇绳是合理的。研究成果可为河西地区土遗址保护提供参考。     

嘉峪关典型土遗址裂缝变形气温响应特征研究

裂隙、冲沟、掏蚀、片状剥离等是中国西北地区土遗址发育典型病害,为探求土遗址本体及其赋存环境变化的内在本质规律,开展土遗址变形监测的研究与实践至关重要。以嘉峪关土遗址烽火台裂缝1号、2号为研究对象,通过分析2016年裂缝变形和环境气温监测数据,寻找其响应关系,探索环境气温影响裂缝发育的规律;利用相关性分析、归一化处理数据,结合支持向量机(SVM)机器学习方法对裂缝发展趋势进行预测,为土遗址裂缝发育趋势研究提供理论依据。     

无筋砌体农居地震弹塑性有限元研究

利用ABAQUS软件对既有的砌体墙试验结果进行了数值模拟,验证了模型的正确性以及混凝土损伤塑性模型对模拟砌体结构受力性能的可用性。在此基础上,借助实地调查获得的结构参数和材料性能数据,以重庆典型农居建筑为例,建立了无筋砌体农居的三维有限元模型,对数值模型进行了动力特性分析和不同烈度下多遇及罕遇地震的动力弹塑性时程分析,并建议了无筋砌体结构农居在不同地震烈度破坏下墙体表面积受拉损伤率的临界值。最后,利用既有文献提出的层间位移角限值,分析了该农居的破坏程度,比较了墙体表面积受拉损伤率和层间位移角限值衡量砌体结构的破坏程度。分析结果表明:提出的墙体表面积受拉损伤率和层间位移角限值衡量砌体结构破坏程度吻合良好;当墙体表面积受拉损伤率小于1%时,结构轻微破坏;当位于1%~5%时,发生中等程度破坏;当位于5%~30%时,发生严重破坏;当大于30%时,结构倒塌。     

竹片网水泥砂浆加固承重夯土墙体抗震试验研究

为了提高村镇承重夯土墙体的抗震性能,对2片竹片网水泥砂浆加固墙体和1片未加固对比墙进行拟静力试验,研究其破坏形态、水平承载力、滞回性能和耗能等抗震性能。试验结果表明:与未加固夯土墙体相比,加固后墙体的受力性能、变形性能及耗能能力均得到明显改善;同等加固水平下:斜放竹片网对夯土墙承载力的提高显著,相比对比试件峰值荷载和极限荷载分别提高82.58%和76.97%;正放竹片网加固的墙体滞回曲线更加饱满,骨架曲线下降更加平缓,变形能力和耗能提高更加明显,相比对比试件峰值位移和极限位移分别提高63.33%和327.69%,耗能提高了781%,且正放竹片网加固施工方便,可提倡应用。总之,竹片网水泥砂浆加固方法生态经济,可明显减轻墙体的破坏,有效改善墙体抗震性能,研究成果可对村镇夯土建筑实地加固提供参考。     

夯土住宅结构性能分析及加固方法

以现存夯土住宅为研究对象,在获得实地调研数据的基础上,建立有限元分析模型。通过静力分析、地震反应谱分析,探讨了夯土住宅的受力变形特点,结果表明檩-墙连接部位、山墙中部以及纵墙顶面部位是结构的薄弱部位。针对上述问题,提出了分别在檩条下设置弧形垫块、山墙外设置扶壁柱和纵墙顶面设置木圈梁的解决方法,并通过分析证明了其合理性,以供此类建筑的加固改造参考。     

甘肃典型夯土民房承重墙体加固试验研究

武都是甘肃省典型夯土民房使用地区,研究其夯土民房的抗震性能对于防灾减灾具有重要意义。在试验中,使用武都当地常用土料,完全按照其施工工艺夯筑4片夯土墙体试件,利用伪静力方法研究了素土墙体与使用铁丝网加固墙体的抗剪强度。结果显示：①在竖向荷载10 kN条件下,加固墙体试件较素土墙体试件的水平开裂荷载和极限荷载分别增长了73%和38%,在竖向荷载18 kN条件下,加固墙体试件素土墙体试件的水平开裂荷载和极限荷载分别增长了76%和5%;②随着竖向荷载从10 kN增加到18 kN,素土墙体试件的水平开裂荷载与极限荷载分别增长了217%和359%,加固墙体试件的水平开裂荷载与极限荷载则增长了223%和249%;③在水平往复荷载的作用下,夯土墙体始终沿着夯土层间的水平和垂直接触裂缝产生破坏,最终碎裂成块体。     

甘肃武都典型夯土民房承重墙体抗剪强度试验研究

武都是甘肃省典型夯土民房使用地区.试验中使用武都当地常用土料,完全按照当地施工工艺夯筑两片夯土墙体试件,利用伪静力方法研究墙体抗剪强度.结果显示:(1)上覆荷载对夯土墙体的水平承载力和变形影响较大,随着上覆荷载从10 kN增加到18 kN,开裂荷载和极限荷载分别增加了217％和359％,极限顶点位移则降低了30％;(2)在水平往复荷载的作用下,夯土墙体始终沿着夯土层间水平和垂直接触裂缝处产生破坏,最终碎裂成块体.最后提出了使用铁丝网来加固现存夯土民房承重墙体的建议.     

The cycle of instability: stress release and fissure flow as controls on gully head retreat

Gully head and wall retreat has commonly been attributed to fluvial scour and head collapse as a result of soil saturation, sapping or piping. The empirical evidence to substantiate these conceptual models is sparse, however, and often contradictory. This paper explores the hydrological and mechanical controls on gully head and wall stability by modelling the hydrology, stability and elastic deformation of a marl gully complex in Granada Province, south‐east Spain. The hydrological and slope‐stability simulations show that saturated conditions can be reached only where preferential fissure flow channels water from tension cracks into the base of the gully head, and that vertical or subvertical heads will be stable unless saturation is achieved. Owing to the high unsaturated strengths of marl measured in this research, failure in unsaturated conditions is possible only where the gully head wall is significantly undercut. Head retreat thus requires the formation of either a tension crack or an undercut hollow. Finite‐element stress analysis of eroding slopes reveals a build up of shear stress at the gully head base, and a second stress anomaly just upslope of the head wall. Although tension cracks on gully heads have often been attributed to slope unloading, this research provides strong evidence that the so called ‘sapping hollow’ commonly found in the gully headwall base is also a function of stress release. Although further research is needed, it seems possible that ‘pop out’ failures in river channels may be caused by the same process. The hydrological analysis shows that, once a tension crack has developed, throughflow velocity in the gully headwall will increase by an order of magnitude, promoting piping and enlargement of this weakened area. It is, therefore, possible to envisage a cycle of gully expansion in which erosion, channel incision or human action unloads the slope below a gully head, leading to stress patterns that account for the tension crack and a stress‐release hollow. The tension crack promotes faster throughflow, encouraging hollow enlargement and piping, which undercut the gully head. The tension crack permits the development of positive pore‐water pressures behind the gully head, leading either to failure or contributing to toppling. Finally the debris may be eroded by fluvial action, unloading a new section of slope and completing the cycle of gully head retreat. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.