地震荷载作用下岩土边坡稳定性分析方法.docx

地震荷载作用下岩土边坡稳定性分析方法摘 要：综合大量文献，回忆了岩土边坡地震稳定性分析方法的争论成果，将各种分析方法大致分为拟静力法，滑块分析法，概率分析法，数值分析方法以及试验法五类，并对这几种方法作简要评述，指出存在的问题并提出将来的进展方向。关键词：岩土工程，岩土边坡，地震稳定性，进展，分析方法Seismic Stability Evaluation Method Of Rock-soils LopesGao Weisliding block analysis method, probabilistic analysis method, numerical analysis method andAbstract：Comprehensive many papers, and reviewed the slop earthquake stability analysis of research results, The various analytical methods are classified into pseudo-static method,experimental method, This paper briefly evaluation these method, and points out the severalproblems and puts forward the development direction of the future.GeotechnicalKey Words：Geotechnical engineering, analysis methodslop, seismic stability, progress,引言中国位于世界两大地震带：环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震断裂带格外发育，是一个地震灾难严峻的国家。同时，我国地形地貌简单的地区，面积大，分布广，高山河谷数量众多，山地面积占国土面积1/4，从而客观上打算了我国有大量的自然边坡。大量的震害调查说明，地震诱发的边坡滑坡是主要的地震灾难类型之一5。在山区和丘陵地带，地震诱发的滑坡往往具有分布广、数量多、危害大的特点。例如，2023 年 5 月 12 日四川发生的里氏 8.0 级特大地震， 诱发了大规模的山体倒塌和滑坡，造成了人畜伤亡、房屋倒塌、堵塞交通，给山区人民生命财产造成了严峻损失6。近年来的地震活动说明我国地震活动正趋于活泼，再加上对边坡地震稳定性分析争论还不深入，没有比较成熟牢靠的评价方法与标准可遵循，这一点从抗震标准的有关条文能够表达出来。此外，边坡的静力稳定性分析，特别是土质边坡的稳定性分析已经趋于成熟，但是岩土边坡的地震稳定性分析刚刚起步，因此， 岩土边坡地震稳定性分析的争论更为迫切和重要。经过查阅文献，本文将综述关于地震荷载作用下岩土边坡稳定性分析的争论进展，并指出其中存在的问题，提出今后的争论方向。1 地震荷载作用下岩土边坡稳定性分析方法争论进展边坡地震反响是指地震所引起的边坡反响，它包括地震惊在边坡中引起的加速度、速度、位移和内力等。边坡地震反响分析远比静力分析简单得多，由于边坡的地震反响不仅与边坡岩土体的动力特性有关，而且与输入地震惊的特性亲热相关。然而，地震惊具有很大的随机性，很难对其进展准确的推测，对边坡岩土体的动力特性的争论主要集中在周期荷载上，事实上，岩土体的动力特性与应力路径亲热相关，关于真实地震惊作用下的岩土体动力特性的争论刚刚开头。从考察地震惊作用下的边坡地震反响的物理现象动身，以能够表达真实地震惊作用下的边坡岩土体的动力行为的物理本质为目标，以数学力学和计算工具的进展为前提，国内外学者们渐渐进展了多种方法，大致可以分为拟静力法、滑块分析法、概率分析方法、数值分析方法和试验法 5 大类。1.1 拟静力法拟静力法的质上是将地震惊的作用简化为水平、竖直方向的恒定加速度作用， 并施加在潜在不稳定的滑体重心上，加速度的作用方向取最不利于边坡稳定的方向， 将所产生的地震惊作用作为水平和竖直方向的拟静荷载因子， 其大小通常用地震系数kh和k 来表示， 数值上等于水平或竖直加速度与重力加速度y之比。将地震所产生的惯性力作为静力作用在边坡潜在不稳定滑体上， 依据极限平衡理论， 便可求出边坡的抗震安全系数。这种分析方法实质上与静力稳定性分析完全一样，所承受的方法是由静力稳定分析方法拓展而来的， 只是添加了一个反映地震作用的地震系数， 因而格外简便。但是，拟静力法虽然比较简洁，但也有明显的缺点。其缺点主要来自它的几个假定：第一，假定边坡为确定刚体，地震加速度与边坡加速度全都。其次，认为拟静力不变。第三，认为边坡失稳是唯一的破坏方式并且只有在安全系数小于1的情形下才能发生。实际上边坡是变形体而非刚性体4。Seed指出：惯性力不是永久不变的，也不是单向的，而是在量级上和方向上有快速的波动，所选用的地震加速度作用于斜坡的时间很短。在此期间产生的变形可能很小，所以即使边坡的稳定系数临时小于1也不会导致边坡的整体失稳，而只是导致边坡产生肯定的永久变形。边坡的变形行为由变形量级而不是拟静力法的稳定性系数掌握。拟静力法的另一个严峻缺陷在于把传统的边坡失稳看作唯一的潜在边坡破坏模式。实际上其他类型的地震破坏模式已在边坡坝坡的破坏调查中观看到。 尽管如此，由于拟静力法简洁易行，对于在地震作用下不发生抗剪强度明显降低的土石坝仍旧可用。所以，拟静力法一般与动力分析相结合，这样就可以得到抱负结果。1.2 滑块分析法为转变拟静力法中的不合理现象，1965年Newmark提出用有限滑动位移代替安全系数的思路。依据工程具体状况设定地震作用下的最大容许位移量，当位移小于容许值时是安全的。他指出堤坝稳定与否取决于地震时引起的变形而非最小安全系数；与地震变形直接相关的是应力时程的变化，而非应力的最大值。标准滑块分析基于如下假定：潜在滑动体是完全刚性的；滑块与滑面间是完全塑性应力-应变特性关系；破坏面外形是平面。而实际边坡并非如此。实际边坡动力反响依靠于地质条件、滑动体刚度及输入的幅值和频率4。承受滑块分析法可以计算出地震时滑动土块相对于不动土体可能引起的位移。先针对每一个单波计算出一个开头引起残留位移的振动加速度对应于使滑动土块的安全系数等于1时振动加速度，称为屈服加速度，然后计算出地震对滑动土块引起的等效最大加速度时程关系，将其和每一个单波动引起的屈服加速度比照，只有在地震加速度大于屈服加速度那个时段内，才能使滑动土块引起残留变形。用这个时段内的两种加速度曲线进展一次积分求出速度曲线，进展二次积分求出位移曲线，则单波引起的残留变形等于此位移曲线的面积。如将地震过程中多个波动所引起的残留变形迭加，则得滑动土块在地震过程中产生的残留位移。当这个数值超过了认为容许的位移量，则推断为不稳定，否则为稳定8。1.3 概率分析法在地震边坡稳定分析中存在很多不确定因素 ,如输入地震惊的随机性,边坡材料特性的随机性等.在分析中有必要考虑这些随机性 ,因此消灭了地震边坡概率分析方法.Halatchev Rossen A 在1992年提出了一种用于堤坝和边坡地震稳定性分析的概率方法.该方法建立在Sarma解的根底上,考虑了地震力的水平和垂直重量 , 即地震力具有任意倾角;土体剪切强度参数假定为正态分布承受 Monte Carlo模拟;破坏概率由地震系数确定;将地震系数视作一个随机量.并将其应用于露天煤矿边坡分析中. Al-Homoud A S.在2023年利用安全系数和边坡破坏的临界位移提出了地震力作用下土体边坡和堤坝的概率三维稳定性分析模型,考虑了如下的不确定性因素:试验室和现场所测的剪切强度参数值存大差异的不确定性 ;发生地震和地震引起的加速度的随机性.同时还考虑了空间上变化以及土参数间的关系. 提出了5个基于极限值下的非超越概率的地震位移概率模型 ,且提出了基于安全系数的三维动力边坡稳定分析的概率模型.编写了PTDDSSA计算机程序.将这些模型应用于受不同程度地震灾难的著名滑坡 Selset landslid中,觉察震源距离和震级对地震引起的位移、破坏概率(即位移允许超载概率)、二维和三维安全系数影响很大3。1.4 数值分析方法自有限元法用于土坝地震反响分析以来 , 特别是后期, 伴随着计算机技术和计算力学的高速进展, 有限元法及其它数值模拟法在边坡地震稳定性分析中获得了深入的争论和广泛的应用。目前, 对边坡地震稳定性分析常承受的数值方法有有限元法、离散元法和快速拉格朗日元法；下面我将主要介绍有限元法的进展历程。有限元是最早应用于岩土边坡动力分析的。自从Clough和Chop ra承受有限元分析土坝的地震反响以来,有限元法已经在岩土边坡地震反响分析中获得了广泛应用和进展。有限元进展的初期,用线弹性模型表示土的应力应变关系,承受振型叠加法求解运动方程,以后,很多学者从本构模型、计算方法方面不断加以改进。具体而言9,计算功能已从最早的线性总应力方法,逐步进展为基于非线性有限元根底上的有效应力动力分析方法和承受简单弹塑性模型并考虑岩土体与水 耦合作用的动力分析方法,从只能分析一维问题进展到能够分析二维、三维问题, 从只能分析饱和土体进展到能够分析多相非饱和土体。本构模型从早期的线弹性模型进展为粘弹性模型、弹塑性模型、边界面模型、内时模型和构造性模型等。计算方法进展很快,进展了振型叠加法、复反响分析法、行波法和子构造法等。有限元不断进展的过程中,也消灭了相应的计算程序,其中具代表性的有加州大学Berkeley分校地震工程中心的QUAD- 4和LUSH等,吴世明对有关的计算程序作了较为系统的总结。值得指出的是,以上方法和程序根本是基于土体小变形进展起来的,而针对岩体进展特地争论的较少2。1.5 试验法试验是真实边坡的简化缩影, 在满足相像律的条件下, 能够较真实直观地反映岩土边坡的薄弱环节及渐进破坏机理和稳定性程度 , 便于直接推断边坡的地震稳定性。就试验手段和原理不同 , 可以分为振动台试验和离心机试验两大类。就所查阅的大量文献看, 绝大局部试验的地震惊输入为简谐波, 且模型简洁, 以实际工程为原型的报道极少针对西北某拟建水利工程的层状构造岩质边坡的 破坏机理, 开展了边坡动力稳定性小型振动台模型试验争论 , 反映了层状边坡在不同地震惊作用下的稳定性状况, 得到了一些有价值的结论1。由于这方面的争论开展得少, 因此试验中的相像律等很多问题需要深入争论。2. 地震边坡稳定争论存在的问题及进展方向为了能够更好地解决实际工程问题 , 就目前的争论成果来看, 关于岩土边坡地震稳定性评价方法的争论仍旧存在以下几方面的缺乏和需要解决的问题:1. 对于拟静力法, 对边坡地震系数确实定的争论还不够深入。建议以地震安全性评价所给出的地面地震惊峰值加速度为根底 , 开展各种具有不同地质构造的边坡的地震惊峰值加速度放大系数的分布规律 , 以便快速便利地确定地震系数;2. 对于滑块分析法, 已有的成果对孔隙水压考虑得不够合理 , 应进一步争论孔隙水压的分析方法;3. 对于概率分析法，现在关于这方面的争论成果还很不成熟，不能满足工程的需要，应大力开展地震稳定性概率分析方面的争论；4. 对于数值分析法, 应连续开展岩土体的动本构模型争论 , 进展边坡动态弹塑性大变形计算方法, 以期到达边坡的动态变形评价;5. 对于试验法, 国内外仅开放了极少的、且较为简洁的试验,我国西部高烈度区的重大工程(比方说金沙江溪洛渡水利枢纽工程)尚未经受强震的考验,已有的数值方法由于受岩土体本构模型等的限制难以对工程边坡地震反响做出较为准确的估量,建议结合具体工程背景开展大型振动台试验和离心机试验 ,为准确推测边坡地震稳定性、验证数值方法的合理性供给牢靠的依据。3. 参考文献:1 李镜芬.浅谈岩土边坡地震稳定性评价方法争论进展J.广东科技,2023(189):54- 56.2 刘红帅,薄景山,刘德东.岩土边坡地震稳定性分析争论评述J.地震工程与工程振动,2023,251:164-171.3 刘立平,雷尊宇,周富春. 地震边坡稳定分析方法综述J.重庆交通学院学报,200 1,20(3):83-87.4 陈昌凯,阮永芬,熊恩来.地震作用下边坡稳定的动力分析方法J.地下空间与工程学报,2023,1(7):1054-1057.5 杜晓丽.地震荷载作用下岩质边坡稳定性争论D.陕西西安，西安科技大学,2023.6 张东亮.地震作用下土石混合体边坡稳定性争论D.四川成都，西华大学,2023.7 王思敬,薛守义.岩体边坡楔形体动力学分析M.地质科学,1992.2 :177-182.8 谢康和,周健.岩土工程有限元分析理论与应用M.北京:科学出版社,2023.9 许谨,郑书英.边界元法分析边坡动态稳定性J. 西北建筑工程学院学报(自然科学版),2023,17(4):7275.10 王思敬.岩石边坡动态稳定性的初步探讨J. 地质科学,1977,(4):372376.11 祁生文,伍法权,刘春玲,等. 地震边坡稳定性的工程地质分析J. 岩石力学与工程学报,2023,23(16):27922797.12 刘小丽,周德培. 岩土边坡系统稳定性评价初探J. 岩石力学与工程学报,2023, 21(9):13781382.13 苏超,李俊宏,任青文. 有限单元法在高拱坝坝肩动力稳定分析中的应用J. 河海大学学报(自然科学版),2023,31(2):144147.14 翟长海.最不利设计地震惊的争论D.哈尔滨:中国地震局工程力学争论所,2023.15 赵剑明,陈宁,常亚屏. 地震作用下土石坝边坡抗滑稳定性分析A. 李永盛,高广运主编. 环境岩土工程理论与实践C.上海:同济大学出版社, 2023. 239243.16 ZHANG Lei,ZHENG Gang.PROBABILITY ANALYSIS METHOD FOR THE S TABILITY OF JENNINGS SLOPEM.Journal of Engineering Geology,2023,12(0 3):232-236.17 Mario Parise, RandallW J ibson. A seismic landslide suscep tibility rating of ge ologic units based on analysis of characteristics of landslides triggered by the 17 January,1994 Northridge, California earthquake J. Engineering Geology,2023,58 (3/4):251270.18 Scott A Ashford, Nicholas Sitar,John Lysmer,etal. Topographic effects on the seismic response of steep slopesJ.Bulletin of the Seismological Society of America. 1997,87(3):701709.19 Wartman J, RiemerM F, Bray J D, et al. Newmark analyses of a shaking tableslope stability experimentA.Proc.,Geotechniacl Earthquake Engingineering and So il Dynamics , ASCE, Geotechnical Special Publication No.75 C.Seattle,1998.7 78789.20 Scott A Ashford, Nicholas Sitar, John Lysmer, et al. Topographic effects on theseismic response of steep slopesJ. Bulletin of the Seismological Society of Am erica, 1997, 87(3):701709.21 ScottA Ashford , Nicholas Sitar. Analysis of topographic amp lification of inclined shearwaves in a steep coastal bluff J.Bulletin of the Seismological Society o f America,1997,87(3):692700.22 Timoshento S P. History of strength ofmaterialsM.New York: McGraw2Hill,1953.23 Steven L. Kramer. Geotechnical Earthquake EngineeringM. New Jersey: Prentic e2Hall Inc.,U.S.A,1996.24 Zhang Chunhan,O A Pekau,J in Feng,et al.App lication of distinct elementmethod in dynamic analysis of high rock slopes and blocky structuresJ. Soil Dynamic s and Earthquake Engineering, 1997,16(6):385394.25 Itasca Consulting Group Inc.FLAC- 3D fast.Iagrangian analysis of continua in 3dimension version 2.0R.USA:Itasca Consulting Group Inc.,1997.