地震边坡稳定分析方法综述.pdf

1、第 20 卷 第 3 期 重 庆 交 通 学 院 学 报 2001年 9月Vol . 2 0 No . 3 JOURNAL OF CHONGQINGJ IAOTONG UNIVERSITY Sep . , 2001文 章 编 号 : 10012716X (2001) 0320083206地 震 边 坡 稳 定 分 析 方 法 综 述 X刘 立 平 1 , 雷 尊 宇 1 , 周 富 春 2(11 重 庆 大 学 建 筑 工 程 学 院 , 重 庆 400045 ; 21 重 庆 交 通 学 院 河 海 建 筑 工 程 系 , 重 庆 400074)摘 要 : 根 据 地 震 对 边 坡 的 作

2、 用 不 同 , 地 震 边 坡 失 稳 分 为 : 惯 性 失 稳 和 衰 减 失 稳 . 惯 性 失 稳 的 分 析 方 法 有 拟 静 力 法 、Newmark滑 块 分 析 法 、 有 限 元 方 法 及 概 率 分 析 法 等 . 而 衰 减 失 稳 的 分 析 方 法 有 流 动 破 坏 分 析 法 和 变 形 破 坏 分 析 法等 . 本 文 对 这 些 分 析 方 法 的 发 展 、 应 用 及 特 点 进 行 了 综 述 , 提 出 了 地 震 边 坡 分 析 中 主 要 研 究 内 容 、 存 在 的 问 题 及发 展 趋 势 .关 键 词 : 拟 静 力 法 ; Newm

3、ark 滑 块 分 析 法 ; 有 限 元 法 ; 概 率 分 析 法 ; 流 动 破 坏 ; 地 震 作 用 ; 边 坡 稳 定中 图 分 类 号 : TU435 文 献 标 识 码 : B地 震 边 坡 稳 定 是 土 工 和 地 球 环 境 工 程 中 十 分 关心 的 问 题 之 一 . 其 主 要 研 究 内 容 有 : 地 震 力 如 何 作用 于 边 坡 , 即 地 震 力 的 计 算 ; 边 坡 发 生 失 稳 的 位置 , 即 边 坡 破 坏 面 的 位 置 及 形 状 ; 地 震 作 用 下 边 坡是 否 会 失 稳 , 即 判 断 失 稳 的 可 能 性 ; 边 坡 失

4、稳 的 结果 , 即 永 久 变 形 或 永 久 位 移 的 计 算 . 在 这 几 个 问 题中 , 地 震 力 的 考 虑 和 破 坏 面 的 位 置 和 形 状 确 定 是 研究 其 他 问 题 的 前 提 , 边 坡 失 稳 判 断 和 永 久 位 移 的 计算 是 重 点 研 究 的 内 容 . 地 震 对 边 坡 的 作 用 表 现 为 :地 震 力 引 起 的 惯 性 力 和 因 循 环 退 化 引 起 的 剪 应 力 降低 . 因 此 将 地 震 边 坡 失 稳 分 为 : 惯 性 失 稳 ( Inertialinstability)和 衰 减 失 稳 (Weakening i

5、nstability) .目 前 地 震 边 坡 稳 定 性 分 析 方 法 主 要 基 于 极 限 平衡 理 论 和 应 力 2变 形 分 析 1 . 惯 性 失 稳 常 采 用 的 分析 方 法 有 : 拟 静 力 法 ( Pseudostatic analysis) 、 New2mark 滑 块 分 析 法 (Newmark sliding block analysis) 、Makdisi2seed 法 及 有 限 元 方 法 . 而 衰 减 失 稳 常 采 用 :流 动 破 坏 分 析 法 (Flow failure analysis) 和 变 形 破 坏 分析 法 (Deformat

6、ion failure analysis) .1 地 震 边 坡 稳 定 性 分 析 方 法111 拟 静 力 法自 19 世 纪 20 年 代 , 拟 静 力 法 已 用 于 结 构 地 震稳 定 性 分 析 , Terzaghi (1950) 首 次 将 其 应 用 于 地 震边 坡 稳 定 性 分 析 中 . 拟 静 力 法 是 将 地 震 作 用 简 化 为水 平 方 向 或 垂 直 方 向 的 不 变 加 速 度 作 用 , 此 加 速 度产 生 作 用 于 不 稳 定 体 质 心 的 惯 性 力 (用 水 平 和 垂 直拟 静 力 因 子 表 示 ) . 根 据 极 限 平 衡 理

7、 论 , 将 所 有 作用 于 潜 在 滑 动 体 上 的 力 沿 滑 动 面 进 行 分 解 , 得 出 沿滑 动 面 的 安 全 系 数 .安 全 系 数 与 边 坡 材 料 特 性 ( c、 ) 、 破 坏 面 形 状和 位 置 ( lab , , W) 和 地 震 力 大 小 ( Rh、 kv) 相 关 .在 拟 静 力 分 析 中 , 边 坡 材 料 特 性 值 可 通 过 现 场 或 实验 室 相 应 实 验 测 定 : 而 破 坏 面 形 状 和 位 置 常 根 据 边坡 地 质 条 件 用 经 验 或 工 程 类 比 来 确 定 , 且 简 化 为 直线 形 、 圆 形 或 非

8、 圆 形 等 ; 而 对 地 震 力 大 小 的 计 算 ,即 水 平 和 垂 直 拟 静 力 因 子 Rh 和 kv 的 取 值 研 究 较多 .Terzaghi ( 1950 ) 首 次 提 出 : 对 一 般 性 地 震(Rossi2Forel IX) Rh = 011 ; 对 破 坏 性 地 震 (Rossi2ForelX) Rh = 012 ; 对 灾 难 性 地 震 Rh = 0152 . Seed(1979)对 10 个 地 震 区 国 家 的 14 座 大 坝 列 出 拟 静 力设 计 准 则 : 若 安 全 系 数 为 110 115 , 则 拟 静 力 因 子应 为 011

9、0 01123 . Seed (1979) 也 指 出 由 柔 性 土(不 会 产 生 高 孔 阵 压 ,循 环 加 载 时 有 15 %以 上 强 度X 收 稿 日 期 : 2000210211 ; 修 订 日 期 : 2000211223作 者 简 介 : 刘 立 平 (1971 - ) , 男 , 安 徽 人 , 讲 师 , 博 士 , 重 庆 大 学 建 筑 工 程 学 院 , 从 事 岩 土 工 程 、 抗 震 防 灾 科 研 和 教学 工 作 .降 低 的 土 ) 建 成 的 大 坝 在 小 于 0175g 最 大 加 速 度 作用 下 的 变 形 小 于 Rh = 011 ( M

10、 = 615) 到 Rh = 0115 ( M= 8125) 的 拟 静 力 因 子 作 用 下 的 变 形 , 即 允 许 13 % 20 %的 峰 值 最 大 加 速 度 作 为 拟 静 力 加 速 度 4 .Marcuson (1981) 考 虑 大 坝 对 地 震 动 的 特 性 影 响 ,建 议 大 坝 的 适 宜 拟 静 力 因 子 应 取 最 大 加 速 度 的 1/ 2 1/ 35 . Hynes2Griffin 在 某 些 条 件 下 , 不 稳 定体 的 最 小 安 全 系 数 不 能 确 定 , 因 此 得 不 到 临 界 圆 形滑 动 面 ; 得 出 的 安 全 系 数

11、 太 低 11 . 传 统 拟 静 力 法常 只 考 虑 水 平 地 震 动 , Ling Hoe I. (1997) 研 究 水平 和 垂 直 加 速 度 共 同 作 用 下 边 坡 的 稳 定 性 和 位 移 ,发 现 若 水 平 加 速 度 很 大 时 垂 直 加 速 度 对 稳 定 性 和 位移 有 重 大 影 响 12 .112 Newmark 滑 块 分 析 法拟 静 力 法 只 提 供 一 个 稳 定 指 标 (安 全 系 数 ) , 但没 有 与 破 坏 面 相 关 的 变 形 信 息 . 永 久 地 震 位 移 分 析常 采 用 Newmark 滑 块 模 型 Newmark

12、 , 1965 .当 安全 系 数 小 于 1 时 , 潜 在 破 坏 体 不 再 保 持 平 衡 ; 从 而破 坏 体 在 不 平 衡 力 作 用 下 会 加 速 下 滑 , 此 状 态 类 似于 位 于 斜 面 上 的 物 体 . Newmark 利 用 此 类 比 发 展 了与 任 何 地 震 动 相 关 的 边 坡 永 久 位 移 的 预 测 方 法 13 .该 模 型 尽 管 很 近 似 , 但 比 传 统 拟 静 力 分 析 提 供 更 多信 息 , 比 FEM 分 析 更 实 用 .标 准 滑 块 分 析 基 于 如 下 假 定 : 潜 在 滑 动 体 是 完全 刚 性 的 ;

13、滑 块 与 滑 面 间 是 完 全 塑 性 应 力 2应 变 特性 关 系 ; 破 坏 面 形 状 是 平 面 . 而 实 际 边 坡 并 非 如此 . 实 际 边 坡 动 力 反 应 依 赖 于 地 质 条 件 、 滑 动 体 刚度 及 输 入 的 幅 值 和 频 率 .此 分 析 方 法 中 采 用 简 单 波 形 , 发 现 滑 块 在 矩 形波 、 正 弦 波 和 三 角 形 波 作 用 下 的 永 久 位 移 与 周 期 平方 成 比 例 在 很 多 研 究 者 研 究 了 边 坡 位 移 与 ay/ amax之 间 关 系 , 得 到 很 多 近 似 表 达 式 . 采 用 滑 块

14、 分 析 方法 分 析 真 实 地 震 动 作 用 下 边 坡 永 久 位 移 (如 Sarma ,1975 ; Makdisi Ambraseys 另 一 种 有 限 元 利 用 折 减 的 剪切 模 量 . 此 法 可 用 于 线 性 和 非 线 性 模 型 . 不 同 于 应变 趋 势 法 , 刚 度 折 减 法 可 用 估 计 水 平 和 垂 直 向 的 位移 . 但 仍 是 一 种 近 似 方 法 1 .永 久 边 坡 变 形 也 可 用 非 线 性 非 弹 性 土 模 型 的 有限 元 分 析 计 算 . 地 震 作 用 边 坡 常 采 用 循 环 应 力 2应变 模 型 或 高

15、等 本 构 模 型 的 两 维 或 三 维 有 限 元 分 析 .Hisakazu SAKAI (2000) 提 出 了 考 虑 土 体 拉 伸 破 坏的 弹 塑 性 本 构 模 型 , 采 用 非 线 性 动 力 有 限 元 法 对 堤坝 进 行 了 分 析 1 , 应 用 此 方 法 分 析 了 堤 坝 模 型 的 静力 斜 坡 实 验 和 在 1968 年 Tokachi2oki 地 震 中 高 速 公路 堤 坝 结 构 的 破 坏 , 结 果 显 示 : 前 者 分 析 在 各 种 倾角 的 崩 塌 过 程 与 实 验 完 全 一 致 , 后 者 分 析 能 反 映 实际 情 况 ,

16、即 堤 坝 新 建 部 分 发 生 破 坏 , 而 旧 结 构 部 分的 变 形 很 小 23 .有 限 元 法 是 一 种 好 的 分 析 方 法 , 在 确 定 潜 在 破坏 面 的 同 时 可 计 算 出 永 久 位 移 . 但 有 限 元 采 用 不 同的 模 型 可 能 产 生 不 同 的 结 果 . 有 限 元 往 往 涉 及 计 算机 技 术 , 计 算 较 复 杂 .114 地 震 边 坡 概 率 分 析 方 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 动 的 随 机 性 , 边 坡 材 料 特 性 的 随 机 性等 .

17、在 分 析 中 有 必 要 考 虑 这 些 随 机 性 , 因 此 出 现 了地 震 边 坡 概 率 分 析 方 法 .Halatchev Rossen A (1992) 24 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 基 础 上 , 考 虑 了 地 震 力 的 水 平 和 垂直 分 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 采 用 Monte Carlo 模 拟 ; 破 坏 概 率由 地 震 系 数 确 定 ; 将 地 震 系

18、数 视 作 一 个 随 机 量 . 并将 其 应 用 于 露 天 煤 矿 边 坡 分 析 中 . Al2Homoud A S.(2000) 25 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 : 实 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

19、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 害 的 著 名 滑 坡Selset landslid 中 , 发 现 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 .5

20、8第 3 期 刘 立 平 , 等 : 地 震 边 坡 稳 定 分 析 方 法 综 述115 衰 减 失 稳 流 动 破 坏 分 析流 动 破 坏 发 生 于 剪 切 强 度 低 于 维 持 边 坡 平 衡 的静 力 剪 切 强 度 时 , 发 生 迅 速 而 无 任 何 警 告 且 产 生 巨大 变 形 . 该 分 析 分 两 步 , 首 先 确 定 是 否 会 发 生 流 动破 坏 , 其 次 是 确 定 流 动 破 坏 范 围 .潜 在 流 动 滑 块 不 稳 定 性 常 采 用 传 统 的 边 坡 稳 定性 分 析 法 来 评 价 , 采 用 地 震 结 束 时 土 体 的 强 度 .

21、若稳 定 分 析 中 得 出 流 动 破 坏 可 能 发 生 , 则 流 动 破 坏 变形 分 析 可 确 定 破 坏 影 响 区 范 围 . 忽 略 流 动 滑 体 滑 动前 的 小 变 形 , 流 动 滑 体 的 变 形 可 通 过 极 限 平 衡 、 流体 力 学 和 应 力 2变 形 分 析 来 粗 略 估 计 .Lucia (1981) 采 用 简 单 平 面 应 变 极 限 平 衡 法 来评 价 液 化 土 体 在 平 缓 边 坡 ( 3 4) 上 的 滑 动 距离 . 假 定 液 化 土 体 最 终 形 成 线 性 表 面 , 破 坏 后 几 何体 满 足 平 衡 且 体 积 保

22、 持 不 变 1 . 虽 然 此 方 法 需 要几 个 简 单 假 定 和 液 化 土 体 的 估 计 强 度 , 但 可 粗 略 估计 变 形 值 .液 化 土 体 的 可 流 动 特 性 使 流 体 力 学 方 法 可 用 于模 拟 液 体 滑 块 特 性 , 这 方 面 工 作 已 直 接 应 用 于 泥 石流 和 尾 坝 破 坏 分 析 . 真 正 模 拟 液 化 土 体 是 很 困 难的 . 最 常 使 用 的 模 型 是 Bingham 模 型 (强 度 = y + p ,此 处 y 和 p 分 别 为 Bingham 屈 服 强 度 和 塑 性粘 度 , 为 剪 应 变 速 率

23、) , 该 模 型 在 反 映 液 化 土 体 的摩 擦 特 性 是 有 限 的 ( Iverson 为 场 地 表 面 坡 度 和 液 化 区 下部 边 界 坡 度 间 的 大 者 ( %) . 但 该 式 没 有 考 虑 液 化土 的 强 度 , 使 用 是 要 小 心 1 .Bymrne (1991) 28 将 边 坡 模 拟 为 一 层 未 扰 动 土体 层 位 于 液 化 层 上 面 , 利 用 能 量 原 理 和 弹 性 2完 全塑 性 液 化 土 模 型 建 立 了 评 价 边 坡 永 久 位 移 的 公 式 .Bartlett 21Department of River New

24、mark sliding block analysis ; stress2deformation analysis ; probabilistic analy2sis ; flow failures , deformation failures ; slope stability(上 接 79 页 )参 考 文 献 :1 中 华 人 民 共 和 国 建 筑 法 M. 北 京 : 法 律 出 版 社 ,1997.2 中 华 人 民 共 和 国 产 品 质 量 法 M.北 京 : 法 律 出 版社 , 1998.3 中 华 人 民 共 和 国 刑 法 M . 北 京 : 法 律 出 版 社 ,19

25、97.An investigation on the issue of sharing responsibility forengineering accidents arising from qualityTU Zhong2ren(Department of Water responsibility ; share(上 接 82 页 )On engineering measurement superisionHUANG Xian2gui(Department of Highway Engineering , Chongqing Jiaotong University , Chongqing

26、400074 , China)Abstract : The paper brings forward the requirement of engineering measurement , and divides it into three stages. Oneach stage in puts forward essentials for standard fill2in and examination and verification of the engineering measurementbasic materials. For engineering measurement superision it provides with academic and practical reference.Key words : engineering measurement ; supervision ; conditions of contract88 重 庆 交 通 学 院 学 报 第 20 卷