地震荷载作用下岩土边坡稳定性分析方法

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，回顾了岩土边坡地震稳定性分析方法的研究成果，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，数值分析方法以及实验法五类，并对这几种方法作简要评述，指出存在的问题并提出未来的发展方向。

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 Lopes

Gao Wei

Abstract：Comprehensive many papers, and reviewed the slop earthquake stability analysis of research results, The various analytical methods are classified into pseudo-static method, sliding block analysis method, probabilistic analysis method, numerical analysis method and experimental method, This paper briefly evaluation these method, and points out the several problems and puts forward the development direction of the future.

Key Words：Geotechnical engineering, Geotechnical slop, seismic stability, progress,

analysis method

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，地震断裂带十分发育，是一个地震灾害严重的国家。同时，我国地形地貌复杂的地区，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，从而客观上决定了我国有大量的自然边坡。大量的震害调查表明，地震诱发的边坡滑坡是主要的地震灾害类型之一[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，2008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崩塌和滑坡，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重损失[6]。

近年来的地震活动表明我国地震活动正趋于活跃，再加上对边坡地震稳定性分析研究还不深入，没有比较成熟可靠的评价方法与标准可遵循，这一点从抗震规范的有关条文能够体现出来。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研究更为迫切和重要。

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研究进展，并指出其中存在的问题，提出今后的研究方向。

1 地震荷载作用下岩土边坡稳定性分析方法研究进展

边坡地震反应是指地震所引起的边坡反应，它包括地震动在边坡中引起的加速度、速度、位移和内力等。边坡地震反应分析远比静力分析复杂得多，因为边坡的地震反应不仅与边坡岩土体的动力特性有关，而且与输入地震动的特性密切相关。然而，地震动具有很大的随机性，很难对其进行准确的预测，对边坡岩土体的动力特性的研究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密切相关，关于真实地震动作用下的岩土体动力特性的研究刚刚开始。

从考察地震动作用下的边坡地震反应的物理现象出发，以能够体现真实地震动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发展为前提，国内外学者们逐渐发展了多种方法，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动的作用简化为水平、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，将所产生的地震动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k

h 和k

y

来表示，数值上等于水平或竖直加速度与重力加速度

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，根据极限平衡理论，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相同，所采用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，因而十分简便。

但是，拟静力法虽然比较简单，但也有明显的缺点。其缺点主要来自它的几个假定：第一，假定边坡为绝对刚体，地震加速度与边坡加速度一致。第二，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暂时小于1也不会导致边坡的整体失稳，而只是导致边坡产生一定

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控制。拟静力法的另一个严重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）的破坏调查中观察到。尽管如此，由于拟静力法简单易行，对于在地震作用下不发生抗剪强度明显降低的土石坝仍然可用。所以，拟静力法一般与动力分析相结合，这样就可以得到理想结果。

1.2 滑块分析法

为改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。根据工程具体情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[4]。

采用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始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对比，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行一次积分求出速度曲线，进行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，则判断为不稳定，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,如输入地震动的随机性,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,因此出现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2000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: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