地震边坡稳定分析方法综述

第20卷　第3期 重　庆　交　通　学　院　学　报2001年9月Vol.20　No.3 JOURNA L OF CH ONG QI NGJ I AOT ONG UNI VERSITY Sep.,2001

文章编号:10012716X(2001)0320083206

地震边坡稳定分析方法综述Ξ

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;Newmark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(Inertial instability)和衰减失稳(Weakening instability).

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)、New2 mark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(Deformation 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,T erzaghi(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、Φ)、破坏面形状和位置(l ab,β,W)和地震力大小(R h、k v)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、圆形或非圆形等;而对地震力大小的计算,即水平和垂直拟静力因子R h和k v的取值研究较多.

T erzaghi(1950)首次提出:对一般性地震(R ossi2F orel IX)R h=011;对破坏性地震(R ossi2F orel X)R h=012;对灾难性地震R h=015[2].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0110—0112[3].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

Ξ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R h=011(M=615)到R h=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]. Marcus on(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1/2～1/3[5].Hynes2G riffin&Franklin(1984)采用New2 mark滑块分析计算得出安全系数大于110的土坝采用R h=015a max/g不会产生危险变形[1].

目前并没有直接而快速的方法来选择设计拟静力因子,其取值均建立在不稳定体所受的实际加速度基础上(考虑地震动特性的影响),取考虑某个系数的实际加速度峰值.

因拟静力方法简单实用,在地震边坡分析中得到广泛应用.Ausilio E.(2000)将拟静力法应用于加固边坡的地震稳定分析中,利用极限理论并考虑不同的破坏模式,提出了加固力大小计算公式及与地震力相关的屈服强度的表达式[6].Ling H oe I (1997)将拟静力法用于沿节理面滑动的岩体地震稳定性分析中,进行了地震稳定分析和永久位移计算[7].Siyahi B G.(1998)在正常固结土边坡地震分析中采用了拟静力法,采用参数分析确定了不同剪切强度角的安全系数并考虑了剪切强度降低的影响[8].Bray Jonathan D.(1994)对具有软弱层(位于垃圾与下卧层间)的垃圾场采用波传播理论和拟静力法进行了分析,提出了拉圾场地震稳定性评价过程[9].Leshchinsky,Dov(1994)采用拟静力来评价简单边坡的稳定,用数值方法计算潜在滑动面上的正应力分布,用此正应力确定满足所有极限平衡方程的最小安全系数,且提出了简单边坡地震稳定评估的设计表,此表在非地震条件下与T aylor表相同[10].

拟静力法简化较多,过余粗略.Wu X Y (1991)对粘土边坡采用拟静力法和参数分析,发现该法的不足:在某些条件下,对给定圆心的圆形滑动面没有最小安全系数,最小安全系数随圆形滑动面半径增加而单调降低;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;得出的安全系数太低[11].传统拟静力法常只考虑水平地震动,Ling H oe 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　N e wm ark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,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FE M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;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a y/a max 之间关系,得到很多近似表达式.采用滑块分析方法分析真实地震动作用下边坡永久位移(如Sarma, 1975;Makdisi&Seed,1978;Ambraseys&Menu, 1988),发现当a y/a max大于015时永久位移与a y/ a max间曲线形状与正弦波和三角形波产生的相同[14][16][17].Makdisiseed(1978)利用Chopra (1966)方法得到的平均加速度和Newmark分析法计算了土坝和堤坝在地震作用下永久位移,再通过有限元分析结果的简化假定和此类结构的剪切梁分析,提出了一种简化预测永久变形的方法.通过几座实际和虚拟大坝在不同震级的实际地震动和人工地震动的作用分析,绘制了不同震级下永久位移(标准化位移u/(a max T0))与a y/a max关系[16].Am2 braseys&Menu(1988)发现当a y/a max值较低时,其曲线形状受是否考虑非边坡位移的影响[17].用峰值加速度来描述地震动有一定限制,一些学者还采用其它地震动参数来进行边坡位移预测.Cre2 spellani T.(1998)引入地震破坏趋势因子(PD)来考虑控制边坡稳定的主要影响因素,通过分析310条实际水平地震波分析提出了水平振动的New2 mark刚性滑块的位移与PD间关系的经验公式[18].

一些研究者对Newmark分析法进行了扩充.

G iovanni Biondi(2000)在饱和无凝聚力土边坡中采用Newmark分析法并考虑了地震引起的孔水压和剪力强度降低对位移的影响,应用此模型利用谐波和实际地震波进行参数分析,得出各参数影响.位移反应显示饱和无凝聚力土边坡地震稳定分析若忽略孔水压会低估其反应[19].

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