强震下边坡震害危险性分析课件.ppt

1、2022-8-12强震下边坡震害危险性强震下边坡震害危险性分析分析山河易色！山河易色！老县城老县城 新县城新县城 家园尽毁！家园尽毁！满目疮痍！满目疮痍！王家岩滑坡王家岩滑坡新北川中学滑坡新北川中学滑坡老县城老县城 新县城新县城906906人死亡！人死亡！新北川中学岩崩新北川中学岩崩16001600人死亡！人死亡！老县城老县城 摧毁道路摧毁道路阻碍救援阻碍救援大型滑坡堵江大型滑坡堵江还形成了还形成了3434个具一定规模个具一定规模的堰塞湖！的堰塞湖！安县茶坪大滑坡安县茶坪大滑坡山体震裂结山体震裂结构崩溃岩体构崩溃岩体崩塌，无明显崩塌，无明显滑动面。滑动面。绵远河绵远河山体顶劈破坏山体顶劈破坏山

2、体剥皮山体剥皮山体剥皮山体剥皮山体结构震松山体结构震松山体崩塌山体崩塌护坡锚侧脱皮护坡锚侧脱皮512512地震诱发滑坡与崩塌灾难一览表地震诱发滑坡与崩塌灾难一览表(死亡死亡3030人人)1000600几乎相当于过去10年全国因地质灾害而死亡的人数的总和！强震下边坡稳定性影响因素强震下边坡稳定性影响因素 内因：边坡的岩性组合、岩体结构、地形特内因：边坡的岩性组合、岩体结构、地形特征、地貌类型。征、地貌类型。外因：构造背景、地震烈度、新老滑坡、植外因：构造背景、地震烈度、新老滑坡、植被、地表水、地下水、人为因素。被、地表水、地下水、人为因素。边坡地震反应分析方法边坡地震反应分析方法如何考虑地震动作

3、用。如何考虑地震动作用。边坡岩土动力性能、强度准则、参数测试。边坡岩土动力性能、强度准则、参数测试。边坡地震失稳机理与破坏位置边坡地震失稳机理与破坏位置边坡地震稳定性边坡地震稳定性分析之关键。分析之关键。边坡地震稳定性评价方法边坡地震稳定性评价方法边坡地震稳定性分析边坡地震稳定性分析之核心。之核心。边坡地震稳定性评价指标与动力安全标准。边坡地震稳定性评价指标与动力安全标准。边坡地震反应分析输入地震动模式与输入方法。边坡地震反应分析输入地震动模式与输入方法。边坡地震稳定性评价指标计算精度边坡地震稳定性评价指标计算精度边坡地震稳边坡地震稳定性评价指标之可靠性。定性评价指标之可靠性。强震下边坡稳定性

4、分析主要研究内容强震下边坡稳定性分析主要研究内容基于强震下边坡地震反应的物理现象，以体现强震下基于强震下边坡地震反应的物理现象，以体现强震下边坡岩土体动力行为的物理本质为目标，以数学力学边坡岩土体动力行为的物理本质为目标，以数学力学手段与计算机技术的发展为前提，国内外逐步发展了手段与计算机技术的发展为前提，国内外逐步发展了多种边坡地震反应分析方法。多种边坡地震反应分析方法。强震下边坡稳定性分析方法与应用条件强震下边坡稳定性分析方法与应用条件拟静力分析法拟静力分析法滑块分析法滑块分析法数值分析法数值分析法物理模型试验法物理模型试验法动力分析法动力分析法有限元法有限元法离散元法离散元法快速拉格朗日

5、法快速拉格朗日法拟静力分析法拟静力分析法l 假定边坡为绝对刚体，不考虑强震下内部动力变形。假定边坡为绝对刚体，不考虑强震下内部动力变形。l 认为输入地震加速度与边坡地震反应加速度一致。认为输入地震加速度与边坡地震反应加速度一致。l 将大小与方向均为时间函数的地震惯性力视为一种静将大小与方向均为时间函数的地震惯性力视为一种静力荷载施加于边坡上，采用各种稳定性计算方法计算力荷载施加于边坡上，采用各种稳定性计算方法计算边坡在强震作用下的安全系数。边坡在强震作用下的安全系数。l 安全系数的大小与边坡的材料性质（安全系数的大小与边坡的材料性质（c c，）、破坏）、破坏面的形状与位置、地震惯性力面的形状与

6、位置、地震惯性力(k(kh h，k kv v)的大小直接相的大小直接相关。关。l 认为边坡地震失稳为唯一的破坏方式，并且只有安全认为边坡地震失稳为唯一的破坏方式，并且只有安全系数小于系数小于1 1才能发生破坏。才能发生破坏。l 这种方法的关键在于设计地震加速度的确定问题。这种方法的关键在于设计地震加速度的确定问题。l 这种方法简单易行，适用于强震下不发生抗剪强度明这种方法简单易行，适用于强震下不发生抗剪强度明显降低的土石坝。显降低的土石坝。滑块分析法滑块分析法 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

7、全的 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 地震变形直接相关的是应力时程的变化，而非应力的最大值滑块分析法滑块分析法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)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

8、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。不能很好地模拟岩土体中多个间断面上可能出现的错位、滑移和脱开 存在应力精度低十位移精度及不能模拟大变形等缺陷 在进行非线性分析时，由于有限元位移元获得的应力精度比位移精度 低，可能导致应力判据的不准确以致引起非线性解的漂移等有限元从小变形角度上能够较好地考虑地震过程中复杂地形、岩土体的非线性、非均质性、弹塑性及岩土体的孔隙水压力等因素的影响，能够深入分析岩土体的自振特性及岩土体各部分的动力反应，并目已积累了丰富的应用经验。因此有限元法已成为岩土工程

9、动力分析中最重要的分析方法之一。有限单元法有限单元法动力有限元缺点：动力有限元缺点：动力有限元优点：动力有限元优点：离散元法离散元法离散元法是Cundall 首先把介质看作不连续块体，基于牛顿第二运动定律提出的。Cundall建立的离散元方法体系以时间步长为变量，对每一块体的运动方程进行显式积分求得系统的响应；通过引入阻尼防止非物理振荡，块体内部的弹塑性变形由块体内部的有限差分网格求出；通过动态的方法求得系统的准静态解。因此，离散元法也非常适合求解节理岩体的动力响应。Bardet、陶连金等先后将离散元求解岩体动力问题。缺点：缺点：离散元法虽然弥补了有限单元法的某些不足，能够模拟边坡随时间的准大

10、变形甚至完全破坏的过程，但由于它的基本假设是介质为不连续块体，因此，不能将其用于连续介质。尽管在工程分析中获得了一些应用，但其所需的参数法向及切向弹簧刚度的测定是非常困难的，因此所得的结果通常是定性的。快速拉格朗日法（快速拉格朗日法（FLACFLAC）采用差分技术引入时间因素实现了从连续介质小变形到大变形的分析模拟，同时又避免了有限元与离散元不能有机统一的矛后，采用了与有限元类似的基本假设（连续介质），计算岩土体的应力场和变形场，但又可以解决离散元才能计算的岩体沿某一软弱面滑动和随时间的延续变形逐渐增大的大变形问题，还可以模拟非线性材料的物理不稳定等，因此它同时具备了有限元和离散元两者的主要功

11、能。缺点：缺点：它和有限元同样具有不能模拟含多个不连续界面的岩土体问题。该方法在岩土力学中得到应用始十美国ITASCA咨询公司，他们目前已推出实用的商业化软件FLAC3D,该方法在岩土工程中的应用正在日益流行。数值分析方法进行动力分析时，必须把实际近于无限大的计算域用一个人为的边界截断，取一有限大小区域进行离散化。但是由于土的成层性、波在界面上的反向和透射以及动荷载类型等因素的影响，具体取多大范围比较合理以及在边界上如何给定边界条件，下面介绍现有几种边界处理方法：(1)(1)简单的截断边界简单的截断边界(2)(2)粘滞边界粘滞边界(静态边界静态边界)(3)(3)一致边界或者透射边界一致边界或者

12、透射边界对于土质较软的地基，反向波能在土中很快消散，因此可以采用同静力计算一样的方法，在离建筑物一定距离处（一般可以视情况选择5-10倍建筑物直径处）将土体截断，建立边界条件。此外，还可以采用在邻接边界的几个单元中人为增大阻尼系数的方法，也可以采用扩大计算域的方法。上面这种设置边界的方法，虽然有一定误差，但对于某些具体情况（如软弱土层）仍有一定的使用价值。简单的截断边界简单的截断边界粘滞边界粘滞边界(静态边界）静态边界）l 粘滞边界的设置方法是由Lysmer.J和Kahlemcyer.R.L.(1969)提出l 它是通过在边界的法向和切向上设置独立的粘壶来实现。法向粘滞力fn和剪切粘滞力ft的

13、计算公式为：式中，vn、vs分别为边界上的法向和切向速度分量，为密度，Cp、Cs分别为P波和S波的波速。l 当波动入射的角度小于60度时这种方法对于体波的吸收是有效的l 对于大角度入射问题或者表面波而言，也有一定的能量吸收，但 是误差较大这种方法易于在时域进行操作。在有限元和有限差分中的有效性己经被证明。一致边界或者透射边界一致边界或者透射边界如果在动力波传播的无限区域中，切出一块有限大小的计算区域来，则在截面上应存在计算域和被切除部分的作用力。此解法的基本思想：把这一作用力计算出来加在计算域的边界上，从而使计算的结果与原来末切开的无限域解答一致。试验法在基本满足相似律的条件下，能够较真实直观

14、地反映岩土边坡的薄弱部位及渐进破坏机理和稳定性程度，便于直接判断边坡的地震稳定性，同时也是各种数值模拟结果检验的重要依据之一。试验法振动台的物理模拟试验离心机的物理模拟试验较常见较少见土的动本构模型大致可分为两类 依据弹性元件、粘性元件及塑性元件组合串联或并联而成的机械模型理论 基于各向异性运动硬化的塑性模型边坡岩土体的动力特性、强度准则及参数测试边坡岩土体的动力特性、强度准则及参数测试地震动作用下边坡岩土体的动力特性，主要是指岩土体的本构模型，即通常所说的岩土体的动态应力应变关系。u 摩 尔 库仑（Mohr-Coulomb)准则u 德 鲁 克普拉格(Drucker-Prager)准则u 辛克

15、维奇潘迪(Zienkiewicz-Pande)准则u 俞 茂 宏统一强度理论边坡岩土体的动力特性、强度准则及参数测试边坡岩土体的动力特性、强度准则及参数测试强度理论是判断岩土体在复杂应力状态下是否破坏的理论，包括屈服准则和破坏准则。本构模型及强度准则参数的确定合理与否对模拟与预测岩土体的稳定和变形是至关重要的。其参数的确定要依靠高精度的试验仪器和合理的试验方法。应用较多的试验仪器有动二轴和共振柱等，所采用的试验方法根据长期积累所得，有些已纳入到有关规范。累积效应主要表现为地震动作用引起边坡岩土体塑性破 坏和孔隙水压力累积上升 触发效应主要表现为地震动作用诱发边坡的软弱层触变 软化、砂层液化以及

16、处于临界状态的边坡瞬间 失稳岩土边坡地震失稳机理是指地震动作用下直接引起岩土边坡破坏的主要原因。失稳机理及失稳位置地震动对边坡稳定性的影响表现为受明显控制性结构面的边坡受明显控制性结构面的边坡通常是指存在软弱火层的岩体边坡，可以通过系统的工程地质勘察和监测来确定无明显结构面控制的边坡无明显结构面控制的边坡通常采用优化算法以每一计算时步的安全系数最小为目标搜索确定已有的计算结果初步表明，最危险滑动面的位置是比较固定地震动作用下边坡失稳的位置分为两类:失稳机理及失稳位置边坡地震稳定性评价指标与安全标准边坡地震稳定性评价指标与安全标准边坡地震稳定性评价指标是用于评价和表征岩土边坡地震稳定性的。目前所

17、采用的评价指标主要有 安全系数 永久位移国内应用较多国外应用较多边坡地震稳定性评价指标与安全标准边坡地震稳定性评价指标与安全标准（1）基于强度判据的安全系数（2）基于某一变形量的安全系数（3）基于能量观点的安全系数安全系数通常有三种判据：边坡的总应力状态简化为重力作用下 的静应力状态和动附加应力状态 的叠加,边坡危险滑面上的稳定性系数定义为滑面上的抗滑力与下滑力之比，此时,由于抗 滑力与下 滑力均为时间的函数,因此,稳定性系数也是 随时间变化的函数。我们用稳定性系数的最小值来评价土坡的动力稳定状态。稳定性系数用公式表示如下：式中 分别是滑移面上一点在 t 时刻的抗滑力和下滑力，为滑面微元面积，

18、为稳定系数。边坡地震稳定性评价指标与安全标准边坡地震稳定性评价指标与安全标准边坡地震动输入边坡地震动输入（1）采用基于规范反应谱的人工合成地震动（2）采用规则的简谐地震动（3）直接采用已有的强震记录或基于强震记录进行调 整的地震动（4）基于工程地震学原理所得的人工合成地震动岩土边坡的地震稳定性与边坡所遭受的地震动特性密切相关，而边坡所遭受的地震动与区域地震地质、地震活动背景等因素有密切关系（属于工程地震学研究领域）。现有的研究所采用的地震动输入有：（1）输入界面（2）地震动入射角度（3）地震动峰值、频谱和持时（4）基底地震动时空差异性，比如行波效应等（5）最不利地震动的选择边坡地震动输入边坡地

19、震动输入从工程地震学的角度来看，输入地震动的影响主要体现在：边坡地震稳定性评价指标的计算精度边坡地震稳定性评价指标的计算精度边坡地震稳定性评价指标计算过程中所涉及到的每个因素都会对计算结果的精度有影响，具体所涉及到的因素主要包括:u 数值方法引入的误差，具体有单元类型及位移模式、网格划分、边界范围及不同的边界条件、方程的解法等；u 岩土体材料，比如屈服准则和流动准则等。强震下边坡稳定性分析的技术思路强震下边坡稳定性分析的技术思路动力分析过程一般分为以下两个步骤：一定地质条件下的静力平衡计算：确定模型范围、初始条件、材料类型、本构模型以及模型的填筑、开挖、衬砌等,也就是静力作用下的平衡计算 施加

20、动力荷载后的动力反应分析：是在第一步计算的基础上,施加动荷载,应考虑以下几个方面的内容：动力加载和动力边界 力学阻尼 地震波在介质中的传播岩质的碎裂程度及结构面的倾向地震波的类型分析途径的确定原则与优选方案FLAC3D对强震下边坡震害危险性分析的范例某边坡为云南昆明某建筑土质边坡。该边坡走向大致为WE向，坡面倾向南，呈单面边坡，边坡高度为10m，坡角为50度。边坡场地大部分为第四系土质边坡，经室内土工试验测定，各层土的物理力学性质如表。因该边坡大区域位于印度板块与欧亚板块碰撞带东侧，新构造与近代构造运动强烈，活动断裂发育，地震灾害频繁，边坡近区域地处黑龙潭-官渡断裂带之东侧，区内构造受区域主干

21、构造控制，但构造相对比较简单，边坡场地类别为II类建筑用地，抗震设计根据本地区地震动峰值减速度：与抗震设防烈度为8度进行抗震设防。工程地质概况工程地质概况土是一种极为复杂的复合体,具有很复杂的力学行为 在外力的作用下,土体不仅产生弹性变形,还会产生不可恢复的塑性变形 边坡本构关系应用弹塑性模型,即莫尔 一库仑屈服准则 边坡静力条件下采用四周边界采用水平滚轴约束,底部全固定约束 地震动力条件下,边坡采用动力边界条件 边坡网格划分如图。数值计算模型数值计算模型动力边界条件设置动力边界条件设置FLAC3D中求解动力问题的边界条件设置有远置人工边界（截断边界）、粘滞边界。在FLAC3D中，可以通过适用

22、Apply ff（free-field）在模型四周施加自由场地边界，见图。它的原理是采用粘滞阻尼器与自由场耦合来模拟静止边界，也就是粘性边界。阻尼设定阻尼设定FLAC3D动力计算中，可采用两种阻尼形式：瑞利阻尼瑞利阻尼、局部阻尼局部阻尼。瑞利阻尼最初用于动力作用下的结构物和弹性介质的分析，因此其形式为矩阵张量，由质量阻尼和刚度阻尼两部分组成：式中、分别为与质量相关的阻尼系数和与刚度相关的阻尼系数，M、K分别为质量阻尼和刚度阻尼。在FLAC3D中，适用瑞利阻尼时，一般设置两个参数，即临界最小阻尼和中心频率。对于一个多自由度系统，任意频率下临街阻尼比，可用以下公式确定：临界阻尼比i也称为频率i下的

23、系统阻尼的百分比。局部阻尼采用静力条件下阻尼设置原理，局部阻尼 ，D为临界阻尼比。局部阻尼只对加速运动起阻尼作用，对匀速运动无影响，其值与动力输入波的频率无关。本文采用的瑞利阻尼，临界最小阻尼和中心频率分别为本文采用的瑞利阻尼，临界最小阻尼和中心频率分别为 5%和和10Hz。地震波的输入地震波的输入FLAC3D中地震动荷载的输入是采用加速度时程、速度时程、应力时程和力时程。对于动荷载输入边界是粘滞条件时，边界地震波输入必须采用应力时程或力时程。以下公式讲速度时程转化为应力时程：通常情况下，获得的地震波记录为加速度时程形式，可以首先通过积分转化成速度时程，利用上式转化成相应的应力输入。为法向应力

24、，为剪切应力，为介质密度，Cp 为介质的 p 波速度，Cs 为介质的S波速度，vn 为铅直方向的质点速度，vs 为水平方向的质点速度。EI-Centro 地震波竖向加速度时程EI-Centro 地震波水平向加速度时程根据边坡的场地条件，选用埃尔森特罗（EI Centro）地震记录，采用水平方向和垂直方向地震波共同作用于边坡基地地步，为减小数值模拟的计算时间，只去用幅值较大的前30s波段作为输入波，如下图。地震波的输入地震波的输入模拟结果分析模拟结果分析边坡坡面顶部加速度时程曲线图为边坡坡面顶部点监测图为边坡坡面顶部点监测点的动力反应的加速度时点的动力反应的加速度时程记录曲线。程记录曲线。土层坡

25、面顶土层坡面顶点的质点在输人地震波最点的质点在输人地震波最大值时加速度获得最大值。大值时加速度获得最大值。加速度曲线随时步呈节律加速度曲线随时步呈节律性得变化。性得变化。加速度最大值加速度最大值为为2.2m/s2，与场地输人地，与场地输人地震波加速度相比，系数放震波加速度相比，系数放大大 1.05倍。倍。模拟结果分析模拟结果分析边坡坡面顶部位移时程曲线最大位移值可以判断边最大位移值可以判断边坡稳定性破坏。坡稳定性破坏。边坡在地震中的最大位边坡在地震中的最大位移表现为地震最大加速移表现为地震最大加速度对边坡地质体破坏造度对边坡地质体破坏造成的结果效应。成的结果效应。模拟结果分析模拟结果分析边坡塑性区域图图中土体地震后,边坡的塑性区域主要集中在边坡坡面,在边坡的软弱土层中产生了较大的塑性变形,且有部分土体还处于塑性流动状态剪切塑性区在软弱土层处到坡顶形成连贯面,这进一步地表明边坡在地震作用下软弱土层发生滑动破坏。