边坡地震稳定性分析的荷载增强分析方法

岩土边坡地震稳定性分析是岩土工程和地震工程研究的重要课题之一,本文明确区别了两种不同意义的边坡地震稳定性概念:一是按一定的抗震设防地震作用考虑,边坡现状强度与边坡强度退化到发生地震破坏时的临界强度相比较而言的储备强度稳定性;二是对于一定的边坡强度状态,使边坡发生动力破坏的地震作用与设防地震作用相比较而言的地震动力超载稳定性。考虑边坡强度退化的边坡稳定性概念已经得到普遍采用,分析方法较为熟知;而按动力超载考虑的边坡地震稳定性概念以往几乎没有提及,边坡稳定性判别标准和分析方法尚有待探讨。本文主要针对第二种边坡地震稳定性地震动力超载稳定性的衡量标准和分析方法进行了研究,提出了边坡地震动力超载稳定性评判的临界地震峰值加速度准则,并提出了边坡地震动力超载稳定性分析的荷载增强法:针对边坡的现状强度状态,由小到大逐渐增加地震作用的强度,搜索导致边坡失稳的临界地震峰值加速度,最后根据边坡临界地震峰值加速度与边坡所在区域的设防地震峰值加速度比较情况确定边坡的地震稳定性。论文采用荷载增强法对中国陕西宝鸡蟠龙塬黄土边坡地震动力超载稳定性进行了分析。结果表明,针对宝鸡地区未来50a超越概率为10%的地震动作用,该边坡具有较高的地震动力超载稳定性。     

地震条件下不同类型边坡的稳定性研究

用sarma法计算了不同坡高、不同坡角、不同岩体和结构面力学参数的边坡在不同水平地震加速度系数下对应的安全系数,建立了一套能方便快捷地查询边坡安全系数的系统,为各种类型边坡的稳定性评价提供了依据。此外,还分析了坡高、坡角、地震加速度系数、岩体和结构面力学参数对地震边坡安全系数的影响。通过对比查询系统得到的安全系数与其他已有的地震边坡稳定性评价方法得到的安全系数的差异,得出用这种新安全系数查询方法得到的安全系数与其他安全系数计算方法得出的安全系数相差不大。通过将这种新的地震边坡稳定性评价方法应用到几个实际边坡中,所得到的评价结果与滑坡的实际发生情况一致。     

水平向与竖向地震动的时间遇合模式对边坡动力安全系数的影响

通过沿滑面的应力积分法和动力时程分析法,研究了水平向、竖向地震动单独作用对边坡动安全系数的影响,发现竖向地震动与水平向地震动一样也对边坡抗震稳定性有显著的影响。在此基础之上,重点探讨了实际地震的双向地震动同时作用时,其时间遇合模式对动力安全系数的影响,结果表明,常用的加速度峰值遇合模式和随机遇合模式都不能充分体现出竖向地震动与水平向地震动的叠加效应,进而造成对安全系数的高估;文中提出的最大地震作用效应遇合模式才是最危险的遇合模式,其所得稳定性安全系数时程的极值更小。在考虑多向地震的边坡抗震分析中,由于多维地震动的强烈随机性,应考虑出现这种最大地震作用效应遇合的可能性,以得到工程设计中偏于安全的动力稳定性安全系数值。     

考虑地震动地形效应的边坡破坏概率——以金沙江下游新市镇附近边坡为例

边坡在地震作用下的破坏概率是地震边坡危险性评价的参数之一。在区域范围内计算地震边坡破坏概率一般采用实际地震滑坡和Newmark永久位移拟合得到的破坏概率公式进行计算。计算中所需的地震动峰值加速度数值大小受不规则地形的影响较大。为了较准确计算出区域地震边坡的破坏概率,本文利用公式分别计算了地震动峰值加速度地形效应系数和地震边坡滑坡概率,实现了地震动峰值加速度及滑坡概率的连续分布。在计算地表30 m平均剪切波速时,利用回归分析方法得出了Vs30与地形梯度G的连续性关系。这些方法充分考虑了地形在地震动峰值加速度中所起的作用,能够实现地震边坡破坏概率计算结果的连续性,如实反映了地震边坡破坏概率的实际状况,为更准确评价地震边坡滑坡危险性提供了新的思路。     

地震作用前后极限平衡法和强度折减法的边坡稳定分析对比

分别运用极限平衡法和ANSYS强度折减法对国内某边坡地震作用前后稳定性进行了分析,考虑地震作用时采用了拟静力法施加水平和垂直两个方向的地震力.根据地震作用前后两种方法得到的边坡稳定系数、滑动面、滑动体的对比分析发现,两种方法得出的安全系数、滑动面相差不大,说明了强度折减法运用到边坡稳定分析中是合理的.强度折减法得出安全系数均比极限平衡法略大,这是由于强度折减法考虑了土体的应力-应变关系,使得计算结果更符合实际.通过地震作用前后边坡的水平位移图的对比,总结了一些规律,为地震区边坡的锚固提出相应的建议.     

水平地震力作用下顺倾结构面对岩质边坡破坏影响分析

基于断裂理论和波动理论对水平地震力作用下对岩质边坡顺倾结构面的破坏建立了数学模型,在不考虑结构面填充物的影响下分析了结构面的长度、埋深及倾角在水平地震动力作用下对边坡破坏的影响。分析结果表明,当结构面埋深与长度h/L相差不大时,对于一定的水平地震加速度a,结构面埋深和长度越大,边坡在地震作用下越容易破坏;当结构面埋深和长度一定时,边坡破坏随着水平地震加速度的增大而增强。另外,结构面的倾角在增大过程中,岩体所受的拉应力逐渐增大,剪应力则表现为先增大,后减小。这是由于当结构面的埋深与长度一定时,随着倾角的增大,地震作用下边坡是从剪切破坏逐渐向拉张破坏过渡。该模型对地震作用时边坡稳定性分析具有一定的参考意义。     

汶川地震中唐家山滑坡稳定性研究

根据唐家山边坡滑坡前的基本地形地貌,建立相关模型,采用Mohr-Coulomb准则,利用折减强度法计算其安全系数,并分析在地震波作用下唐家山滑坡的稳定性状况。安全系数计算结果显示,边坡模型在自然状态(即只有重力作用)下的安全系数为1.46,表明边坡在自然状态下是相对稳定的。选取汶川地震最初30秒幅值较大的地震波,对边坡采用自由场边界条件进行分析计算,结果表明边坡在地震作用下将在坡面产生贯通的塑性区,这一塑性区与真实的滑坡坡体一致,由于地震加速度的作用边坡将产生较大的位移和速度,这些大的位移和速度在边坡滑坡后将产生巨大的能量,造成灾难和损失。     

汶川地震区东河口滑坡破坏机制FLAC模拟分析

以汶川地震触发的东河口滑坡为典型案例,根据野外调查结果建立震前地质模型,将实测的汶川地震波作为动力输入,采用FLAC有限差分法对该滑坡分别进行了静力稳定性分析及动力稳定性分析。计算结果表明:竖向峰值加速度导致了边坡的稳定性系数大幅降低,对边坡的破坏起着不可忽视的作用;另外,竖向峰值加速度引起了边坡后缘大面积的拉张破坏,这正是汶川地震引起西南山区产生大量崩滑甚至岩土体"抛掷"现象的一个重要因素。     

水力和超载条件下锚固岩石边坡动态稳定性拟静力分析

基于极限平衡理论,综合考虑水力条件、坡顶超载、地震荷载效应和锚固效应对岩石边坡进行了全面的稳定性分析。计算给出了多影响因素条件下岩石边坡稳定性安全系数的表达式,并重点分析了几种相关参数组合对岩石边坡稳定性的影响。分析表明,坡顶张拉裂缝积水、地下水渗流作用、滑面出流缝被堵塞、地震影响效应不利于岩石边坡抗滑稳定性,而锚索锚固效应则对提高边坡抗滑稳定性有积极作用;坡顶张拉裂缝积水、滑面出流缝被堵塞、水平向地震影响效应都不利于岩石边坡抗倾覆稳定性,但锚索锚固效应、坡顶超载、与竖直方向地震效应则对提高边坡抗倾覆稳定性有益。最后针对工程实际,提出了相应的工程建议。     

斜坡抗震稳定性分析中拟静力法的应用研究

对各行业规范中拟静力法的计算规定进行了比较,讨论了竖向地震力对稳定系数的影响、地震加速度高度增大系数、地震作用效应折减系数等问题。研究表明,竖向地震力的破坏作用在拟静力法计算结果中无法体现,在极震山区从事斜坡抗震稳定性分析时,宜同时使用动力学分析法进行综合分析评价;采取适当提高斜坡稳定安全系数的办法考虑地震加速度沿高度的放大效应,提高幅度以0.02～0.05为宜;地震作用折减系数0.25的取值是合适可信的,在地震高设防烈度地区(α_h≥0.2g)采用DZ/T 0219-2006规范进行滑坡稳定性分析值得商榷。     

地震工况下兰州南绕城高速公路路堑高边坡格构支护效果评价

以兰州南绕城高速公路已加固典型路堑高边坡为研究对象,利用AutoCAD及ANSYS软件建立所选典型边坡的三维数值模型,在此基础上运用有限差分软件FLAC3D对其在地震工况下的稳定性进行科学评价,目的是为黄土类高边坡工程防护及安全设计提供参考。得出的结论为：当水平向地震加速度为0.1g和0.2g时边坡处于稳定状态,水平向地震加速度为0.3g时边坡处于基本稳定状态,水平向地震加速度为0.4g时边坡处于不稳定状态。研究表明,格构锚杆支护承受了大量拉张应力及剪应变增量等,效果显著,对边坡稳定性发挥了重要作用。因该公路建设区抗震设防烈度为8度,地震加速度设计为0.2g,所以地震工况下的所选格构支护边坡处于稳定（稳定系数为1.15）状态,能够满足规范要求。     

考虑场地效应的高陡岩质斜坡地震失稳机制

以金沙江乌东德水电站右岸的鸡冠山梁子高陡斜坡为典型实例,在斜坡表层地震动监测基础上,通过在斜坡弹性模型底部分别输入水平、竖向Ricker子波,发现：斜坡顶部低模量岩体材料在水平Rick子波激励下,易产生放大效应;而当输入竖向Rick子波时,易在模型表层地形凸起部位产生共振放大,其顶面表层卓越频率也与现场实测值基本一致。其次,对比分析了在分别输入汶川八角什邡加速度记录、典型鲁甸地震加速度记录时的斜坡弹塑性模型的稳定性和动力响应特征,发现：（1）斜坡在静力条件下可能存在3种不同位置潜在滑面,但输入两种地震波后,变形破坏区仅发生在顶部滑面位置;（2）输入汶川地震波时,斜坡顶部滑面剪应变增量明显大于输入鲁甸地震波时对应值,且前者的滑面出现明显整体拉破坏区,滑面上部水平、竖向残余变形也不收敛,处于震后斜坡失稳状态。后者滑面底部无明显的拉破坏区,滑面上部残余变形收敛,处于震后斜坡稳定状态;（3）斜坡水平、竖向加速度都在斜坡顶部低模量材料表层出现明显的放大现象,场地效应明显。此外,表层加速度普遍大于斜坡内部相应值,尤其是地形凸起位置。输入汶川地震波时斜坡顶部水平向加速度放大系数大于鲁甸地震波相应值,但竖向加速度放大系数两者基本一致。     

顺层岩质边坡地震动力响应研究

地震作用下边坡的动力响应研究是边坡动力稳定分析的基础,利用FLAC3D有限差分软件建立一个顺层岩质边坡动力数值模拟模型,对其在竖向和水平向地震耦合作用下的动力响应全过程进行研究。研究表明,地震竖向和水平向耦合作用模拟比简单的模拟水平向振动更加接近实际情况,对岩土体的破坏更大;顺层岩质边坡在耦合地震作用下存在垂直放大和临空面放大作用;坡面水平向和竖向加速度均随高程增加呈增大趋势,在结构面处增大特别明显;竖向地震波产生的水平与竖向拉裂是触发斜坡体产生初期崩滑破坏的主控因素;边坡动力响应特征值的放大效应表明,其放大系数值从大到小依次是：竖向加速度＞水平加速度＞竖向速度＞水平速度;耦合地震波作用下,随着av /aH的增大,坡面监测各点横向位移基本呈增大趋势,说明竖向地震作用起了重要的破坏作用。     

Does vertical seismic force play an important role for the failure mechanism of rock avalanches? A case study of rock avalanches triggered by the Wenchuan earthquake of May 12, 2008, Sichuan,China

The Wenchuan earthquake triggered 15,000 rock avalanches, rockfalls and debris flows, causing a large number of causalities and widespread damage. Similar to many rock avalanches, field investigations showed that tensile failure often occurred at the back edge. Some soil and rock masses were moved so violently that material became airborne. The investigation indicates that this phenomenon was due to the effect of a large vertical seismic motion that occurred in the meizoseismal area during the earthquake. This paper analyses the effect of vertical earthquake force on the failure mechanism of a large rock avalanche using the Donghekou rock avalanche as an example. This deadly avalanche, which killed 780 people, initiated at an altitude of 1,300 m and had a total run-out distance of 2,400 m. The slide mass is mainly composed of Sinian limestone and dolomite limestone, together with Cambrian slate and phyllite. Static and dynamic stability analysis on the Donghekou rock avalanche has been performed using FLAC finite difference method software, under the actual seismic wave conditions as recorded on May 12, 2008. The results show that the combined horizontal and vertical peak acceleration caused a higher reduction in slope stability factor than horizontal peak acceleration alone. In addition, a larger area of tensile failure at the back edge of the avalanche was generated when horizontal and vertical peak acceleration were combined than when only horizontal acceleration was considered. The force of the large vertical component of acceleration was the main reason rock and soil masses became airborne during the earthquake.     

地震效应和坡顶超载对均质土坡稳定性影响的拟静力分析

基于强度折减技术和极限分析上限定理,假定机动容许的速度场破坏面,考虑坡顶超载、水平和竖向地震效应影响推导了边坡稳定性安全系数的计算表达式。采用序列二次规划迭代方法（和内点迭代方法）对边坡安全系数目标函数进行能量耗散最小化意义上的优化计算,与多个算例的对比验证了其方法和程序计算的正确性;对影响土质边坡动态稳定性的一些因素进行了参数分析,分析表明：随着边坡倾角?、坡顶超载q、水平和竖向地震效应影响系数的增大,边坡稳定性安全系数显著下降;随着坡顶超载q、水平地震效应影响系数kh的增大、竖向地震效应影响系数kv的减小,边坡的潜在滑动面越来越深,潜在破坏范围越来越大。竖向地震效应对边坡稳定性也有一定影响,强震条件下的设计计算必须考虑竖向地震效应的影响。     

纵波作用下边坡动力响应规律研究

地震工程的观点认为水平地震力是引起岩土体破坏的决定性因素,竖向地震力的影响则微不足道。鉴于汶川地震中表现出竖向地震力对边坡和建筑造成极大破坏,本文利用FLAC软件对不同坡高、坡角的边坡在不同周期、振幅的纵波作用下边坡动力响应规律做了数值模拟研究。结果表明:坡高较低时,振动加速度在1/2坡高以下范围内随高程逐渐增大, 1/2坡高以上则保持不变,当坡高增大时,振动加速度变化出现律动性,坡顶附近较其他部位存在明显的放大; 坡角的增大会造成振动加速度放大幅度的增大; 振动加速度随动力振幅的增大而增大,并呈明显的线性关系; 振动加速度随地震波周期的增大逐渐减小。     

A simplified approach for studying the influence of vertical accelerations on seismic response of slopes

ABSTRACT

A simplified approach is presented for estimating permanent displacements in slopes as a result of both vertical and horizontal seismic accelerations. A study of 52 earthquake records showed that the time difference between maximum horizontal and vertical accelerations varied between 0 and 10.3 s. The approach is illustrated for an earth dam embankment by analysing the effects of five of the above earthquake records. The approach combines a pseudo-static slope stability analysis for estimation of the critical (or yield) horizontal-vertical acceleration combinations, and a Newmark type displacement analysis. Guidelines are presented for conservative choice of soil strength parameters of saturated clays for use in the stability analysis. While permanent displacements of up to 40 cm were predicted without considering the vertical acceleration component, no additional displacement above 3.5 cm resulted when this component was included. The predicted additional displacement was consistently less than 10%, and in 50% of the analyses, vertical acceleration led to smaller predicted displacements. The simple approach may be applied in analysis for any slope using real earthquake records. Using existing, empirical expressions for permanent displacement, based only on horizontal accelerations, the effect of the vertical accelerations may be conservatively estimated by increasing the displacement by 10%.     

基于卸荷岩体力学的大岗山坝肩边坡水平位移发育的多因素影响分析

在现阶段工程运用中,卸荷岩体力学理论中还需完善和扩充的几个方面为①锚索施加前后卸荷效应对边坡水平位移的影响;②超前开挖锚固滞后的方案会对具体工程岩体水平位移产生的影响;③关键工程结构面连通率对卸荷岩体位移的影响;④地震作用下卸荷岩体的水平位移响应;⑤地震作用下不同连通率对水平向位移的影响。针对此,以大岗山坝肩边坡为对象展开研究。分析指出岩体开挖卸荷后回弹变形和压缩变形都会大于未考虑岩质劣化时的计算变形。同时指出,卸荷条件下两种施工方案对坡面的水平向位移造成的影响较小,为超挖多级而锚固措施相对滞后的现场施工过程的可行性提供依据。统计出各剖面在不同高程水平位移随地震加速度发展特征,建议水平位移随地震加速度呈非线性变化区域为防震抗震重点加固区域。研究发现,连通率的增大会导致卸荷裂隙XL9-15,XL316-1的塑性区发育明显增大,而裂隙范围内塑性区的加剧不会明显地反映在坡面关键点的变化上,开挖工况可能造成表观位移较小的突发性崩塌。     

隧道仰坡地震动力响应特性振动台模型试验研究

为研究地震作用下山岭隧道仰坡的动力响应特性及仰坡坡体和衬砌结构的相互作用,设计并完成了隧道洞口段大型振动台模型试验。试验结果表明,地震作用下仰坡的加速度反应存在显著的非线性放大效应和趋表效应;当输入地震波幅值超过0.6g时,土体的非线性反应明显增强,加速度放大系数显著降低,表现出放大效应饱和的特性,且沿坡体竖直向上,加速度分布逐渐表现出平均化的趋势;隧道洞口段仰坡水平向动力反应受隧道结构存在的影响较小,可简化为自然边坡进行分析;仰坡的动力失稳是影响衬砌结构安全性的重要因素,当输入地震波幅值较小时,竖直向地震作用下衬砌主要受力部位受力要大于水平向地震作用,当幅值较大时,水平向地震动对衬砌结构的影响则明显大于竖向地震动;均质仰坡的破坏部位主要位于仰坡坡肩至坡面上部,破坏过程表现为地震力诱发-坡肩土体拉裂张开-坡肩土体倾倒崩塌-崩塌的土体沿坡面滑落碰撞-形成碎屑流堆积于坡脚。模型试验的结果能为山岭隧道洞口段的理论分析、计算和设计提供指导和依据。