边坡地震稳定性的数值模拟研究

摘要

大量的震害显示，地震中死亡的人没有一个是“振”死的。地震造成人员伤亡的根本原因是地震动对工程结构的破坏以及引发的次生灾害，边坡失稳就是其中最为常见的地震次生灾害之一，在山区或丘陵地区，其危害程度有时甚至超越了地震动引起的结构破坏。因此，针对边坡地震稳定性的研究工作历来是岩土工程与工程地震领域重点课题之一。
　　特殊的地理环境，活跃的地质构造以及飞速发展的城市化建设又使得边坡地震稳定性问题在中国尤为突出。因此，开展边坡地震稳定性研究，对于中国边坡灾害的风险评估、抗震加固设计以及减轻滑坡灾害造成的损失具有十分重要的理论意义和工程应用价值。
　　本文在野外调查的基础上，主要采用数值模拟手段，对边坡在地震荷载作用下的动力响应特征以及稳定性评价开展了较为深入的研究。主要成果如下。
　　1.利用GeoStudio数值模拟软件对边坡地震稳定性进行评价。
　　简述了安全系数以及永久位移这两种边坡动力稳定性评价指标的基本原理及其各自的较为常用的计算方法。在此基础上，结合具体算例，介绍了基于GeoStuido软件开展边坡地震稳定性评价的详细流程，并对不同边坡动力稳定性评价指标的计算结果进行了讨论与分析。
　　2.研究了坡面形状对边坡地震稳定性的影响。
　　根据野外调查结果，将土质边坡坡面形状进行归类，并通过建立相应的数值计算模型，探讨坡面形状对边坡动力响应特征及稳定性评价的影响。研究结果表明，就动力响应情况而言，不同坡面形状的动力响应分布规律虽有差别，但总体上对输入的地震动都存在着顶部的放大效应与临空面的放大效应;就边坡稳定性评价而言，不同坡面形状的边坡在相同强度地震动作用下的稳定性基本遵循着内折形大于凹形;凹形大于直线形;直线形大于外折形;外折形大于凸形的规律。
　　3.研究了输入地震动对边坡稳定性的影响。
　　研究了输入地震动幅值、频谱以及不同竖向地震动输入方式对边坡最危险滑动面位置、动力稳定性参数以及动力响应规律的影响。研究结果表明，边坡最危险滑动面的位置主要受输入地震动频谱的影响，幅值与竖向地震动输入方式对其影响较小;边坡的动力稳定性随输入地震动幅值的增大而降低，随输入地震动卓越频率的增大而提高;不同的竖向地震动输入方式，对边坡动力稳定性的影响也有显著区别。
　　4.模拟了滑坡在地震作用下滑动面的渐近形成过程。
　　针对滑坡在地震作用下滑动面的形成在时间上具有渐进性的特点，本文采用FLAC数值模拟软件，通过土质边坡地震作用过程中塑性区与等效剪应变增量的变化情况，对滑动面的渐进形成过程进行数值模拟，同时，根据计算结果，分析比较了荷载类型，阻尼形式以及边界范围对滑动面位置的影响。
　　5.研究了滑动面的确定方法对边坡稳定性评价的影响。
　　研究不同滑动面确定方法对边坡动力稳定性的影响。通过野外调查获得了1920年海原8.5级特大地震在宁夏西吉县沈家嘴形成的黄土滑坡的基本资料，并以这一地震滑坡为例，探讨基于渐进形成的拉—剪滑动面和基于优化算法得到的剪切滑动面对边坡动力稳定性评价的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景与研究意义

1．2 研究进展

1．2．1 失稳机理

1．2．2 失稳判据

1．2．3 滑动面确定方法

1．2．4 稳定性评价方法

1．2．5 影响因素分析

1．3 未来发展方向

1．4 本文研究内容及章节安排

第二章 基于GeoStudio软件的边坡动力稳定性评价

2．1 引言

2．2 安全系数

2．2．1 定义

2．2．2 时程分析法

2．2．3 评价标准

2．3 永久位移

2．3．1 滑动面

2．3．2 屈服加速度

2．3．3 永久位移

2．4 基于GeoStudio软件的边坡动力稳定性评价

2．4．1 GeoStudio软件简介

2．4．2 算例

2．4．3 输入地震动

2．4．4 静力分析

2．4．5 拟静力法

2．4．6 时程分析法

2．4．7 安全系数对比

2．4．8 Newmark法

2．5 本章小结

第三章 坡面形状对边坡地震稳定性的影响

3．1 引言

3．2．1 计算模型

3．2．2 监测点布置

3．2．3 输入地震动

3．3 坡面形状对边坡动力响应的影响

3．3．1 加速度响应

3．3．2 加速度分布规律

3．4 坡形对边坡地震稳定性的影响

3．4．1 拟静力法计算结果

3．4．2 时程分析法计算结果

3．4．3 Newmark法计算结果

3．5 本章小结

第四章 地震动对边坡稳定性和动力响应的影响

4．1 引言

4．2 数值模型与计算工况

4．2．1 数值模型

4．2．2 输入地震动

4．3 计算工况

4．4 幅值的影响

4．5 频谱的影响

4．5．1 频谱对边坡稳定性的影响

4．5．2 频谱对边坡动力响应的影响

4．6 竖向地震动的影响

4．6．1 竖向地震动对边坡稳定性的影响

4．6．2 竖向地震动对边坡动力响应的影响

4．7 本章小结

第五章 滑动面渐进形成过程的数值模拟

5．1 引言

5．2 完全动力分析法

5．2．1 基本原理

5．2．2 失稳判据的确定

5．3 模型构建

5．3．1 模型尺寸与力学参数

5．3．2 本构模型与屈服准则

5．3．3 网格划分

5．3．4 边界条件与阻尼设定

5．4 数值模拟分析

5．4．1 静力计算

5．4．2 输入地震动

5．4．3 输入地震动的持时

5．4．4 折减计算

5．4．5 确定拉破坏区范围

5．4．6 模拟滑动面形成

5．5 滑动面位置对比

5．5．1 荷载形式

5．5．2 阻尼形式

5．5．3 边界范围

5．6 本章小结

第六章 滑动面确定方法对稳定性评价的影响

6．1 引言

6．2 计算模型与地震动

6．2．1 计算模型

6．2．2 输入地震动

6．3 滑动面位置

6．3．1 基于剪切破坏形成的滑动面

6．3．2 考虑拉伸破坏形成的滑动面

6．3．3 拟静力法结果对比

6．3．4 时程分析法结果对比

6．3．5 Newmark法结果对比

6．4 拉裂缝深度对边坡稳定性的影响

6．4．1 拉裂缝深度

6．4．2 拟静力法结果对比

6．4．3 时程分析法结果对比

6．4．4 Newmark法结果对比

6．5 边坡实例

6．5．1 边坡概况

6．5．2 斜坡原始地形复原

6．5．2 数值模型

6．5．3 输入地震动

6．5．4 结果对比

6．6 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士期间参与的科研项目

攻读博士期间发表的文章