边坡强震稳定性分析与临界滑动面确定方法

摘要

中国是一个地震多发的国家，地震灾害居世界之首。汶川地震表明，强震下边坡失稳破坏是最重要的震害形式之一。国内外学者在边坡地震稳定性分析方面做了大量研究。目前，边坡强震稳定性分析方法主要有拟静力法、Newmark滑块分析法、数值分析法、试验法和概率分析法等。拟静力法因具有概念简单、工程应用方便等优势，在实际工程中得到广泛应用。但是，传统的拟静力法通常预先假定边坡滑动面的形状，并引入不同的假定条件减少边坡稳定性分析中求解未知量的个数，借助力和力矩平衡方程，计算出地震下边坡安全系数。但是，这类方法并不能真实的确定出地震下边坡滑动面的真实形状。显然，这类方法具有较明显的误差。此外，通常假定主要是水平地震惯性力控制着边坡地震失稳破坏，竖向地震动的影响可以忽略。但是，边坡震害实例还显示，竖向地震动对边坡动力稳定性影响显著。鉴于此，本文根据土的极限平衡理论，通过理论分析、数学解析方法和数值模拟相结合的手段，发展一种能够准确地确定边坡滑动面的真实几何形状和位置，以及考虑土体非均质性、孔压效应和竖向地震动作用的边坡地震稳定性分析与滑动面确定方法。本文主要研究工作与取得的若干认识如下：
　　（1）考虑竖向地震效应的边坡临界滑动面简化方法：依据极限平衡理论，借助数学解析手段，保证地震中边坡满足土体应力和运动学容许准则，结合边坡变形的几何相容条件，构建出土条的非线性运动方程组，采用matlab中fslove函数进行求解，建立能够确定边坡地震稳定性分析与临界滑动面的基本理论与寻优方法，得到边坡运动学上容许的最小临界加速度，确定出边坡临界滑动面。应用土体强度参数加权平均方法考虑土层分界处边坡的潜在失效机理，运用平均孔压比法计算土体孔压影响效应，将上述方法拓展至可考虑土体孔压效应的非均质土质边坡中。最后，构建了可考虑竖向地震动对边坡稳定性分析与临界滑动面确定的解析方法。
　　（2）采用土的弹－塑性多屈服面模型，以及水土动力耦合的有效应力原理，通过自由场边界条件模拟人工边界，同时为了土体液化分析采用土的两相介质理论，建立了可考虑土体液化效应的三维有限元分析模型与相应的计算方法，并验证拟建立分析方法的正确性；据此开发了界面友好的前后处理界面的计算平台SlopeSAR，分析了强震下边坡的动力响应特征。
　　（3）最后，通过三维有限元方法计算结果检验简化方法的正确性，并开展简化方法在边坡地震稳定性分析与滑动面确定的中应用工作，重点讨论了简化方法中求解非线性方程组的方法的收敛性。同时，研究了土体强度对边坡临界滑动面的影响，考察了水平增量Δx对单个土条滑动面和边坡整体滑动面影响，分析了孔压、土体非均匀性和竖向地震动对边坡临界滑动面的影响。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源和研究意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文主要研究内容

1.4 研究方案

第2章 水平和竖向地震作用下边坡失稳分析与临界滑动面确定方法

2.1 引言

2.2边坡稳定性分析与滑动面确定方法的基本理论

2.3 土体非均匀性的考虑

2.4 土体地震孔隙水压力效应的考虑

2.5 考虑竖向地震动效应的简化方法

2.6 本章小结

第3章 边坡地震反应三维数值模拟及简化方法验证

3.1 引言

3.2 边坡动力反应分析的三维有限元计算平台SlopeSAR

3.3 边坡地震反应分析计算结果

3.4 简化方法验证

3.5 本章小结

第4章 简化方法在边坡地震滑动面确定中的应用

4.1 前言

4.2 第一个土条

4.3 求解非线性方程组的方法

4.4边坡地震临界滑动面确定

4.5 水平增量Δx的影响

4.6 边坡整体临界滑动面的确定

4.7 孔压对边坡临界滑动面的影响

4.8 简化方法在非均质边坡中的应用

4.9 竖向地震动对边坡临界滑动面的影响

4.10 本章小结

结论与展望

参考文献

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致谢