一种滑坡失稳运动作用下建筑物破坏损失程度评价方法

摘要

本发明提供了一种滑坡失稳运动作用下建筑物破坏损失程度评价方法，其综合考虑了滑坡失稳后的运动过程对建筑物的作用力以及建筑物在滑体作用力下的抵抗能力，通过建立滑坡的弹簧变形块分析模型分析滑坡失稳后运动过程，进而确定滑坡对建筑物的作用力，作为建筑物受冲击抵抗能力值，再通过对受冲击建筑物框架结构的层间屈服剪力的计算，确定建筑物受冲击抵抗能力值，并以滑坡灾害强度值与建筑物受冲击抵抗能力值的比值作为建筑物破坏损失程度值，确定滑坡失稳运动作用下建筑物的破坏损失程度；其整体分析过程客观、可靠，能够帮助增强滑坡失稳灾害评估的准确性，以解决依据人为经验实施滑坡失稳灾害评估存在较大误差的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及防灾、减灾评估技术领域，具体涉及一种滑坡失稳运动作用下建筑物破坏 损失程度评价方法。

背景技术

近年来，针对滑坡灾害风险的研究成为滑坡研究领域的热点，国际上部分主流国家己 经开展了较为深入的研究工作，国内外学者们从对滑坡灾害风险基本概念的认识，逐步发 展到定量预测的程度。在风险研究中，受冲击体破坏损失程度的评价则是该研究的核心， 而受冲击体破坏损失的程度定量确定一直是该领域的难点。

目前对于受冲击体破坏损失程度的评价多为定性分析，研究人员主要通过对灾情资料 进行统计分析，将遭受冲击遭受灾害后的损失与灾害前的价值进行对比或者根据人口的伤 亡比例作为破坏损失程度值，以及对不同遭受冲击如人口、环境等选用不同评价指标，对 其可能遭受的破坏以及损失程度进行度量，获得破坏损失程度值。以上这些分析并没有充 分考虑滑坡灾害的作用强度，遭受冲击的空间位置等因素，而对遭受冲击抗灾能力的评价 也多为经验取值，因此缺乏足够的理论和数据依据，往往导致对破坏损失程的评估存在较 大误差。

要考虑滑坡灾害的作用强度，则需要预测滑体滑动速度、滑动时间和滑动距离等。如 果不能正确掌握滑坡失稳后运动过程特征，对滑坡危害范围预测划定过大或过小，都难以 合理地减轻滑坡灾害损失。因此有必要分析滑坡失稳后运动过程，确定得到滑体冲击作用。 但现有技术中还缺乏一种能够依据滑坡失稳运动过程分析而对建筑物的破坏损失程度进 行有效评价的科学方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种滑坡失稳运动作用下建 筑物破坏损失程度评价方法，其通过对滑坡失稳后运动过程以及建筑物抵抗能力的分析， 从滑坡的灾害强度和受冲击的建筑物抵抗能力出发，对受冲击的建筑物破坏损失程度进行 评价，用以帮助对滑坡失稳灾害评估更好地提供数据依据，增强滑坡失稳灾害评估的准确 性，以解决现有技术中依据人为经验实施滑坡失稳灾害评估存在较大误差的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术手段：

一种滑坡失稳运动作用下建筑物破坏损失程度评价方法，包括如下步骤：

1)选定被测定的滑坡，根据滑体滑面上剪切作用方向与滑动面倾向相反近似确定滑 动方向，测定滑坡滑面的产状和滑坡参数；所述滑坡参数包括滑体的重度、滑体材料的内 摩擦角、滑体材料天然饱和状态下的粘聚力、滑体材料的弹性模量、滑体与滑面之间的摩 擦系数以及滑坡的坡脚与受冲击建筑物的间隔距离；

2)建立滑坡的弹簧变形块分析模型；具体为，由滑坡的滑动方向，确定滑坡的二维 剖面，将二维滑坡剖面沿垂直方向条分，划分成若干个竖直的条块，得到各个条块的宽度 和面积，每相邻两个条块之间用无质量的弹簧连接，无质量弹簧的内力表示滑体相邻两个 条块之间的条间力，且无质量弹簧只承受水平方向作用力，无质量弹簧的变形用水平方向 的条间力产生的变形能来表示，条块宽度的改变量表示无质量弹簧的变形，由此建立弹簧 变形块分析模型；

3)利用滑坡的弹簧变形块分析模型对滑坡失稳后运动过程进行分析；具体为，采用 不平衡推力法，用运动学原理确定出滑坡的各条块在失稳后运动过程中的运动速度、形变、 滑动距离和滑动时间；

4)确定受冲击建筑物的框架结构，并根据滑体运动至建筑物位置处的速度，确定滑 坡对建筑物的作用力；该作用力视为两部分组成，一部分为滑体碎屑堆积对建筑物的静力 作用力，另外一部分为滑体对建筑物的冲击作用力；两部分作用之和即为滑坡对建筑物的 作用力，并将该作用力作为滑坡灾害强度值；

5)针对受冲击的建筑物的框架结构，确定其柱网及层高等结构布置，梁、柱截面尺 寸，实际配筋量，所用混凝土与钢筋材料标号等信息，并根据《建筑抗震设计规范 GB500011-2010》确定其框架结构的水平抵抗力，作为建筑物受冲击抵抗能力值；

6)以滑坡灾害强度值与建筑物受冲击抵抗能力值的比值作为建筑物破坏损失程度值， 根据建筑物破坏损失程度值确定滑坡失稳运动作用下建筑物的破坏损失程度。

上述滑坡失稳运动作用下建筑物破坏损失程度评价方法中，具体而言，所述步骤3具 体为：

31)确定滑坡各个条块的重量，由条块的面积乘以滑体的重度得到；

32)根据运动学公式，确定滑体突滑时刻条块之间条间力，并得到滑体突滑时刻各个 条块的加速度；

33)根据预先设定的时间增量Δt，根据滑动过程中滑体运动模式连续条件求得在下一 Δt时刻各个条块的速度；

34)由弹性力学求得每相邻两个条块之间无质量弹簧的变形，进而求取在下一Δt时刻 每相邻两个条块之间的条间力；

35)根据平行滑面与垂直滑面的运动学方程，求解在下一Δt时刻各个条块的加速度；

36)重复步骤33～35，直到滑体运动至受冲击的建筑物位置处，得到滑体运动至建筑 物位置处的速度。

上述滑坡失稳运动作用下建筑物破坏损失程度评价方法中，具体而言，所述步骤4中， 滑体碎屑堆积对建筑物的静力作用力采用朗肯土压力公式进行确定；滑体对建筑物的冲击 作用力，则先根据《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》，将建筑物的侧向刚度折算 为竖向悬臂受弯构件的等效侧向刚度，获得建筑物的结构弹性等效侧向刚度，然后由能量 守恒原理，根据悬臂梁弯曲能与滑坡冲击能相等而确定。

上述滑坡失稳运动作用下建筑物破坏损失程度评价方法中，具体而言，所述步骤5具 体为：

51)针对受冲击的建筑物的框架结构，确定其柱网及层高等结构布置，梁、柱截面尺 寸，实际配筋量，所用混凝土与钢筋材料标号信息；

52)根据《建筑抗震设计规范GB500011-2010》规定，分别确定建筑物的梁、柱极限 抗弯承载力，进而确定出柱端截面的有效受弯承载力；

53)根据建筑物所有柱的有效受剪承载力确定出建筑物各楼层层间屈服剪力；

54)根据建筑物各楼层层间屈服剪力确定建筑物的结构薄弱层的位置；

55)取建筑物结构薄弱层位置的弹塑性层间位移角为《建筑抗震设计规范 GB500011-2010》规定的定限值，由此获得建筑物的薄弱层弹性层间位移；

56)由建筑物的薄弱层弹性层间位移计算得到建筑物的结构薄弱层位置所受剪力，根 据底部剪力法，确定建筑物的底层剪力作为建筑物的框架结构的水平抵抗力，进而作为建 筑物受冲击抵抗能力值。

相比于现有技术，本发明的滑坡失稳运动作用下建筑物破坏损失程度评价方法具有以 下的有益效果：

本文针对滑体灾害作用强度，主要从考虑对建筑物的冲击力以及建筑物在滑体冲击作 用下的抵抗能力进行阐述。

1、本发明的滑坡失稳运动作用下建筑物破坏损失程度评价方法，综合考虑了滑坡失 稳后的运动过程对建筑物的作用力以及建筑物在滑体作用力下的抵抗能力，对受冲击的建 筑物破坏损失程度进行评价，能够帮助对滑坡失稳灾害评估更好地提供数据依据，增强滑 坡失稳灾害评估的准确性，以解决现有技术中依据经验实施滑坡失稳灾害评估存在较大误 差的问题。

2、本发明的滑坡失稳运动作用下建筑物破坏损失程度评价方法中，建立了滑坡的弹 簧变形块分析模型，并借助弹簧变形块分析模型分析滑坡失稳后运动过程，利用运动学原 理获得相关速度，滑动距离等参数，进而以速度以及滑动距离为依据，确定滑坡对建筑物 的作用力，作为建筑物受冲击抵抗能力值，其分析过程客观、可靠。

3、本发明的滑坡失稳运动作用下建筑物破坏损失程度评价方法中，通过对受冲击建 筑物框架结构的层间屈服剪力的计算，获得建筑物结构薄弱层位置软弱层屈服时对应的底 层剪力值，作为建筑物受冲击抵抗能力值，并以滑坡灾害强度值与建筑物受冲击抵抗能力 值的比值作为建筑物破坏损失程度值，根据建筑物破坏损失程度值确定滑坡失稳运动作用 下建筑物的破坏损失程度，更有助于对建筑物损失程度进行客观估计，进而增强滑坡失稳 灾害评估的准确性。

附图说明

图1为本发明滑坡失稳运动作用下建筑物破坏损失程度评价方法的流程示意图。

图2为本发明滑坡失稳运动作用下建筑物破坏损失程度评价方法中滑坡的弹簧变形块 分析模型图。

图3为本发明实施例中的滑坡场景示意图。

图4为本发明实施例中滑坡失稳运动3s后的场景示意图。

图5为本发明实施例中滑坡失稳运动8.08s后的场景示意图。

图6为本发明实施例中建筑物的框架结构平面布置图。

图7为本发明实施例中建筑物的框架结构剖面布置图。

具体实施方式

本发明提供了一种滑坡失稳运作用下建筑物破坏损失程度评价方法，其方法流程如图 1所示，包括如下步骤：

步骤1：选定被测定的滑坡，根据滑体滑面上剪切作用方向与滑动面倾向相反近似确 定滑动方向，测定滑坡滑面的产状和滑坡参数；所述滑坡参数包括滑体的重度、滑体材料 的内摩擦角、滑体材料天然饱和状态下的粘聚力、滑体材料的弹性模量、滑体与滑面之间 的摩擦系数以及滑坡的坡脚与受冲击建筑物的间隔距离。

步骤2：建立滑坡的弹簧变形块分析模型；具体为，由滑坡的滑动方向，确定滑坡的 二维剖面，将二维滑坡剖面沿垂直方向条分，划分成若干个竖直的条块，得到各个条块的 宽度和面积，每相邻两个条块之间用无质量的弹簧连接，无质量弹簧的内力表示滑体相邻 两个条块之间的条间力，且无质量弹簧只承受水平方向作用力，无质量弹簧的变形用水平 方向的条间力产生的变形能来表示，条块宽度的改变量表示无质量弹簧的变形，由此建立 弹簧变形块分析模型。

步骤3：利用滑坡的弹簧变形块分析模型对滑坡失稳后运动过程进行分析；具体为， 采用不平衡推力法，用运动学原理确定出滑坡的各条块在失稳后运动过程中的运动速度、 形变、滑动距离和滑动时间。

步骤4：确定受冲击建筑物的框架结构，并根据滑体运动至建筑物位置处的速度，确 定滑坡对建筑物的作用力；该作用力视为两部分组成，一部分为滑体碎屑堆积对建筑物的 静力作用力，另外一部分为滑体对建筑物的冲击作用力；两部分作用之和即为滑坡对建筑 物的作用力，并将该作用力作为滑坡灾害强度值。

步骤5：针对受冲击的建筑物的框架结构，确定其柱网及层高等结构布置，梁、柱截 面尺寸，实际配筋量，所用混凝土与钢筋材料标号等信息，并根据《建筑抗震设计规范 GB500011-2010》确定其框架结构的水平抵抗力，作为建筑物受冲击抵抗能力值。

步骤6：以滑坡灾害强度值与建筑物受冲击抵抗能力值的比值作为建筑物破坏损失程 度值，根据建筑物破坏损失程度值确定滑坡失稳运动作用下建筑物的破坏损失程度。

由此，便得到了滑坡失稳运动作用下建筑物的破坏损失程度。

下面再通过实施例对本发明滑坡失稳运动作用下建筑物破坏损失程度评价方法进行 进一步的说明。

实施例：

步骤1：选定被测定的滑坡。本实施例中被测定的滑体示意如图3所示，滑体的具体 材料参数有：滑体的重度＝16kN/m3，滑体材料的内摩擦角，滑体材料的粘聚力c＝30 kPa，滑体材料的弹性模量E₀＝15MPa，滑体初始速度v₀＝0，滑体与滑面之间的摩擦系数 f＝0.25。

滑坡的滑面各段的倾角为：

其中，x表示水平距离的值。

本实施例中，将滑坡的坡脚与受冲击建筑物的间隔距离设定为三种不同情况，分别为 10m、15m、20m。

步骤2：建立滑坡的弹簧变形块分析模型，所建立的弹簧变形块分析模型如图2所示。 本实施例中，将整个滑体划分成十个条块，初始条块宽度b_i,0＝3.36m，时间步长Δt＝0.02s。 各条块面积分别为表1所示。

表1滑体各条块面积

步骤3：对滑坡失稳后运动过程进行分析。根据如图2所示的弹簧变形块分析模型。

其详细步骤为：

31)确定滑坡各个条块的重量，由条块的面积乘以滑体的重度得到；

32)根据运动学公式，确定滑体突滑时刻条块之间条间力，并得到滑体突滑时刻各个 条块的加速度；

33)根据预先设定的时间增量Δt，根据滑动过程中滑体运动模式连续条件求得在下一 Δt时刻各个条块的速度；

34)由弹性力学求得每相邻两个条块之间无质量弹簧的变形，进而求取在下一Δt时刻 每相邻两个条块之间的条间力；

35)根据平行滑面与垂直滑面的运动学方程，求解在下一Δt时刻各个条块的加速度；

36)重复步骤33～35，直到滑体运动至受冲击的建筑物位置处，得到滑体运动至建筑 物位置处的速度。

例如，以滑坡的坡脚与被冲击建筑物的间隔距离为20m为例，由分析可得，当t＝8.08s 时，滑体运动至建筑物位置处，此时滑动距离为20m。滑坡滑动过程见图3、图4和图5。 图3为滑坡场景示意图，同时也表示了滑坡在t＝0时刻(即滑坡突滑时刻)的场景示意图； 图4表示滑坡失稳运动3s后的场景示意图；图5为表示滑坡失稳运动8.08s后的场景示意 图。

步骤4：根据滑体运动至建筑物位置处的速度，确定滑坡对建筑物的作用力。

受冲击建筑物为三层钢筋混凝土框架结构，以滑坡的坡脚与被冲击建筑物的间隔距离 为20m为例，其结构框架的平面图和剖面图分别如图6和图7所示。该建筑物的框架结构 梁截面尺寸为250mm×600mm，混凝土采用C20，钢筋采用HRB335；柱截面尺寸为 500mm×500mm，混凝土采用C30，钢筋采用HRB335。

确定滑坡对建筑物的作用力的详细步骤为：

41)采用朗肯土压力公式进行确定滑体碎屑堆积对建筑物的静力作用力；

42)根据受冲击建筑物的框架结构布置相关信息，根据《高层建筑混凝土结构技术规 程JGJ3-2010》，将建筑物的侧向刚度折算为竖向悬臂受弯构件的等效侧向刚度，获得建筑 物的结构弹性等效侧向刚度；

43)由能量守恒原理，根据悬臂梁弯曲能与滑坡冲击能相等而确定滑体对建筑物的冲 击作用力；

44)将静力作用力与冲击作用力相加获得滑坡对建筑物的作用力，作为滑坡灾害强度 值。

由此确定出滑体运动至建筑物位置处时，滑坡对建筑物的作用力为10696.68kN。

步骤5：确定建筑物的框架结构的水平抵抗力。

51)针对受冲击的建筑物的框架结构，确定其柱网及层高等结构布置，梁、柱截面尺 寸，实际配筋量，所用混凝土与钢筋材料标号信息；本实施例中建筑物的框架结构相关信 息如前文所述；

52)根据《建筑抗震设计规范GB500011-2010》规定，分别确定建筑物的梁、柱极限 抗弯承载力，进而确定出柱端截面的有效受弯承载力；

53)根据建筑物所有柱的有效受剪承载力确定出建筑物各楼层层间屈服剪力；

54)根据建筑物各楼层层间屈服剪力确定建筑物的结构薄弱层的位置；

55)取建筑物结构薄弱层位置的弹塑性层间位移角为《建筑抗震设计规范 GB500011-2010》规定的定限值，由此获得建筑物的薄弱层弹性层间位移；

56)由建筑物的薄弱层弹性层间位移计算得到建筑物的结构薄弱层位置所受剪力，根 据底部剪力法，确定建筑物的底层剪力作为建筑物的框架结构的水平抵抗力，进而作为建 筑物受冲击抵抗能力值。

所得结果见表2。

表2楼层各层剪力

根据表2确定可知，该建筑物框架结构的最薄弱层发生在第一层，当第一层弹塑性层 间位移角达到规范规定限值时，此时对应的底层剪力值为20320kN，因此用该值作为受冲 击框架结构的抵抗能力值。

步骤6：以滑坡灾害强度值与建筑物受冲击抵抗能力值的比值作为建筑物破坏损失程 度值，根据建筑物破坏损失程度值确定滑坡失稳运动作用下建筑物的破坏损失程度。

表3列出了本实施例中滑体与建筑物在三个不同的初始间隔距离条件下，根据本发明 方法所得到的作用力情况以及建筑物破坏损失程度值情况。

表3不同的初始间隔距离条件下的建筑物破坏损失程度值

表4示出了不同的建筑物破坏损失程度值与不同建筑物破坏损失程度的对应关系。

表4建筑物破坏损失程度

根据本实施例的计算情况可知，在本实施例的条件下，如果建筑物与滑体的初始间隔 距离为10米，滑坡失稳滑下对建筑物的破坏损失程度达到“破坏”级，还可以对建筑物 加以工程修复；如果建筑物与滑体的初始间隔距离为20米，滑坡失稳滑下对建筑物的破 坏损失程度达到“严重破坏”级，难以通过工程修复；而如果建筑物与滑体的初始间隔距 离为15米，滑坡失稳滑下对建筑物的破坏损失程度达到“倒塌”级，破坏最为严重，将 对建筑物造成不可挽回的灾害损失。由此也可以看到，本发明滑坡失稳运动作用下建筑物 破坏损失程度评价方法，能够有效的应用于滑坡失稳灾害评估，增强滑坡失稳灾害评估的 准确性，解决现有技术中仅依据经验实施滑坡失稳灾害评估误差较大的问题。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例 对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进 行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权 利要求范围当中。