斜坡抗震穩(wěn)定性擬靜力法研究

時間:2022-06-30 03:25:41

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斜坡抗震穩(wěn)定性擬靜力法研究

摘要:對各行業(yè)規(guī)范中擬靜力法的計算規(guī)定進(jìn)行了比較,討論了豎向地震力對穩(wěn)定系數(shù)的影響、地震加速度高度增大系數(shù)、地震作用效應(yīng)折減系數(shù)等問題。研究表明,豎向地震力的破壞作用在擬靜力法計算結(jié)果中無法體現(xiàn),在極震山區(qū)從事斜坡抗震穩(wěn)定性分析時,宜同時使用動力學(xué)分析法進(jìn)行綜合分析評價;采取適當(dāng)提高斜坡穩(wěn)定安全系數(shù)的辦法考慮地震加速度沿高度的放大效應(yīng),提高幅度以0.02~0.05為宜;地震作用折減系數(shù)0.25的取值是合適可信的,在地震高設(shè)防烈度地區(qū)(αh≥0.2g)采用DZ/T0219-2006規(guī)范進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性分析值得商榷。

關(guān)鍵詞:行業(yè)規(guī)范;擬靜力法;抗震穩(wěn)定性分析;豎向地震力;放大效應(yīng);折減系數(shù)

地震觸發(fā)的山區(qū)斜坡失穩(wěn)破壞往往具有分布范圍廣、數(shù)量多、規(guī)模大、危害大等特點,不僅直接摧毀場鎮(zhèn),還掩埋破壞交通生命線,造成巨大的人員傷亡與財產(chǎn)損失。汶川“5•12”Ms8.0地震引發(fā)了約3~5萬處滑坡、崩塌、碎屑流,造成約2萬人死亡(黃潤秋,2009)。我國建筑、公路、鐵路、水利、水電等行業(yè)規(guī)范規(guī)定,在地震動峰值加速度≥0.1g地區(qū)進(jìn)行斜坡穩(wěn)定性評價時應(yīng)計入地震作用力。目前常用的斜坡抗震穩(wěn)定性分析方法有擬靜力法和動力時程法。擬靜力法能直接計算出坡體的穩(wěn)定系數(shù)并用于斜坡的抗震設(shè)計。但在地震作用過程中,坡體的穩(wěn)定系數(shù)是隨地震時程波動變化的,不是一個恒定值,在某一瞬間坡體穩(wěn)定系數(shù)降至1.0以下時,并不表示斜坡就會發(fā)生整體失穩(wěn)破壞,而只會產(chǎn)生一定的永久位移,這是擬靜力法所不能解決的,需要用到動力時程法進(jìn)行斜坡的地震動力響應(yīng)分析。自1950年太沙基首次用擬靜力法來分析邊坡的抗震穩(wěn)定性以來,因其簡便而得到廣泛應(yīng)用,成為目前評價邊坡抗震穩(wěn)定性最常用之法。然而擬靜力法地震作用力的計算規(guī)定在各行業(yè)中各不相同,主要體現(xiàn)在各項地震系數(shù)的選取上,這給工程應(yīng)用帶來了一定的問題。本文歸納總結(jié)了各工程抗震規(guī)范中斜坡穩(wěn)定性分析擬靜力法的計算規(guī)定,討論了擬靜力法計算豎向地震作用力的影響、水平地震作用高度增大系數(shù)、地震作用折減系數(shù)等問題,從工程實踐出發(fā),為工程技術(shù)人員進(jìn)行斜坡的抗震穩(wěn)定性分析與災(zāi)害防治提供借鑒和建議。

1各行業(yè)規(guī)范對斜坡抗震穩(wěn)定性分析擬靜力法的規(guī)定

地震觸發(fā)斜坡變形失穩(wěn)主要通過地震波在地層中的傳播而引起,地震波在地層中傳播時,地層內(nèi)的巖土體質(zhì)點作垂直和水平振動,從而會產(chǎn)生慣性力。根據(jù)牛頓第二定律,該慣性力F=ma,這就是擬靜力法的由來。擬靜力法實質(zhì)是將地震動作用簡化為施加在計算條塊重心上的水平向、豎向的恒定加速度作用,其大小通常用地震系數(shù)kh、kv表示,作用方向取最不利于坡體穩(wěn)定的方向。再根據(jù)剛體極限平衡理論,計算出坡體的穩(wěn)定系數(shù)Fs。塊體所受水平、豎向地震力等于水平、豎向地震系數(shù)乘以其重量,即:公式(1)、(2)中地震系數(shù)過于籠統(tǒng),無法反映出地震加速度沿高度的放大效應(yīng)、地震作用折減效應(yīng)等影響。我國各行業(yè)規(guī)范中對地震系數(shù)進(jìn)行了細(xì)化分解,水平、豎向地震作用力計算公式可以寫成如下統(tǒng)一公式:式中:k1為抗震重要性修正系數(shù);k2i為計算條塊i水平地震作用沿高度增大系數(shù);k3為地震作用的效應(yīng)折減系數(shù),一般取0.25;αh、αv為水平、豎向設(shè)計基本地震動峰值加速度;g為重力加速度;Wi為計算條塊i的重量。各行業(yè)規(guī)范關(guān)于擬靜力法的計算規(guī)定見表1。為敘述方便,規(guī)范中地震力計算公式的系數(shù)符號與本文公式(3)、(4)保持一致。

2擬靜力法計算討論

2.1關(guān)于豎向地震作用力。工程界普遍認(rèn)為在地震中水平地震力是引起邊坡破壞的主要原因,一般在邊坡抗震穩(wěn)定性分析中只考慮了順坡向的水平地震力作用。但大量的地震宏觀現(xiàn)象表明,在高烈度區(qū)豎向地震作用的影響是十分明顯的。國內(nèi)外均有αv≥αh的地震記錄,如1976年前蘇聯(lián)格茲里地震記錄和1979年美國ImperiarValley地震記錄,αh=0.6~0.8g,αv分別為1.35g和1.75g。汶川地震后,許多專家學(xué)者調(diào)查發(fā)現(xiàn)由地震縱波引起的豎向地震力對邊坡和建筑造成了極大的破壞,所記錄到的地面運動峰(1)(2)(3)(4)值加速度局部地方達(dá)到1.5~2.0g,豎向、水平向加速度兩者基本相當(dāng)(黃潤秋,2009)。因此,近年來各國研究者對豎向地震作用的破壞力日益重視。從表1可知,我國各行業(yè)相關(guān)規(guī)范大多規(guī)定,在設(shè)計水平向地震動峰值加速度≥0.2g的地區(qū),斜坡抗震穩(wěn)定性計算宜同時考慮豎向地震慣性力的作用。建筑行業(yè)規(guī)范(GB50330-2013)沒有規(guī)定,是因為該規(guī)范主要適用于巖質(zhì)邊坡高度≤30m、土質(zhì)邊坡高度≤15m的建筑邊坡工程以及巖石基坑邊坡工程。鐵路行業(yè)規(guī)范(GB50111-2006)沒有規(guī)定,是根據(jù)我國唐山、海城、邢臺、汶川等大地震的宏觀經(jīng)驗,對鐵路工程的破壞主要來自水平地震作用。但是筆者在采用擬靜力法計入豎向地震力時發(fā)現(xiàn),其對穩(wěn)定性計算結(jié)果的影響幾乎可以忽略。以下算例為四川省德陽市某一級公路以路塹形式從一老滑坡前部通過時對該老滑坡的抗震穩(wěn)定性分析,滑坡工程地質(zhì)剖面見圖1。Tab.1Comparisonofpseudo-staticmethodforslopeseismicstabilityanalysiswithrelatedcodes計算參數(shù):滑體土γ=22kN/m3,滑帶土C=29kPa、φ=25°;αh=0.2g,αv按照公路行業(yè)規(guī)范(JTGB02-2013)取值;重要性修正系數(shù)k1取1.3,折減系數(shù)k3取0.25,不考慮高度增大系數(shù)k2i,穩(wěn)定性計算方法采用傳遞系數(shù)法。為了對比分析,本文另考慮αh=0.3g與0.4g兩種計算條件。計算結(jié)果見表2。從計算結(jié)果看出,考慮豎向地震力對穩(wěn)定系數(shù)Fs影響甚微,數(shù)值差別在±1%以內(nèi)。這可以解釋為:考慮豎向地震力會改變土條重量,也改變了條塊底部的正應(yīng)力,繼而改變其底部剪切反力;在αv與重力方向相同時,豎向地震力增加條塊的重量,則條塊底部的正應(yīng)力和剪切反力均會相應(yīng)增加;反之亦然。由于條塊重量增加或減少引起的總剪力的增加或減少,大致可以和抗剪強(qiáng)度的增加或減少相抵消。這與大量震后調(diào)查得出的豎向地震力對斜坡造成的破壞效果不相符合,給極震區(qū)斜坡穩(wěn)定性計算及災(zāi)害防治帶來了困惑。這也是擬靜力法的不足之一。沈珠江等(1997)指出,擬靜力法的缺點是十分明顯的,它完全無視地震加速度時空分布的不均勻性。實際上地震波在巖土體結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播時,加速度在量級和方向上不是保持不變的,也不是單向的,而是一個快速的波動變化過程。在地震過程中,即使坡體的穩(wěn)定系數(shù)暫時小于1,不一定會導(dǎo)致邊坡的整體失穩(wěn),而只會導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生一定的永久位移。地震動特性通常用峰值、頻譜和持時三要素來描述,擬靜力法的根本缺陷是未能考慮地震動的頻譜特性和持時的影響,因此無法準(zhǔn)確地用來衡量地震動效應(yīng)??紤]到豎向地震作用對邊坡造成的破壞不能忽視,建議在高烈度山區(qū),斜坡抗震穩(wěn)定性分析在使用擬靜力法的同時,采用更為合理的基于時程的動力學(xué)分析方法進(jìn)行綜合分析評價。2.2關(guān)于水平地震作用高度增大系數(shù)。劉甲美等(2015)根據(jù)四川自貢市地形影響臺陣記錄到的汶川地震主震加速度記錄分析了地形場地對地震動的影響,發(fā)現(xiàn)地形對地震峰值加速度有顯著的放大效應(yīng),峰值加速度總體上隨地形高度的增加而增大。水平向峰值加速度的放大系數(shù)為1.1~1.8,豎直向為1.1~1.3。羅永紅等(2013)通過大量的汶川地震斜坡震害調(diào)查及對青川桅桿梁山頂?shù)卣饎佑^測臺站記錄研究,表明地形條件是地震誘發(fā)斜坡次生災(zāi)害的基本要素之一,斜坡地形的放大效應(yīng)在地震過程中極為明顯。因此,在山區(qū),特別是高陡斜坡區(qū),地震作用的放大效應(yīng)必須加以考慮。從表1可以看出,公路行業(yè)規(guī)范(JTGB02-2013)要求在水平地震力計算時應(yīng)考慮地形的放大效應(yīng),高度增大系數(shù)k2i按下式計算:仍以前面一級公路滑坡穩(wěn)定性計算為例,按公式(5)計算高度增大系數(shù)k2i,在不考慮豎向地震作用力前提下,k2i對穩(wěn)定系數(shù)Fs的影響見表3。表2滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果Tab.2Stabilitycalculationresults注:αv取正值表示與重力方向一致,負(fù)值表示與重力方向相反。從計算結(jié)果看出,考慮豎向地震力對穩(wěn)定系數(shù)Fs影響甚微,數(shù)值差別在±1%以內(nèi)。這可以解釋為:考慮豎向地震力會改變土條重量,也改變了條塊底部的正應(yīng)力,繼而改變其底部剪切反力;在αv與重力方向相同時,豎向地震力增加條塊的重量,則條塊底部的正應(yīng)力和剪切反力均會相應(yīng)增加;反之亦然。由于條塊重量增加或減少引起的總剪力的增加或減少,大致可以和抗剪強(qiáng)度的增加或減少相抵消。這與大量震后調(diào)查得出的豎向地震力對斜坡造成的破壞效果不相符合,給極震區(qū)斜坡穩(wěn)定性計算及災(zāi)害防治帶來了困惑。這也是擬靜力法的不足之一。沈珠江等(1997)指出,擬靜力法的缺點是十分明顯的,它完全無視地震加速度時空分布的不均勻性。實際上地震波在巖土體結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播時,加速度在量級和方向上不是保持不變的,也不是單向的,而是一個快速的波動變化過程。在地震過程中,即使坡體的穩(wěn)定系數(shù)暫時小于1,不一定會導(dǎo)致邊坡的整體失穩(wěn),而只會導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生一定的永久位移。地震動特性通常用峰值、頻譜和持時三要素來描述,擬靜力法的根本缺陷是未能考慮地震動的頻譜特性和持時的影響,因此無法準(zhǔn)確地用來衡量地震動效應(yīng)??紤]到豎向地震作用對邊坡造成的破壞不能忽視,(5)可見考慮高度增大系數(shù)k2i后,穩(wěn)定系數(shù)Fs有一定程度的降低,降低幅度隨著αh的增加而增大。本滑坡算例在αh=0.4g時,F(xiàn)s降低達(dá)5%。由于高度增大系數(shù)k2i呈倒梯形分布,在穩(wěn)定性計算時,需對每條土塊質(zhì)心處求算相應(yīng)高度處的高度增大系數(shù)及水平地震力,計算較為繁瑣。為了簡化計算,可以通過采取適當(dāng)提高穩(wěn)定安全系數(shù)Fst的辦法來考慮地震加速度沿高度的增大效應(yīng)。前述滑坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)Fst取1.15,在αh=0.2g時,按公式(5)計算k2i及將Fst提高0.03來考慮k2i的推力曲線見圖2;在αh=0.3g時,兩種計算條件的推力曲線見圖3;在αh=0.4g時,兩種計算條件的推力曲線見圖4。從圖2至圖4看出,F(xiàn)st提高0.03~0.06后的滑坡推力值與考慮k2i的設(shè)計滑坡推力值相當(dāng),為簡化計算而適當(dāng)提高Fst的辦法是可行的。Fst的提高幅度一般隨著αh的增加而增加,筆者根據(jù)多年的滑坡防治工程設(shè)計經(jīng)驗,在αh=0.1g~0.15g(地震基本烈度7度區(qū))時,F(xiàn)st的提高值可取0.02~0.03;在αh=0.2g~0.3g(地震基本烈度8度區(qū))時,F(xiàn)st的提高值可取0.03~0.05;在αh≥0.4g(地震基本烈度9度區(qū))時,F(xiàn)st的提高值可取0.05;在同一地震基本烈度區(qū),當(dāng)?shù)卣鹌茐暮蠊麌?yán)重、工程重要性等級高時,可取大值;一般Fst總的提高幅度不宜大于0.05。2.3關(guān)于地震作用效應(yīng)折減系數(shù)。從表1得知,只有國土行業(yè)規(guī)范(DZ/T0219-2006)在地震作用力的計算中沒有考慮地震作用效應(yīng)折減系數(shù)k3,即相當(dāng)于取值為1.0,其它行業(yè)規(guī)范均取為0.25,這導(dǎo)致地震作用力的計算結(jié)果有很大的差異。仍以前述滑坡為例,分別采用公路行業(yè)與國土行業(yè)規(guī)范計算滑坡穩(wěn)定系數(shù),計算結(jié)果見表4。穩(wěn)定安全系數(shù)Fst均取1.15時,兩個規(guī)范計算出的滑坡設(shè)計推力曲線圖5至圖7。從表4可知,國土規(guī)范計算出的穩(wěn)定系數(shù)大幅度降低,這是令人無法接受的結(jié)果。事實上,該滑坡在汶川地震時(αh為0.2g)并沒有發(fā)生失穩(wěn)滑動,只是在斜坡后部出現(xiàn)少量地面拉裂縫;而國土規(guī)范計算的Fs為0.834,斜坡應(yīng)該處于失穩(wěn)劇滑狀態(tài),這與斜坡的實際穩(wěn)定狀態(tài)不相符合。從圖5至圖7的設(shè)計推力曲線看,國土規(guī)范計算出的剩余下滑力大得離譜,在αh=0.2g時,剩余下滑力達(dá)10728kN/m。這對一般抗滑工程來說是難以支擋的,工程投資將從不足千萬元巨增至上億元,滑坡已失去工程治理的意義,該處線路面臨改線。我國的抗震規(guī)范深受前蘇聯(lián)規(guī)范的影響,近年來,逐漸吸收了西歐及我國數(shù)次大地震的經(jīng)驗(陳國興,2003)。折減系數(shù)0.25的取值最早見于我國第一部《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(SDJ10-78),其來自于前蘇聯(lián)規(guī)范的地震系數(shù)的分解(殷躍平等,2014),也得到我國各行業(yè)抗震設(shè)計規(guī)范的采納。經(jīng)過多年來各行業(yè)的實踐證明,折減系數(shù)0.25的取值是合適可信的。

3結(jié)論

地震波在斜坡巖土體中的傳播是一個復(fù)雜的動力作用過程,擬靜力法將這種動力作用靜力化,使斜坡的抗震穩(wěn)定性分析變得簡單易行。本文通過對豎向地震作用力的影響、地形對地震動作用的放大效應(yīng)、地震動作用效應(yīng)折減等問題的討論,得到以下認(rèn)識:(1)由于豎向地震力的破壞作用在擬靜力法計算結(jié)果中體現(xiàn)不出來,建議在極震山區(qū)從事斜坡抗震穩(wěn)定性分析時,同時使用擬靜力法與動力學(xué)分析法進(jìn)行綜合分析評價。(2)地震作用高度增大系數(shù)反映了地形條件對地震作用的放大效應(yīng),從計算簡化角度考慮,可以適當(dāng)提高斜坡穩(wěn)定安全系數(shù),F(xiàn)st的提高幅度以0.02~0.05為宜。(3)地震作用折減系數(shù)0.25的取值經(jīng)過多年來的工程實踐證明是合適可信的,在地震高設(shè)防烈度地區(qū)(αh≥0.2g)采用國土滑坡規(guī)范進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性分析是值得商榷的。

作者:唐世雄 鄧廣輝 劉衡秋 單位:1.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司 2.美麗華夏生態(tài)環(huán)境科技有限公司