等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法技术

本发明专利技术公开了一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法，首先分级施加静荷载，并按每级静荷载施加后土中应力应变的变化情况，修正力学参数，按照实际的应力应变特点构建本构模型作为应力‑应变关系的数学模型，当所有静荷载施加后，计算出的累积应力即为震前土坡中的静应力；然后根据土坡抗震设计要求，确定地震加速度时程关系，然后采用二级时段法输入；最后静力与动力反应计算，求得土坡内某些点的有效应力，本发明专利技术解决了现有技术中存在的在土坡稳定性分析中不能将地震、土坡结构以及材料的动力特性同时考虑的问题。

【技术实现步骤摘要】
等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法
本专利技术属于地质工程
，具体涉及一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法。
技术介绍
基于当前对于土坡进行地震稳定性分析时，大多都是采用的等效荷载法，该方法能够有效考虑地震作用时的动力特性以及结构的动力特性，但是其忽略了重要的材料问题，土材料自身的动力特性，即应力应变的滞后性并没有在抗震分析中加以考虑。大量的试验结果表明，土体材料由于其独特的颗粒特性，在经历动荷载作用下，土体的应力应变之间存在着明显的非线性，且由于土体阻尼的存在表现出强烈的滞后性。伴随着动荷载的强度以及持续时长的改变、增加，土体的强度明显降低，乃至发生失稳液化。因而土材料本身的动力特性就成了影响土坡稳定性的重要因素，如何将地震、土坡结构以及材料的动力特性同时在土坡稳定性分析中加以考虑，是现如今常用的等效荷载法需要突破的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法，解决了现有技术中存在的在土坡稳定性分析中不能将地震、土坡结构以及材料的动力特性同时考虑的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、分级施加静荷载，并按每级静荷载施加后土中应力应变的变化情况，修正力学参数，按照实际的应力应变特点构建本构模型作为应力-应变关系的数学模型，当所有静荷载施加后，计算出的累积应力即为震前土坡中的静应力；步骤2、根据土坡抗震设计要求，确定地震加速度时程关系，然后采用二级时段法输入；步骤3、静力与动力反应计算，求得土坡内某些点的有效应力。本专利技术的特点还在于，步骤1中本构模型为邓肯-张模型或者弹塑性本构模型。步骤2中二级时段法中，一级时段是指地震加速度曲线发生转折的相邻2个转折点之间的时段；二级时段也称为计算时段，是指将一级时段按积分稳定性和计算精度要求，均匀等分的每个等份时段。步骤3具体按照以下步骤实施：步骤3.1、在一级时段内循环；步骤3.2、假定单元的初始动剪切模量Gi和阻尼比λi，i指第i个单元；步骤3.3、对该一级时段内的所有二级时段循环，计算出该一级时段内的动剪应变时程关系及平均动剪应变γ；步骤3.4、确定该一级时段的等效周数及液化次数；步骤3.5、计算该一级时段结束时的动孔隙压力和有效应力。步骤3.3具体按照以下步骤实施：步骤3.3.1、求解每个二级时段内的动力方程：[M]{δ″}+[C]{σ′}+[K]{δ}＝{R(t)}(1)式中：[M]、[C]和[K]分别为总体质量、阻尼和刚度矩阵，{R(t)}为结点动荷载向量，{δ″}、{σ′}和{δ}分别为结点相对加速度、速度和位移，[C]用瑞利公式计算；步骤3.3.2、根据平均剪应变γ和平均有效主应力计算动剪切模量G0和阻尼比λ：λ＝λmaxγh/(1+γh)(3)γh＝γ[1+a·exp(-bγ/γr)]/γr(4)式中，λmax、a、b为试验参数，Pa为大气压力，它和G0、应有相同的因次，F(e)为与孔隙比有关的函数，建议关系式OCR为超固结比，响程度与塑性指数的大小有关，n为应力的指数，取0.5，γr为参考应变，γh为计算参数，为平均有效主应力；k为固结应力比的指数，取值与塑性指数的大小有关；步骤3.3.3、如果该一级时段计算出的动剪切模量Gi满足下式(5)，则结束迭代，进入下一个一级时段：Gi,j-Gi,j-1≤Δ(5)式中：i指第i个单元，j为该一级时段内第j次迭代，j-1为该一级时段内的第j-1次迭代，Δ为计算允许误差；进入下一个一级时段计算时，该时段内的初始剪切模量G和阻尼比λ则由以下公式进行计算：其中，k1、k2为试验参数，γc为计算参数；γd为动应变，地震最大剪应力沿深度的减小系数；λmax为上一个一级时段的阻尼比最大值；σ0为初始有效应力。步骤3.4中，确定一级时段的等效周数采用Martin方法，确定一级时段的液化次数由液化曲线查得。步骤3.5中，孔隙压力计算模式通过动力试验确定。本专利技术的有益效果是,一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法，弥补了现有等效荷载分析法上的不足，将等参元法与滑动面法相结合，进而实现了在研究土坡抗震稳定性时，不仅考虑了地震的动力特性以及土坡结构的动力特性，还能兼顾材料的动力特性。其优点是：能够在任意时刻确定土坡最危险滑动面的位置与安全系数，同时能考虑土的应力应变特性。附图说明图1(a)是本专利技术一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法中交点坐标确定图；图1(b)是本专利技术一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法中滑弧子段中点坐标的确定图；图2是本专利技术一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法中滑弧子段法向和切向应力的确定图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、分级施加静荷载，并按每级静荷载施加后土中应力应变的变化情况，修正力学参数，按照实际的应力应变特点构建本构模型作为应力-应变关系的数学模型，当所有静荷载施加后，计算出的累积应力即为震前土坡中的静应力；其中，本构模型为邓肯-张模型或者弹塑性本构模型；步骤2、根据土坡抗震设计要求，确定地震加速度时程关系，然后采用二级时段法输入，其中，二级时段法中，一级时段是指地震加速度曲线发生转折的相邻2个转折点之间的时段；二级时段也称为计算时段，是指将一级时段按积分稳定性和计算精度要求，均匀等分的每个等份时段；步骤3、静力与动力反应计算，求得土坡内某些点的有效应力，具体按照以下步骤实施：步骤3.1、在一级时段内循环；步骤3.2、假定单元的初始动剪切模量Gi和阻尼比λi，i指第i个单元；步骤3.3、对该一级时段内的所有二级时段循环，计算出该一级时段内的动剪应变时程关系及平均动剪应变γ；步骤3.4、确定该一级时段的等效周数及液化次数，其中，确定一级时段的等效周数采用Martin方法，确定一级时段的液化次数由液化曲线查得；步骤3.5、计算该一级时段结束时的动孔隙压力和有效应力，其中，孔隙压力计算模式通过动力试验确定。步骤3.3具体按照以下步骤实施：步骤3.3.1、求解每个二级时段内的动力方程：[M]{δ″}+[C]{σ′}+[K]{δ}＝{R(t)}(1)式中：[M]、[C]和[K]分别为总体质量、阻尼和刚度矩阵，{R(t)}为结点动荷载向量，{δ″}、{σ′}和{δ}分别为结点相对加速度、速度和位移，[C]用瑞利公式计算；步骤3.3.2、根据平均剪应变γ和平均有效主应力计算动剪切模量G0和阻尼比λ：λ＝λmaxγh/(1+γh)(3)γh＝γ[1+a·exp(-bγ/γr)]/γr(4)式中，λmax、a、b为试验参数，Pa为大气压力，它和G0、应有相同的因次，F(e)为与孔隙比有关的函数，建议关系式OCR为超固结比，响程度与塑性指数的大小有关，n为应力的指数，取0.5，γr为参考应变，γh为计算参数，为平均有效主应力；k为固结应力比的指数，取值与塑性指数的大小有关；步骤3.3.3、如果该一级时段计算出的动剪切模量Gi满足下式(5)，则结束迭代，进入下一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、分级施加静荷载，并按每级静荷载施加后土中应力应变的变化情况，修正力学参数，按照实际的应力应变特点构建本构模型作为应力‑应变关系的数学模型，当所有静荷载施加后，计算出的累积应力即为震前土坡中的静应力；步骤2、根据土坡抗震设计要求，确定地震加速度时程关系，然后采用二级时段法输入；步骤3、静力与动力反应计算，求得土坡内某些点的有效应力。

【技术特征摘要】
1.一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、分级施加静荷载，并按每级静荷载施加后土中应力应变的变化情况，修正力学参数，按照实际的应力应变特点构建本构模型作为应力-应变关系的数学模型，当所有静荷载施加后，计算出的累积应力即为震前土坡中的静应力；步骤2、根据土坡抗震设计要求，确定地震加速度时程关系，然后采用二级时段法输入；步骤3、静力与动力反应计算，求得土坡内某些点的有效应力。2.根据权利要求1所述的一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤1中本构模型为邓肯-张模型或者弹塑性本构模型。3.根据权利要求1所述的一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤2中二级时段法中，一级时段是指地震加速度曲线发生转折的相邻2个转折点之间的时段；二级时段也称为计算时段，是指将一级时段按积分稳定性和计算精度要求，均匀等分的每个等份时段。4.根据权利要求1～3任一项所述的一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：步骤3.1、在一级时段内循环；步骤3.2、假定单元的初始动剪切模量Gi和阻尼比λi，i指第i个单元；步骤3.3、对该一级时段内的所有二级时段循环，计算出该一级时段内的动剪应变时程关系及平均动剪应变γ；步骤3.4、确定该一级时段的等效周数及液化次数；步骤3.5、计算该一级时段结束时的动孔隙压力和有效应力。5.根据权利要求4所述的一种等参单元法与滑动面法相结合的土坡地震稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤3.3具体按照以下步骤实施：步骤3.3.1、求解每个二级时段内的动力方程：[M]{δ″}+[C]{σ′...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宏儒，朱浩轩，郭霄汉，赵鹤，冯浩，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61