一种考虑滑面动力渐进破坏的地震边坡稳定性分析方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑滑面动力渐进破坏的地震边坡稳定性分析方法，属于边坡稳定性技术领域。本发明专利技术依据地震作用下边坡滑面破坏演化规律，采用力学试验获取边坡岩土材料强度参数特征及其动力衰减规律，构建表征材料强度参数衰减应变软化模型与破裂面震动劣化模型，基于二分法强度折减法与最大剪应变增量确定边坡静力状态下临界状态滑面位置，进而结合滑面动力渐进破坏理论和矢量和法，在数值计算中求解地震边坡安全系数时程曲线，真实反映边坡地震作用下稳定性状态，提高数值计算结果准确性和可靠性。

An analysis method of seismic slope stability considering dynamic progressive failure of sliding surface

【技术实现步骤摘要】
一种考虑滑面动力渐进破坏的地震边坡稳定性分析方法
本专利技术涉及一种考虑滑面动力渐进破坏的地震边坡稳定性分析方法，属于边坡稳定性

技术介绍
6级以上严重破坏性地震对边坡致损速度快，损伤程度大，极易诱发重特大滑坡灾害，酿成巨大人员伤亡与经济损失。准确分析地震作用下边坡稳定性，是防灾减灾、抗震支护系统设计的理论基础，可有效避免或减少地震引起的滑坡灾害。采用传统弹塑性模型对地震边坡进行稳定性分析时，难以表征岩土材料强度参数衰减现象，导致计算结果偏不安全，对防止滑坡灾害具有不利影响。然而，地震边坡失稳过程中呈现出明显的动力渐进破坏特征，且稳定性状态往往取决于滑面渐进破坏过程及损伤程度，采用理想弹塑性模型表征该现象具有一定的局限性。因此，亟需构建可以描述地震边坡动力渐进破坏特征的强度参数衰减模型，并建立真实反映地震边坡动力稳定性状态的数值计算方法，提高数值计算结果的准确性和可靠性。
技术实现思路
本专利技术针对传统弹塑性模型难以表征地震作用下岩土材料参数动力衰减特征的缺陷，提供一种考虑滑面动力渐进破坏的地震边坡稳定性分析方法，本专利技术依据地震作用下边坡滑面破坏演化规律，采用力学试验获取边坡岩土材料强度参数特征及其动力衰减规律，构建表征材料强度参数衰减应变软化模型与破裂面震动劣化模型，基于二分法强度折减法与最大剪应变增量确定边坡静力状态下临界状态滑面位置，进而结合滑面动力渐进破坏理论和矢量和法，在数值计算中求解地震边坡安全系数时程曲线，真实反映边坡地震作用下稳定性状态，提高数值计算结果准确性和可靠性。一种考虑滑面动力渐进破坏的地震边坡稳定性分析方法，具体步骤如下：(1)基于场区边坡坡高、坡角及台阶宽度的几何参数，建立边坡数值计算模型，通过力学试验确定边坡岩土材料力学参数，构建强度参数衰减应变软化模型与破裂面震动劣化模型；其中边坡岩土材料力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、剪胀角和抗拉强度；(2)根据强度参数衰减应变软化模型，采用二分法强度折减法静力计算边坡稳定性，并基于最大剪应变增量确定临界状态滑面位置；(3)以临界状态滑面为依据，基于矢量和法，根据每一动力时刻边坡内应力分布状态求解每一动力时刻安全系数，求得安全系数时程曲线；(4)根据安全系数时程曲线，利用平均安全系数评价地震边坡整体稳定性状态。所述步骤(1)强度参数衰减应变软化模型的构建方法为采用线性分段函数近似表征岩土材料强度参数衰减规律，建立以累积塑性剪切应变εs和拉应变εt为自变量，黏聚力c、内摩擦角剪胀角ψ及抗拉强度σt为因变量的应变软化模型关系式。所述步骤(1)破裂面震动劣化模型为以随动力时间变化的震动劣化系数D(t)定量描述地震作用下边坡破裂面抗剪强度参数劣化特征，建立与动力循环剪切幅值J(t)、次数K(t)及相对运动速度V(t)的震动劣化系数表达式：D(t)＝[P0+(1-P0)e-mV(t)][R0+(1-R0)ebJ(t)+(1-R0)(1-ebJ(t))e-aK(t)]式中：P0为相对运动速度影响系数衰减收敛值；R0为循环剪切幅值影响系数衰减收敛值；a、b、m均为待定系数；P0、R0、a、b、m通过结构面振动台循环磨损试验得到；在任一动力时刻，破裂面抗剪强度参数c(t)、由破裂面震动劣化模型表示：式中：cf、分别为应变软化模型中残余黏聚力和内摩擦角。所述步骤(2)采用二分法强度折减法静力计算边坡稳定性的方法为1)预设安全系数Ks的最大值Kmax和最小值Kmin；2)令Ks＝(Kmax+Kmin)/2，判断考虑强度参数应变软化模型的边坡数值模型是否收敛，若收敛，则Kmin＝Ks，Kmax＝Kmax；若不收敛，则Kmax＝Ks，Kmin＝Kmin；3)判断Kmax—Kmin的值是否小于预设限值差，若不小于预设限值差，则返回第一步重新预设安全系数Ks的最大值Kmax和最小值Kmin；若小于预设限值差，则以安全系数Ks为折减系数对强度参数应变软化模型进行计算并判断是否收敛，若收敛，则增大Ks值再以安全系数Ks为折减系数对强度参数应变软化模型进行计算并判断是否收敛；若不收敛，则得到最大剪应变增量，根据最大剪应变增量位置确定临界状态滑面位置。所述步骤(3)中以临界状态滑面为依据，基于矢量和法，根据每一动力时刻边坡内应力分布状态求解每一动力时刻安全系数，求得安全系数时程曲线的具体方法为1)将临界状态滑面离散成若干个滑面单元体，同时考虑强度参数衰减应变软化模型与破裂面震动劣化模型，根据滑面单元体状态赋予单元体相应的材料强度参数；2)以滑面单元上节点位移下滑方向作为单元切应力方向，计算临界滑面上各滑面单元的应力矢量σs、切向应力σt及法向应力σn，σt和σn分别为σs的单元切向与法向分量，其中单元应力矢量σs为：σs＝σ·n式中：σ为单元的应力张量；n为单元切应力方向的法线方向单位矢量；3)计算边坡整体下滑趋势方向d，其中d为临界滑面上各单元切应力σt矢量和方向，其表达式为：式中：ds为滑面上各个单元；4)计算滑面各单元的切向抗滑力矢σ′t、法向抗滑力矢σ'n及抗滑力矢σ′s：σ′n＝-σnσ′s＝σ′t+σ′n式中：c、分别为单元对应的黏聚力和内摩擦角；dt为单元抗滑切应力方向单位矢量；σn为单元法向应力大小，以压为负；当σn>0时，取σn＝0；5)定义矢量和法安全系数Fs为潜在滑面上各单元总抗滑力矢在边坡整体潜在滑动趋势方向上投影的代数和∫s[σ′s·(-d)]ds与总下滑力矢在该方向上投影的代数和∫s(σs·d)ds之比，即求得动力安全系数时程曲线，表达式为：进一步地，所述步骤1)同时考虑强度参数衰减应变软化模型与破裂面震动劣化模型，根据滑面单元体状态赋予单元体相应的材料强度参数的方法为当地震边坡内滑面单元体在弹性阶段服从理想弹塑性模型，其强度参数保持不变；当地震边坡内滑面单元体发生塑性变形后，强度参数按照应变软化模型进行衰减；地震边坡内滑面单元体达到极限塑性应变即破坏阶段后，依据地震荷载作用下的震动劣化模型对破坏阶段单元强度参数进行衰减。所述步骤(4)地震边坡整体稳定性状态采用平均安全系数评价，平均安全系数为步骤(3)中动力安全系数时程曲线离散化后取平均值，表达式为：式中：n为曲线离散总个数；Fsi为离散后第i个安全系数。进一步地，所述地震边坡整体稳定性状态的评价方法为若平均安全系数大于1，判断此地震边坡整体处于相对稳定状态；若平均安全系数等于1，判断此地震边坡整体处于临界状态；若平均安全系数小于1，判断此地震边坡整体处于失稳状态。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术考虑滑面动力渐进破坏的地震边坡稳定性分析方法，在数值计算过程中，考虑了地震边坡动力渐进破坏过程，引入应变软化模型与震动劣化模型，表征地震作用下岩土材料强度参数衰减特本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑滑面动力渐进破坏的地震边坡稳定性分析方法，其特征在于，具体步骤如下：/n(1)基于场区边坡坡高、坡角及台阶宽度的几何参数，建立边坡数值计算模型，通过力学试验确定边坡岩土材料力学参数，构建强度参数衰减应变软化模型与破裂面震动劣化模型；其中边坡岩土材料力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、剪胀角和抗拉强度；/n(2)根据强度参数衰减应变软化模型，采用二分法强度折减法静力计算边坡稳定性，并基于最大剪应变增量确定临界状态滑面位置；/n(3)以临界状态滑面为依据，基于矢量和法，根据每一动力时刻边坡内应力分布状态求解每一动力时刻安全系数，求得安全系数时程曲线；/n(4)根据安全系数时程曲线，利用平均安全系数评价地震边坡整体稳定性状态。/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑滑面动力渐进破坏的地震边坡稳定性分析方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)基于场区边坡坡高、坡角及台阶宽度的几何参数，建立边坡数值计算模型，通过力学试验确定边坡岩土材料力学参数，构建强度参数衰减应变软化模型与破裂面震动劣化模型；其中边坡岩土材料力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、剪胀角和抗拉强度；
(2)根据强度参数衰减应变软化模型，采用二分法强度折减法静力计算边坡稳定性，并基于最大剪应变增量确定临界状态滑面位置；
(3)以临界状态滑面为依据，基于矢量和法，根据每一动力时刻边坡内应力分布状态求解每一动力时刻安全系数，求得安全系数时程曲线；
(4)根据安全系数时程曲线，利用平均安全系数评价地震边坡整体稳定性状态。


2.根据权利要求1所述考虑滑面动力渐进破坏的地震边坡稳定性分析方法，其特征在于：步骤(1)强度参数衰减应变软化模型的构建方法为
采用线性分段函数近似表征岩土材料强度参数衰减规律，建立以累积塑性剪切应变εs和拉应变εt为自变量，黏聚力c、内摩擦角剪胀角ψ及抗拉强度σt为因变量的应变软化模型关系式。


3.根据权利要求1或2所述考虑滑面动力渐进破坏的地震边坡稳定性分析方法，其特征在于：步骤(1)破裂面震动劣化模型为以随动力时间变化的震动劣化系数D(t)定量描述地震作用下边坡破裂面抗剪强度参数劣化特征，建立与动力循环剪切幅值J(t)、次数K(t)及相对运动速度V(t)的震动劣化系数表达式：
D(t)＝[P0+(1-P0)e-m|V(t)][R0+(1-R0)ebJ(t)+(1-R0)(1-ebJ(t))e-aK(t)]
式中：P0为相对运动速度影响系数衰减收敛值；R0为循环剪切幅值影响系数衰减收敛值；a、b、m均为待定系数；P0、R0、a、b、m通过结构面振动台循环磨损试验得到；
在任一动力时刻，破裂面抗剪强度参数c(t)、由破裂面震动劣化模型表示：



式中：cf、分别为应变软化模型中残余黏聚力和内摩擦角。


4.根据权利要求1所述考虑滑面动力渐进破坏的地震边坡稳定性分析方法，其特征在于：步骤(2)采用二分法强度折减法静力计算边坡稳定性的方法为
1)预设安全系数Ks的最大值Kmax和最小值Kmin；
2)令Ks＝(Kmax+Kmin)/2，判断考虑强度参数应变软化模型的边坡数值模型是否收敛，若收敛，则Kmin＝Ks，Kmax＝Kmax；若不收敛，则Kmax＝Ks，Kmin＝Kmin；
3)判断Kmax—Kmin的值是否小于预设限值差，若不小于预设限值差，则返回第一步重新预设安全系数Ks的最大值Kmax和最小值Kmin；若小于预设限值差，则以安全系数Ks为折减系数对强度参数应变软化模型进行计算并判断是否收敛，若收敛，则增大Ks值再以安全系数Ks为折减系数对强度参数应变软化模型进行计算并判断是否收敛；若不收敛，则得到最大剪应变增量，根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴顺川，张化进，韩龙强，程海勇，张小强，李浚弘，张光，
申请(专利权)人：昆明理工大学，北京科技大学，
类型：发明
国别省市：云南;53