一種地震作用下邊坡穩(wěn)定性預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于邊坡工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種地震作用下邊坡穩(wěn)定性預(yù)測方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國幅員遼闊，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，是一個多山地、多地震的國家，同時也是滑坡廣泛 分布的國家，地質(zhì)災(zāi)害相當嚴重。據(jù)統(tǒng)計，我國每年發(fā)生的大小滑坡數(shù)以萬計，地理地質(zhì) 條件不可避免地帶來了大量和地震作用有關(guān)的邊坡問題，地震誘發(fā)滑坡在我國分布非常普 遍，特別是我國西部和西南部山區(qū)，每發(fā)生一次大震，均產(chǎn)生許多地震滑坡。地震誘發(fā)的滑 坡災(zāi)害不僅可以造成生命財產(chǎn)損失，破壞生命工程，其造成的堰塞湖等次生災(zāi)害危害程度 有時甚至超過地震本身。因地震而導(dǎo)致的滑坡崩塌等次生災(zāi)害主要發(fā)生在多震的西部地區(qū) 即陜、甘、寧、新、川、滇、貴、藏等省區(qū)，其中發(fā)生邊坡地震滑坡最的為川滇兩省。就目前而 言，我國在地震區(qū)劃工作中對邊坡地震崩滑的預(yù)測，尚無明確的規(guī)定，通常采用邊坡穩(wěn)定分 析的擬靜力法或動力有限元法。但是，由于地震觸發(fā)的邊坡崩滑，往往成群出現(xiàn)，數(shù)量眾多， 分布區(qū)廣，而分析方法工作量大，投入費用高，不能適應(yīng)大范圍、多點位預(yù)測工作的需要。
[0003] 地震滑坡作為一種非常嚴重的地震次生災(zāi)害，早已引起各國科學(xué)家的重視。最早 的關(guān)于邊坡穩(wěn)定性的研究可以追溯到19世紀，經(jīng)過長達100多年的研究，邊坡穩(wěn)定性評價 的方法從原來的定性分析到半定量、定量分析，發(fā)展到現(xiàn)今，結(jié)合計算機技術(shù)、人工智能等 高科技的種評價方法，研究對象也從對單一的穩(wěn)定性研究逐漸擴大到區(qū)域范圍的地震邊坡 穩(wěn)定性的空間預(yù)測方面。
[0004] 目前，邊坡靜力穩(wěn)定性分析理論有很多而且已經(jīng)發(fā)展的比較成熟；而邊坡動穩(wěn)定 性分析還在發(fā)展階段不夠完善，動力分析方法主要有：擬靜力法、Newmark方法、數(shù)值分析 法、概率分析法以及試驗法。
[0005] 其中，擬靜力法的基本原理是把地震荷載的可變加速度簡化成豎直和水平兩個方 向的不變加速度；把作用在整個邊坡上的可變慣性力，轉(zhuǎn)化為作用在潛在危險滑動面上的 不變荷載；再結(jié)合極限平衡理論，將作用在潛在危險滑動面上的力進行受力分析，計算出邊 坡的安全系數(shù)。擬靜力法的主導(dǎo)思想是用恒定的荷載代替地震動荷載。目前，還不能完全 確定邊坡破壞的主要原因是地震動力造成的。大量的實踐證明，在含有液化土的地方，用擬 靜力法計算出的安全系數(shù)往往偏大，而不含液化土的地方，用擬靜力法計算出的安全系數(shù) 往往偏小。擬靜力法只考慮了地震動力的強度，而沒有考慮地震力的頻率特性和持時。
[0006] 擬靜力法只能得到安全系數(shù)，而不能得出邊坡受地震荷載破壞時，破壞面的受力 狀態(tài)。而Newmark滑塊分析法是Newmark提出的，他認為壩堤在地震動力荷載下是否穩(wěn)定 關(guān)鍵在于地震荷載所產(chǎn)生的位移和變形，而不是有最小安全系數(shù)確定。地震動力荷載是短 暫的荷載作用并且是往返荷載。慣性力作用時間短暫，即使某一時刻的慣性力比較大，產(chǎn)生 較大的位移時，安全系數(shù)可能會小于1，當加速度減小或反向時，位移會停止，只要結(jié)構(gòu)不破 壞，邊坡還是穩(wěn)定的。當?shù)卣饎咏Y(jié)束后，如果邊坡不產(chǎn)生進一步的位移，邊坡體的強度沒有 顯著地降低，該邊坡還是穩(wěn)定的。這一理論證明了，擬靜力法用最小安全系數(shù)表示邊坡穩(wěn)定 性和邊坡內(nèi)最大應(yīng)力決定了邊坡的穩(wěn)定性的錯誤看法。把地震荷載看作是變向的短暫荷 載，考慮了邊坡位移變化和邊坡的變形，使邊坡地震動力分析有比較大的發(fā)展。
[0007] 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)值分析方法分析邊坡工程的穩(wěn)定性得到越來越多 的應(yīng)用，目前國內(nèi)外對邊坡地震穩(wěn)定性分析常采用的數(shù)值分析方法有快速拉格朗日法、有 限元法、離散元法以及邊界元法。現(xiàn)如今，上述方法的理論趨于成熟，已經(jīng)有相關(guān)的開發(fā)軟 件。雖然有限元法用于地震動力分析效果很好，但是有一個前提就是有限元法分析的材料 是連續(xù)介質(zhì)。當需要分析的邊坡巖土體介質(zhì)不連續(xù)或連續(xù)性差時，計算結(jié)果可能不準確。另 外，有限元法不能分析對邊坡穩(wěn)定性有重大影響的幾個因素，例如巖體裂隙、結(jié)構(gòu)面等，這 一不足之處還需要不斷的完善。
[0008] 試驗法通過材料相似比和縮尺建模，盡最大可能模擬真實的工程情況。在試驗過 程中，能夠直觀的得到邊坡的穩(wěn)定狀況，反應(yīng)邊坡的破壞機理和邊坡的破壞位置；并且，能 夠?qū)吰略诘卣鸷奢d下是否穩(wěn)定做出初步判斷，為數(shù)值分析提供一定的參考。目前，采用的 主要試驗法是采用振動臺來模擬地震動力。最早利用振動臺模擬地震荷載作用下巖石邊坡 在單一滑動面下滑動特性的人是王思敏，并取得重大成果。王存玉在做二灘拱壩動力模型 試驗時，得出巖石邊坡地震加速度有豎直和水平兩個方向都有放大作用。
[0009] 概率分析法是考慮了邊坡在受到地震動力時的諸多不確定性因素的一種分析方 法。其中，不確定因素，如：組成邊坡材料的不確定性、介質(zhì)的不連續(xù)性、地震荷載的隨機性 等，這些不確定性的因素會對分析的結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。在分析時，不能夠忽略這些不確 定性因素，因此地震邊坡概率分析方法應(yīng)運而生。HalatchevRossen A(1992)在Sarma解 的基礎(chǔ)上提出了一種概率算法來分析堤壩和邊坡穩(wěn)定性。Al-HomoudAS (2000)也對概率分 析有不少貢獻，他提出了土體邊坡和堤壩在地震荷載作用下的概率三維穩(wěn)定性分析模型， 考慮了以下不確定性因素：土體抗剪強度在實驗室條件下和現(xiàn)場條件下測得的大小的差異 性，地震荷載加速度的隨機性以及震動時土體強度的變化。
[0010] 除上述幾種主要分析方法外，還有各種用于不確定性、隨機性分析的斜坡穩(wěn)定性 評價方法也蓬勃發(fā)展起來，如綜合指標法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、遺傳算法、灰色理論、敏感 性分析等均在不同工程中開始研究與應(yīng)用。
[0011] 其中，綜合指標法是指運用各種綜合統(tǒng)計指標，從具體數(shù)量方面對研究對象的規(guī) 模及特征所進行的概括和分析的方法。地震滑坡的發(fā)生是多種因素共同作用的結(jié)果，且不 同因素在滑坡中所起的作用是不同的，為了反映不同因子在滑坡中所處的地位，科學(xué)的預(yù) 測邊坡的動穩(wěn)定性，可建立綜合指標法。用綜合指標法預(yù)測邊坡動穩(wěn)定性就是把各項影響 因子在滑坡形成中的作用以一種數(shù)字值來表示，然后對這些量值按一定的公式進行計算、 綜合，把計算所得的綜合指標值與滑坡發(fā)生臨界值相對比，以判斷滑坡發(fā)生的危險程度。
[0012] 1993年國際土力學(xué)及基礎(chǔ)工程協(xié)會，巖土地震工程委員會提出了一個按三級預(yù)測 地震崩滑的方法；這個方法既能滿足不同階段的區(qū)劃要求，又能做到快速預(yù)測，節(jié)省時間， 節(jié)約費用。1996年我國部分學(xué)者開始對該方法中的第二級方法進行了研究，提出了初步成 果，該成果在綜合考慮地質(zhì)、地貌、地震、降雨等對滑坡的共同作用的基礎(chǔ)上，確定以巖性構(gòu) 造、坡高、坡角、地震、降雨為主要影響因子，提出了各因子分級賦值的原則和方案，建立了 可對不同因子進行區(qū)分和量化的、含5個因子的綜合指標法計算式，取得了新進展。上述成 果表明了滑坡的產(chǎn)生是外部因素（地震、降雨）相加作用于內(nèi)部因素（坡高、巖性、坡角） 的結(jié)果。上述綜合指標計算式只研究了巖性構(gòu)造、坡高、坡角、地震、降雨五個因素，未涉及 影響邊坡動穩(wěn)定性的其他因素，在精確性上有些不足。
[0013] 但是通過對全國地震地區(qū)的滑坡進行分析發(fā)現(xiàn)，地震滑坡的發(fā)生不僅僅是這幾種 因素作用的結(jié)果，滑坡的發(fā)生同時與距斷裂帶的距離也有一定關(guān)系，因而不應(yīng)只研究巖性 構(gòu)造、坡高、坡角、地震、降雨五個因素，還需對邊坡距斷裂帶距離做具體研究。地震作用下 滑坡的分布與其距斷裂帶距離有著十分密切的關(guān)系，邊坡距斷裂帶的距離直接影響著邊坡 的動穩(wěn)定性。綜上，由于邊坡與斷裂帶的距離對邊坡穩(wěn)定性有著很重要的影響，如果在已有 成果的基礎(chǔ)上對綜合指標法中影響因子的選取和單因子賦值問題進行進一步的研究，加入 滑坡距斷裂帶距離對邊坡穩(wěn)定性的影響，提出更加完善精確的綜合指標法算式，將對我國 完善開展邊坡動力響應(yīng)及穩(wěn)定性的研究產(chǎn)生重大的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種地震作 用下邊坡穩(wěn)定性預(yù)測方法，其方法步驟簡單、設(shè)計合理且實現(xiàn)方便、使用效果好，結(jié)合滑坡 距斷裂帶距離這一影響因素，簡便、快速對地震作用下邊坡穩(wěn)定性進行預(yù)測，并且預(yù)測精度 尚。
[0015] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種地震作用下邊坡穩(wěn)定性預(yù) 測方法，其特征在于該方法包括以下步驟：
[0016] 步驟一、待預(yù)測邊坡穩(wěn)定性影響因子確定：對影響待預(yù)測邊坡穩(wěn)定性的6個影響 因子分別進行確定；6個所述影響因子包括4個內(nèi)部因子和2個外部因子；4個所述內(nèi)部因 子分別為待預(yù)測邊坡的地質(zhì)條件、坡角A、坡高H和距斷裂帶距離R，所述距斷裂帶距離R為 待預(yù)測邊坡距地震斷裂帶的水平垂直距離；2個所述外部因子分別為待預(yù)測邊坡所處區(qū)域 的降雨強度和地震烈度s，所述降雨強度為年均降雨量P ;所述待預(yù)測邊坡為需進行穩(wěn)定性 預(yù)測的邊坡；