武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 巖質(zhì)高邊坡的動力問題求解主要可以分為擬靜力法和數(shù)值模擬法。擬靜力法 的研究成果較豐富，理論體系較成熟，但具有較明顯的缺點。而使用動力有限 元法進行邊坡動力時程分析的學(xué)者和成果較少，是目前該領(lǐng)域研究的熱點和難 點。特別是在汶川特大地震發(fā)生以后，巖質(zhì)高邊坡在水平動荷載作用下的動力 響應(yīng)規(guī)律等是巖土工程界十分關(guān)心又迫切希望解決的問題。 本文總結(jié)了邊坡動力問題的研究現(xiàn)狀，著重從工程地質(zhì)方面分析了地震作用 下邊坡穩(wěn)定性的影響因素，對有限元方法分析步驟及動力方程求解方法進行了 總結(jié)和分析，采用動力有限元方法對邊坡的動力響應(yīng)規(guī)律進行研究，特別是探 討了巖質(zhì)高邊坡在水平動荷載作用下動力響應(yīng)的加速度、速度、位移三量放大 系數(shù)分布的規(guī)律和特點。主要開展了以下工作： ( 1 ) 在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，將地震作用下邊坡穩(wěn)定性的影響因素 歸納為邊坡所處的地質(zhì)背景、邊坡的巖體結(jié)構(gòu)類型和地層巖性組合、邊坡的地 形地貌條件以及邊坡的水文地質(zhì)條件等方面，并討論了邊坡的工程地質(zhì)模型以 及動力失穩(wěn)機制。 ( 2 ) 進行了邊坡動力有限元方法分析步驟及動力方程求解方法的總結(jié)和分 析，討論了動力方程及計算方法、非線性動力方程及計算方法、邊坡動力分析 中所采用的單元、d p 彈塑性本構(gòu)關(guān)系與屈服準(zhǔn)則等。 ( 3 ) 探討了粘彈性邊界單元、動力方程中瑞雷阻尼等對邊坡動力有限元計 算結(jié)果的影響規(guī)律。研究了：邊界的設(shè)置對計算結(jié)果的影響，得出了當(dāng)選取 合適的粘彈性邊界參數(shù)，邊界的遠(yuǎn)近設(shè)置達(dá)到一定范圍后，其邊界對計算結(jié)果 的影響很小。瑞雷阻尼對計算結(jié)果的影響，得出了瑞雷阻尼對計算結(jié)果影響 顯著。d p 彈塑性本構(gòu)關(guān)系與屈服準(zhǔn)則對計算結(jié)果的影響，得出了在較大位移 條件下，當(dāng)材料考慮d p 彈塑性本構(gòu)關(guān)系與屈服準(zhǔn)則時，邊坡的的位移、速度、 加速度放大系數(shù)會比線彈性條件下的減小。材料的彈性模量越小，邊坡的位 移、速度、加速度放大系數(shù)越大，且彈性模量對邊坡放大系數(shù)的分布形式有顯 著的影響。荷載的持時、幅值以及頻率對邊坡放大系數(shù)均有一定的影響。 ( 4 ) 結(jié)合工程實際，采用e l - c e n t r o 地震波荷載記錄，對西南某巖質(zhì)高邊坡 動力響應(yīng)規(guī)律進行了分析與討論，得到了對工程實際十分有益的結(jié)果。采取 粘彈性彈簧單元，選取合理的邊界參數(shù)可以較好的模擬巖質(zhì)邊坡的動力響應(yīng)問 題，并可以節(jié)約計算時間，提高計算效率。當(dāng)材料考慮d p 模型時，其放大 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 系數(shù)可能會稍微減小，當(dāng)位移不很大時，考慮材料d p 模型時對放大系數(shù)分布 形式的影響很小。對e l - c e n t r o 地震波進行成比例折減，分別取基巖加速度峰 值為0 1 9 、0 1 2 9 、0 1 5 9 和o 2 9 。當(dāng)取o 1 9 和0 1 2 9 時，邊坡整體處于彈性狀態(tài)， 位移、速度、加速度時程與荷載的增加比例相同，放大系數(shù)很接近。當(dāng)取0 1 5 9 時，邊坡小部分區(qū)域( 坡體內(nèi)反傾向裂隙尖端) 進入塑性，但這小部分區(qū)域不是本 次分析的重點，調(diào)整該區(qū)域材料參數(shù)后順利計算出結(jié)果，從位移、速度、加速 度時程圖看出邊坡仍然處于彈性狀態(tài)，放大系數(shù)也改變很小。當(dāng)取o 2 9 后，在 整條卸荷裂隙帶處進入塑性狀態(tài)，邊坡可能失穩(wěn)，建議采取更有效的加固。 關(guān)鍵詞：巖質(zhì)高邊坡，動力響應(yīng)，放大系數(shù)，地震荷載，動力有限元方法 n 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s 仃a c t t h ew a y st oa n a l y z ed y n a m i cs t a b i l i t yp r o b l e mo f r o c ks l o p ec a l lb ec l a s s i f i e da s p s e u d o - s t a t i cm e t h o d sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s a l t h o u g ht h ea c h i e v e m e n t s o fp s e u d o s t a t i cm e t h o d sa r ea b u n d a n ta n dt h e o r e t i c a ls y s t e m sm a t u r e d ，i ts t i l lh a s m a n yo b v i o u sd e f e c t s m e a n w h i l e ，i tb e c a m ear e s e a r c h i n go b s t a c l et h a ta r o u s e d m a n ya t t e n t i o n so ft h es c h o l a r sb e c a u s ep e o p l eu s i n gd y n a m i cf e mt oa n a l y z e d y n a m i ct i m eh i s t o r yp r o b l e m sa r eo n l yaf e wa n da c h i e v e m e n t se v e l ll e s s e r , e s p e c i a l l ya f t e rt h ed i s a s t r o u se a r t h q u a k eo fw e n c h u a n g i tb e c o m e saw i d e l y c o n c e r n e da n da l s ou r g e n t l yt ob es o l v e dp r o b l e mi nb o t hg e o t e c h n i c a la n dg e o l o g i c a l f i e l dt os o l v et h ed y n a m i cr e s p o n s er e g u l a t i o no fr o c ks l o p ei nh o r i z o n t a ld y n a m i c l o a d s t h er e s e a r c h i n gs t a t u sc o n c e r n i n gd y n a m i cp r o b l e m so f r o c ks l o p ei ss u m m a r i z e d ， t h ef a c t o r se s p e c i a l l yf r o me n g i n e e r i n gg e o l o g ya s p e c t st h a tw o u l da f f e c tt h es t a b i l i t y o fr o c ks l o p e su n d e rs e i s m i cl o a d sa r ea n a l y s e d ，t h ep r o c e d u r et oc o n d u c to nf e m a n a l y s i sa n dt h ew a y so fs o l v i n gd y n a m i ce q u a t i o np r o b l e m sa les u m m a r i z e da n d a n a l y z e d i ti sa l s od i s c u s s e di n t h i sa r t i c l et h ed y n a m i cr e s p o n s er e g u l a t i o no fr o c k s l o p eu s i n gf e m ，m u c hm o r ei m p o r t a n ti st h ed i s c u s s i o no ft h er e g i o n a ld i s p a t c h i n g r u l e sa n df e a t u r e so ft h et h r e em a g n i f i c a t i o nf a c t o r ss u c ha sd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o nu n d e rh o r i z o n t a ld y n a m i cl o a d s s o m ei m p o r t a n tr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) o nt h eb a s i so fp r e v i o u sa c h i e v e m e n t s ，t h ei n f l u e n c ef a c t o ro fs l o p e s t a b i l i t yu n d e rs e i s m i cl o a d si sc l a s s i f e da sg e o l o g i c a lb a c k g r o u n d ，c o m b i n a t i o no f t h es t r u c t u r eo fr o c k s l o p ea n dr o c km a s sp r o p e r t i e s ，c o n d i t i o n so ft e r r a i na n d l a n d f o r ma n dh y d r o g e o l o g yc o n d i t i o n t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lm o d e la n d d y n a m i ci n s t a b i l i t ym e c h a n i s mh a v ea l s ob e e nd i s c u s s e d ， ( 2 ) t h ep r o c e d u r eo fc o n d u c t i n gf e ma n dt h em e t h o d st os o l v ed y n a m i c e q u a t i o np r o b l e m si ss u m m a r i z e da n da n a l y z e d d y n a m i ce q u a t i o na n dc o m p u t i n g m e t h o d s ，n o n l i n e a rd y n a m i ce q u a t i o na n dc a l c u l a t i o nm e t h o d s ，e l e m e n tt y p e e m p l o y e di n as l o p es t a b i l i t ya n a l y s i su n d e rs e i s m i cl o a d sa n dd pe l a s t o p l a s t i c c o n s t i t u t i v er e l a t i o n sa n dy i e l de r i t e r i o na lea l s od i s c u s s e d i i i 武漢理j r 大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 3 ) t h ei n f l u e n c ep a t t e no fv i s c o e l a s t i c i t yb o u n d a r yd e m e n t sa n dr a y l e i g h d a m p i n gu n d e rd y n a m i ce q u a t i o no f r o c ks l o p ea r ed i s c u s s e d t h ef o l l o w i n gr e s e a r c h h a db e e nd o n e ：t h ei n f l u e n c eo fb o u n d a r ys e t t i n gi sd i s c u s s e d i tb l r n so u tt h a t w h e nv i s c o e l a s t i cb o u n d a r yp a r a m e t e r sa r ep r o p e r l yc h o s e na n dac e r t a i nd i s t a n c e f r o mt h eb o u n d a r yk e p t ，b o u n d a r yh a sl i t t l ee f f e c to nc a l c u l a t i o nr e s u l t s m i n f l u e n c eo fr a y l e i g hd a m p i n gi sd i s c u s s e d ，i tt u r n so u tt h a tr a y l e i g hd a m p i n gh a sa p r o m i n e n ti n f l u e n c eo nt h er e s u l t s ( 爹t h ei n f l u e n c eo fd pe l a s t o p l a s t i cc o n s t i t u t i v e r e l a t i o n sa n dy i e l dc r i t e r i o ni sd i s c u s s e d w h e nd ph a sb e e nu s e di nm a t e r i a l ，t h e m a g n i f i c a t i o nf a c t o r sa r el e s st h a nl i n e a re l a s t i co n e w h e ne l a s t i cm o d u l u so f m a t e r i a li s r e d u c e d ，t h em a g n i f i c a t i o nf a c t o r si n c r e a s e d t h ed u r a t i o nt i m e ， f r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo fl o a d sa f f e c t st h em a g n i f i c a t i o nf a c t o r sa l o t ( 4 ) 1 1 1 ed y n a m i cr e s p o n s eo far o c ks l o p ei ns o u t h w e s t e r nc h i n au n d e rs e i s m i c l o a d sa r ea n a l y z e d ，a n ds o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sd e r i v e d v i s c o e l a s t i c i t yb o u n d a r y e l e m e n t sw h i c ha r eu s e di ns i m u l a t i o no fr o c ks l o p e so fd y n a m i cr e s p o n s e t h e m a g n i f i c a t i o nf a c t o r sa l el e s sw h e nd - pi su s e da n dw h e nt h ed i s p l a c e m e n t sa r ef e w , d - pt a k eal i t t l ee f f e c t i o no nm a g n i f i c a t i o nf a c t o r s p r o p o r t i o nm o d i f i c a t i o ni n e l - c e n t r oe a r t h q u a k ew a v e s ，0 1 島o 12 9 , 0 15 9a n d0 2 9a r ec h o o s e ni nb e d r o c k p e a ka c c e l e r a t i o n w h e no 1ga n do ，12 9a r ec h o o s c n ，t h ew h o l es l o p ei si ne l a s t i c s t a t ea n dm a g n i f i c a t i o nf a c t o r sa r ec l o s e d w h e nt h e r ea r es m a l lr e g i o n si np l a s t i c w h i c ha r en o ti m p o r t a n tw h e no 15 9i sc h o o s e n s op a r t so fp a r a m e t e r sa r em o d i f i e d a n dt h ew h o l es l o p ei ss t i l li ne l a s t i c ，m a g n i f i c a t i o nf a c t o r sa r ec l o s e di nr e s u l t s u n l o a d i n gc r a c k si si nh u g ed i s p l a c e m e n ta n di ti si n s t a b i l i t ya n ds o m er e i n f o r c e m e n t m e a s u r e sa r ea d v i s e d k e yw o r d s ：r o c ks l o p e ，d y n a m i cr e s p o n s e ，m a g n i f i c a t i o nf a c t o r s ，e a r t h q u a k el o a d s ， d y n a m i cf e m i v 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。 盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰 寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過 的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并 表示了謝意。 簽名： 學(xué)位論文使用授權(quán)書 本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 武漢理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、 縮印或其他復(fù)制手段保存或匯編本學(xué)位論文。同時授權(quán)經(jīng)武漢理工大學(xué)認(rèn)可的國家有關(guān) 機構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學(xué)位論文，并向社會公眾提供信息服務(wù)。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 研究生( 簽名) ：導(dǎo)師( 簽名) ： 期：掣 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 邊坡動力問題的研究背景 邊坡，包括天然斜坡和人工邊坡，是地球表面具有露天側(cè)向臨空面的地質(zhì) 體0 , 2 , 3 1 。邊坡的穩(wěn)定和變形問題是工程地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)和土力學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典 命題之一。從荷載的角度來講，有靜荷載和動荷載之分。邊坡所受到的動力荷 載主要有地震荷載、爆破荷載和機械振動荷載幾種。造成破壞最多、最大的當(dāng) 屬地震荷載。 1 9 3 3 年8 月2 5 日四川疊溪7 5 級地震造成許多滑坡，其中疊溪臺地和教場 壩等大滑坡阻塞岷江，形成4 個堰塞湖，4 5 天后湖壩決口，高達(dá)6 0 m 的水頭澎 湃而下。這次地震造成6 8 0 0 人死亡，使沿江兩岸居民受到一次浩劫 4 1 。2 0 0 8 年5 月1 2 日發(fā)生的四川汶川特大地震是新中國成立以來破壞性最強、波及范圍 最廣、救災(zāi)難度最大的一次地震，震級達(dá)里氏8 級，最大烈度達(dá)1 1 度，余震3 萬多次，涉及四川、甘肅、陜西、重慶等1 0 個省區(qū)市4 1 7 個縣( 市、區(qū)) 、4 6 6 7 個鄉(xiāng)( 鎮(zhèn)) 、4 8 8 1 0 個村莊。災(zāi)區(qū)總面積約5 0 萬平方公里、受災(zāi)群眾4 6 2 5 萬多人， 其中極重災(zāi)區(qū)、重災(zāi)區(qū)面積1 3 萬平方公里，造成6 9 2 2 7 名同胞遇難、1 7 9 2 3 名 同胞失蹤，需要緊急轉(zhuǎn)移安置受災(zāi)群眾1 5 1 0 萬人，房屋大量倒塌損壞，基礎(chǔ)設(shè) 施大面積損毀，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遭受重大損失，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，直接經(jīng)濟 損失8 4 5 1 億多元，引發(fā)的崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等次生災(zāi)害舉世罕見。 我國是一個多地震的國家，歷史上曾經(jīng)發(fā)生許多次強烈地震，目前正處于 地震活躍期。根據(jù)中國地震目錄及其他研究文獻(xiàn)記載，僅從公元前7 8 0 年 到1 9 9 2 年，在我國境內(nèi)共發(fā)生震級大于4 7 級的地震就超過5 1 4 2 次，地震觸 發(fā)的滑坡和崩塌數(shù)以千計【5 】。表1 1 列出了我國地震滑坡、崩塌災(zāi)害的典型事 例。 武漢理工大學(xué)碩十學(xué)位論文 表1 1 我國地震滑坡災(zāi)害典型事例 時間( 年月日)地震位置 引發(fā)滑坡現(xiàn)象及后果 甘肅通渭筆架山崩塌、山地土山多崩、 山崩致死傷4 0 0 0 0 余人， 1 7 1 9 0 6 1 9掩埋永寧全鎮(zhèn)及扎辛留一 南甘谷北山南移 部分，死傷3 0 0 0 余人 海原縣一個長達(dá)0 3 k i n 的山 體完全崩塌，西吉和同原一 村莊崩倒、河床完全被壅 帶的清水河與葫蘆河的分水 塞；在面積約2 5 0 k m2 余的 1 9 2 0 1 2 1 6寧夏海原 嶺地區(qū)黃土滑坡十分普遍， 黃土地區(qū)發(fā)生流動滑坡， 甘肅靜寧西部到會寧東面幾 據(jù)估計，死于誘發(fā)滑坡的 十公里范圍內(nèi)，大型滑坡崩 人數(shù)高達(dá)l o 余萬人，占這 次死亡總?cè)藬?shù)的一半有余 塌有幾十處 在疊溪周圍1 5 k m 范圍內(nèi)，滑 疊溪千年古城被毀，5 0 0 余 19 3 3 0 8 2 5四川疊溪 坡和崩塌導(dǎo)出可見，原有地 人喪生；岷江兩岸山崩堵 江成湖，4 5 天后潰決，造 貌完全改變 成6 8 0 0 人死亡 滑坡堵江、崩塌后死于水 1 9 5 0 0 8 1 5西藏察隅大量滑坡和崩塌 災(zāi)者為地震本身的3 倍以 上 木桿河、溪河、丁木河等陡滑坡堵江、崩塌造成的損 1 9 7 4 0 5 1 1云南昭通峭河谷的兩岸發(fā)生大面積的 失約占此次地震總損失的 崩塌、滑坡4 0 一5 0 房屋大量倒塌損壞，基礎(chǔ)設(shè) 施大面積損毀，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 引發(fā)的崩塌、滑坡、泥石 2 0 0 8 5 1 2四川汶川流、堰塞湖等次生災(zāi)害舉 遭受重大損失，生態(tài)環(huán)境遭 世罕見 到嚴(yán)重破壞 國外也有大量的地震滑坡實例。1 9 7 0 年5 月3 1 日秘魯?shù)卣? 面波震級 m 。= 7 7 ) ，絕大多數(shù)人員傷亡是由于滑坡和崩塌造成的，瓦斯卡蘭山( n e v a d o s h u a s c a r a n ) 滑坡埋葬了1 8 萬人 6 1 。 1 9 1 1 年發(fā)生在塔吉克斯坦境內(nèi)的地震形成了一個庫容達(dá)1 1 億m 3 的s a r e z 湖，滑坡體積2 2 億m 3 ，天然壩長2 k r n ，高6 0 0 m ，這一壩高遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出人類建造 的土石壩的世界記錄 7 1 。 日本1 9 5 5 年發(fā)生的阪神地震導(dǎo)致5 5 0 0 余人喪生，直接導(dǎo)致經(jīng)濟損失1 0 0 0 億美元。由地震觸發(fā)的滑坡則是這次造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失的主要原因。 仁川滑坡是規(guī)模最大的一個，該滑坡摧毀了1 1 座房屋，掩埋了3 4 人，其體積 為2 0 萬m 3 【引。 我國是一個多山的國家，山地約占國土面積的2 3 ，有大量的自然邊坡；同 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 時由于西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，西南和西北許多重大水利水電工程正在建設(shè)中 或處在論證階段。這些重大水利水電工程均建于高山峽谷區(qū)，邊坡極為高陡， 以錦屏一級水電站高邊坡為例，自然邊坡高達(dá)1 3 0 0 m 余。我國西部由于受印度 板塊和亞歐板塊的碰撞影響，青藏高原快速隆起，區(qū)域地質(zhì)背景復(fù)雜、地震活 動頻繁、復(fù)雜高邊坡的動力問題極為突出。 由于靜荷載和動荷載的不同特點，邊坡在動力荷載和靜荷載作用下其變形 和破壞形式是不同的。相對于邊坡的靜力問題而言，邊坡動力問題更為復(fù)雜， 而且遠(yuǎn)未得到應(yīng)有的研究。邊坡動力問題的復(fù)雜性表現(xiàn)在以下幾個方面： ( 1 ) 相對于靜力問題來講，動力問題本身要復(fù)雜許多； ( 2 ) 邊坡動力問題的研究散步在各個不同的領(lǐng)域，它涉及巖土力學(xué)、工程 地質(zhì)學(xué)、地震學(xué)、振動學(xué)、地球物理學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、地震工程學(xué)，涉及的學(xué) 科范圍極為廣泛； ( 3 ) 巖土體動力學(xué)的研究很晚，特別是巖體動力學(xué)的研究； ( 4 ) 動力試驗條件苛刻，試驗設(shè)備復(fù)雜、昂貴； ( 5 ) 邊坡動力問題可驗證的實例太少。 以上幾個因素是制約邊坡動力問題研究的主要原因。國內(nèi)外關(guān)于邊坡動力 反應(yīng)規(guī)律的研究尚不成熟，開展邊坡動力反應(yīng)及穩(wěn)定性分析和研究不僅具有重 要理論意義，而且具有重大實用價值。 目前巖土體的動力問題己經(jīng)成為巖土力學(xué)界、工程地質(zhì)學(xué)界、地震工程學(xué) 界的研究熱點之一。國內(nèi)外的地震學(xué)者、地質(zhì)學(xué)者、巖土力學(xué)工作者做了大量 的工作，取得了一些可喜的成果。 1 2 邊坡動力響應(yīng)問題的研究現(xiàn)狀 最早研究邊坡動力問題的領(lǐng)域是土力學(xué)領(lǐng)域，當(dāng)時是為了解決土石壩和堤 壩在地震作用下的穩(wěn)定性問題。在早期的關(guān)于土壩地震設(shè)計方法中人們往往錯 誤地假定壩坡是絕對剛性體，因而分析方法也采用擬靜力法( p s e u d o s t a t i c a p p r o a c h ) 。雖然現(xiàn)在我們知道土壩是變形體而非剛性體，它們對地震的反應(yīng)決 定構(gòu)成它們的材料、幾何形態(tài)以及地基運動特點，但是早期對于這點的認(rèn)識則 來自于試驗 9 , 1 0 1 和地震期間壩坡的反應(yīng)【l 。 m o n o n o b eha 【1 2 】等最早認(rèn)識到壩坡是變形體，從變形體的角度研究了土質(zhì) 邊坡的動力反應(yīng)，并且第一次提出了一維剪切楔法的模型，開創(chuàng)了剪切楔法分 析邊坡地震反應(yīng)分析的先河。然而，直到2 0 年后，由于h a a t a n a k a 和a m b r a s e y s 的工作【1 3 1 4 l5 1 6 】，這個模型的意義才被人們重新認(rèn)識并得到工程界的認(rèn)可。后來 3 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 的很多學(xué)者對一維剪切楔法進行了改進，把剪切楔法推廣n - 維、三維的情形 下。 2 0 世紀(jì)6 0 - 7 0 年代，剪切楔模型被用來解釋足尺( f u l ls c a l e ) 震動試驗，指導(dǎo) 參數(shù)研究用以設(shè)計“地震系數(shù)”【l7 1 ，并且第次相當(dāng)成功地用b o u q u e t 壩的足尺 振動試驗來驗證剪切楔模型【1 8 】。 隨著地震反應(yīng)分析方法取得實質(zhì)性進展，2 0 世紀(jì)6 0 7 0 年代更多的注意力 集中到發(fā)展可靠的步驟和標(biāo)準(zhǔn)來評價強震期間土壩的穩(wěn)定性和安全性。擬靜力 法由于本身的缺陷顯然無法勝任。為了解決這一問題，n m n e w m a r k 1 9 】提出了 著名的有限滑動位移法，該法根據(jù)潛在變形來評價土壩壩坡的動力穩(wěn)定性。nm n e w m a r k 注意到無論什么時候只要左右在潛在滑體上的慣性力超過了它的屈服 力，滑動便發(fā)生；當(dāng)慣性力改變方向時，滑動停止甚至向回滑動。這個著名的 方法隨后被廣泛應(yīng)用并且被多次改進1 2 0 。 目前對于土壩穩(wěn)定性評價，只需要比較平均水平的加速度時程和潛在的屈 服加速度。前者可以通過平面應(yīng)變或剪切楔法模型分析得到，而后者則采用不 排水強度用擬靜力法計算得到。假定只要誘發(fā)加速度超過屈服加速度，永久變 形就會產(chǎn)生，并且這種變形可以簡單地通過雙重積分來進行估計。盡管這個方 法有很多的缺陷，但是只要能夠可靠的確定土的屈服加速度，并且土的屈服加 速度在一個地震過程中沒有任何明顯的隨時間變小的現(xiàn)象，這種方法就非?？?行。緊密的黏土、干砂和非常密的飽和砂土都屬于這一類。因為在循環(huán)加載過 程中，它們不經(jīng)歷明顯的孔隙水壓力增加，它們的不排水靜抗剪強度保持不變。 令人遺憾的是用這類土構(gòu)成的土壩在經(jīng)歷強震后無明顯的穩(wěn)定性問題，因此基 本上不需要進行穩(wěn)定性分析1 2 1 。相反，那些由松砂或者中密飽和砂土填筑的大 壩由于孔隙水壓力的累積和隨之而來的液化則產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞，這就向壩坡 穩(wěn)定性評價方法提出了挑戰(zhàn)。 為了估計這種類型壩坡的地震穩(wěn)定性，hbs e e d t 2 2 1 和他的合作者們發(fā)展了 一種新的分析方法。這個方法包括以下幾步：利用有限單元法分析初始壩坡 的靜態(tài)應(yīng)力分布；確定作為應(yīng)變函數(shù)的土的參數(shù)，諸如，土的剪切模量、泊 松比和阻尼；利用平面應(yīng)變有限元和步驟；確定土的動力性質(zhì)，計算由地 面運動激發(fā)的應(yīng)力；利用室內(nèi)試驗估算孔隙水壓力的生成及其導(dǎo)致的力學(xué)強 度降低和潛在應(yīng)變發(fā)展；利用邊坡分析和半經(jīng)驗方法把潛在應(yīng)變變成一系列 的相容變形。根據(jù)這些相容變形在大壩中的大小和分布來判斷邊坡穩(wěn)定性，應(yīng) 用此方法對幾例由于液化導(dǎo)致破壞的大壩邊坡包括著名的s h e 伍e l d 和l o w e r s a nf e r n a n d o 大壩( 其中幾例發(fā)生了大變形) 所做的解釋，得到了美國幾個負(fù) 責(zé)土壩安全的機構(gòu)如加利福尼亞水資源局、工程師師團以及國際大壩委員會的 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 承認(rèn)。后來的研究者們對這個方法進行了應(yīng)用并對其潛在的缺陷進行了討論 2 3 2 4 2 5 2 6 1 。歸納起來有一下兩點：關(guān)于液化定義的異議，液化是指室內(nèi)循環(huán)試 驗時峰值孔隙水壓力比超過1 0 0 或瞬間永久應(yīng)變超過5 ；用來估計液化勢 的固結(jié)試樣，應(yīng)力控制的不排水循環(huán)三軸各向異性固結(jié)試樣。 進入2 0 世紀(jì)8 0 年代，大量的文獻(xiàn)集中在改進，拓展和驗證6 0 年代發(fā)展起 來的土壩地震反應(yīng)預(yù)測上面。通過參數(shù)研究來闡明諸如峽谷幾何形態(tài)、材料的 不均勻性等因素的重要性，進而產(chǎn)生了幾種改進分析模式。前面提到的s e e d 方 法重新被應(yīng)用，并且結(jié)合新的試驗手段試圖發(fā)展另一種方法來解決這一巖土工 程界的地震工程界的著名命題。8 0 年代末期，g g a z c t a s 對1 9 8 7 年、1 9 9 2 年 以前發(fā)表的有關(guān)土石壩壩坡地震反應(yīng)分析的英文文獻(xiàn)進行了綜述，并提出一種 非線性非彈性( n o n l i n e a r - i n e l a s t i c ) 分析方法。 在對壩坡的地震反應(yīng)研究中，入們漸漸注意至4 許多不確定性因素，如與地 震和地質(zhì)場地因素相關(guān)的不確定因素、地基和壩體材料的剛度以及力學(xué)強度甚 至包括分析方法。為考慮這些不確定性因素，概率方法被引入。mk y e g i a n 2 8 , 2 9 較早將概率的方法引入壩坡的動力分析，他提出了用概率的方法分析壩坡的地 震危險性和估算邊坡( 包括壩坡) 在地震作用下的永久位移。r vh a l a t c h e v m 】 提出了種用于堤壩和邊坡穩(wěn)定性分析的概率方法，該方法建立在s a n n a 解的 基礎(chǔ)上，考慮了地震力的水平和垂直分量，即地震力具有任意傾角；土體剪切 強度參數(shù)假定為正態(tài)分布采用m o n t e - c a r l o 模擬：破壞概率由地震系數(shù)確定；將 地震系數(shù)視作一個隨機量，并將其應(yīng)用于露天煤礦邊坡分析。asa 1 h o m o u d 【3 1 】 等利用安全系數(shù)和邊坡破壞的臨界位移提出了地震力作用下土體邊坡和堤壩的 概率三維穩(wěn)定性分析模型，考慮了如下的不確定因素：實驗室和現(xiàn)在所測的剪 切強度參數(shù)值存在差異的不確定性，空間上變化以及土參數(shù)間的關(guān)系，提出了 5 個基于極限值下的非超越概率地震位移概率模型以及基于安全系數(shù)的三維動 力邊坡穩(wěn)定分析的概率模型，并編寫了p t d d s s a 計算機程序。將這些模型應(yīng) 用于受不同程度地震災(zāi)害的著名滑坡s e l e c tl a n d s i d e 中，發(fā)現(xiàn)震源距離和震級對 地震引起的位移、破壞概率( 即位移允許超越概率) 、二維和三維安全系數(shù)影響 很大， 在我國，研究土石壩壩坡的工程開始于2 0 世紀(jì)6 0 年代，并取得一系列成 果。徐志英、沈珠江、朱健、吳世明等發(fā)展了基于黏彈性本構(gòu)關(guān)系的動力有限 元法。徐志英 3 2 1 提出了三角形河谷內(nèi)土壩三維動力分析的剪切楔法，并對美國 的奧羅維爾土壩進行了簡化分析。黃茂松【3 3 】發(fā)展了自適應(yīng)的有限單元法并將之 用于對美國l o w e rs a nf e m a n d o 土壩的分析。黃健梁【3 4 】等借用s a n h a 法，進行 了地震穩(wěn)定性的動態(tài)理論分析，在文中推導(dǎo)了同時考慮水平和鉛直地震動的坡 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 體i 臨界加速度計算公式，采用條分技術(shù)針對任意形態(tài)的坡體建立了根據(jù)水平和 鉛直地震加速度時程估計坡體時程的加速度、速度和位移時程的方法，討論了 地震加速度時程的確定問題，地震過程中坡體抗滑強度的衰減問題和孔隙的動 態(tài)響應(yīng)問題以及坡體地震穩(wěn)定性的評價問題，但是他忽略了地震過程中孔壓和 各條塊應(yīng)力之間的關(guān)系是耦合關(guān)系，因此并沒有解決孔壓的動態(tài)響應(yīng)問題。王 家鼎【3 習(xí)探討了地震作用下黃土斜坡的動力穩(wěn)定性和變形問題，提出了地震誘發(fā) 高速黃土滑坡的機理黃土體解體、斜拋和粉塵化效應(yīng)，推導(dǎo)了黃土滑體斜 拋運動的全過程及滑速、滑距公式。薄景山【3 6 】建立了計算土質(zhì)邊坡地震反應(yīng)及 評價其動力穩(wěn)定性的一個數(shù)值分析模型?？讘椌? 7 1 用剪切楔法研究了土石壩和 地基以及混凝土面板堆石壩的地震反應(yīng)。 近年來，由于環(huán)境問題日益受到重視，城市廢棄物邊坡的動力問題成為邊 坡動力問題研究的一個新的內(nèi)容。城市固體廢棄物由于其本身的特點而區(qū)別于 前面我們討論的邊坡。從地震穩(wěn)定性的角度來看最顯著的特點是它們一般具有 較大的尺度、相對軟弱的物質(zhì)組成以及其中存在織物體系。例如，位于美國南 利福尼亞州e a g l e 山脈的垃圾場，體積可達(dá)5 1x 1 0 8r n 3 ，形成的邊坡高度達(dá)到 3 5 0 m 。很顯然，這樣尺度的邊坡再加上相對軟弱的物質(zhì)構(gòu)成使得它們的自振周 期要遠(yuǎn)大于一般的自然邊坡和人工邊坡【3 引。 由于垃圾含有各種各樣的物質(zhì)，因此要確定它們的材料屬性及其困難。對 地震穩(wěn)定性評價來說，最重要的參數(shù)包括垃圾以及織物的力學(xué)強度、垃圾的剛 度和阻尼特性。ss i n g h 和bm u r p h y t 3 9 l 利用摩爾庫倫理論來研究垃圾的屬性， 他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)摩擦角矽取為0 。時，內(nèi)聚力c 介于3 5 1 0 0 k p a ，反之如果內(nèi)聚力取 為0 時，摩擦角介于2 6 。3 9 。ek a v a z a n j i a n t 加】等曾建議當(dāng)正應(yīng)力低于3 0 k p a 時，內(nèi)摩擦角可以取為o 。，內(nèi)聚力可以取為2 4 k p a ；而當(dāng)高正應(yīng)力情況下，可 以取內(nèi)聚力為0 ，而取內(nèi)摩擦角為3 3 。當(dāng)然，由于垃圾組成及其復(fù)雜、場地條 件千變?nèi)f化，再加上織物體系的幾何形態(tài)和力學(xué)強度變化的影響，要想精確了 解垃圾的屬性是不可能的。 1 9 8 8 年位于加利福尼亞州k e t t l e m a n 山脈的垃圾清理場失事后，織物與垃圾 之間界面的力學(xué)強度引起了學(xué)者們的注意，他們p l 蚓用大型抗拔試驗、大型直 剪試驗以及大型扭剪試驗來研究織物的強度。試驗結(jié)果表明，由于組成材料的 差異，力學(xué)強度有一定的離散，最小的內(nèi)摩擦角為5 。面。在高正應(yīng)力下，織 物與垃圾之間界面的強度甚至更低。室內(nèi)的試驗則沒有發(fā)現(xiàn)界面的動、靜強度 有很大差別。 對南加利福尼亞州某垃圾填埋場的地震發(fā)射試驗表明：垃圾的平均剪切波 速為2 4 4 m s 。對2 0 世紀(jì)5 0 年代投入使用的某垃圾場，用跨孔法和單孔法測試 6 武漢理丁大學(xué)碩士學(xué)位論文 得到的剪切波速為2 0 0 m s 、2 7 4 m s 。k a v a z a n j i a n 一刮利用s a s w ( 表面波測試) 法測試了原位固體廢棄物的剪切波速，結(jié)果表明剪切波速在表面大約為9 0 m s ， 在深度為2 0 m 處的新近填埋、不太緊密的垃圾，其剪切波速大約為1 6 0 m s ，而 那些較早填埋的密實的垃圾，其剪切波速是那些新近填埋垃圾的兩倍。直接測 量垃圾阻尼特性的手段還沒有，阻尼的性質(zhì)通常認(rèn)為和腐殖質(zhì)或者黏土和腐殖 質(zhì)的混合物類似。關(guān)于o i i 垃圾場動力響應(yīng)研究表明垃圾的阻尼要比典型的黏 土的大，而比腐殖質(zhì)的小。 我國學(xué)者王思敬 4 4 , 4 5 較早研究了巖體邊坡的動力問題。他和他的合作者們 進行了一系列研究，并取得了以下主要成果：通過振動模擬試驗探索了塊體 運動時滑動面的摩擦特性，研究了塊體運動時滑動面上摩擦特性的變化，指出 由靜止到運動時啟動摩擦力和加載波形曲線有關(guān)，即受加載速率或振動頻率的 影響；塊體開始運動后，懂摩擦系數(shù)則與相對運動速度及累積位移有關(guān)。應(yīng) 用振動臺和加速度測量系統(tǒng)，測得滑動面在塊體運動時的動摩擦系數(shù)及其與運 動速度的關(guān)系曲線。建立了邊坡塊體運動的動力微分方程，通過數(shù)值積分求 得塊體滑動的動力學(xué)特征，即塊體運動加速度和塊體相對基巖的運動加速度、 運動速度和位移曲線。討論了動力穩(wěn)定評價準(zhǔn)則，指出常規(guī)準(zhǔn)動態(tài)穩(wěn)定分析 的應(yīng)用條件及動態(tài)穩(wěn)定( 包括允許位移和動力失穩(wěn)) 的評價方法，并說明了基 巖振動加速度可以超過極限加速度值而不一定導(dǎo)致動力失穩(wěn)，但可能產(chǎn)生一定 的最終位移。對巖質(zhì)邊坡中楔形塊體作了動力分析，推導(dǎo)了一組相應(yīng)的動力 平衡公式，編制了計算程序。進行了層狀邊坡巖體滑動穩(wěn)定的三維動力學(xué)分 析，建立了塊體運動的三維動力學(xué)方程，并探討了層狀邊坡各層間的穩(wěn)定性。 1 9 8 7 年，王存玉m 1 在二灘拱壩動力模型試驗中發(fā)現(xiàn)，巖石邊坡對地震加速 度不僅存在鉛直向的放大作用，而且還存在水平下的放大作用。何蘊龍等通過 動力有限元法發(fā)現(xiàn)了“巖石邊坡的地震動力系數(shù)并不隨著坡高增高而單調(diào)增 大”，并且得出了“約坡高1 0 0 m 時坡頂最大動力系數(shù)達(dá)到最大值，坡高超過1 0 0 m 動力系數(shù)反而有所降低。但總的來說，巖石邊坡動力系數(shù)對坡高的變化是不敏 感的，在工程常見的坡高范圍內(nèi)邊坡動力系數(shù)的變化是不大的”的結(jié)論，并基于 次提出了巖質(zhì)邊坡地震作用的近似算法。清華大學(xué)研究過龍羊峽和二灘工程巖 石壩肩動力特性及地震反應(yīng)加速度，對庫岸邊坡進行了有限元動力計算和模型 試驗，長江科學(xué)院采用有限元法研究了三峽船閘高邊坡的地震穩(wěn)定性。祁生文 一等利用f l a c ，通過大量數(shù)值模擬，繪制了邊坡動力反應(yīng)的位移、速度、 加速度三量在邊坡剖面上分布的一般規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了兩種不同的邊坡動力反應(yīng)規(guī) 律。 薛守義【4 8 】博士較為系統(tǒng)地分析和總結(jié)了前人對巖體邊坡動力穩(wěn)定性所做的 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 零星工作，結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)思想，將巖體變形破壞機制分為滑動、崩塌、塑性變 形和層體彎折等4 種主要類型和若干亞類，并指出了各種情況下所需選用的動 力分析方法，將巖體邊坡穩(wěn)定性分析模型歸納為巖體地質(zhì)模型、力學(xué)模型和幾 何模型3 類。在振動模型研究的基礎(chǔ)上，分析了巖體振動的力學(xué)效應(yīng)，發(fā)展推 導(dǎo)了楔形體滑動機制下的地震滑動位移分析公式，編制了相應(yīng)計算程序。在振 動單剪儀上，進行了小浪底原狀泥化夾層的動力特性試驗研究，取得了泥化夾 層動力特性比較可靠的直接資料。張平博士通過塊體滑動模型試驗研究了動荷 載下邊坡動力反應(yīng)，并得出滑動塊體產(chǎn)生的累積位移不僅與臺面的輸入加速度 大小、荷載頻率和持續(xù)時間有關(guān)，而且還與法向應(yīng)力和坡面傾角有關(guān)，其中坡 面傾角和荷載頻率影響最大。 h il i n g t 4 剛將擬靜力法用于沿節(jié)理面滑動的巖體地震穩(wěn)定性分析中，進行了 地震穩(wěn)定分析和永久位移計算。土耳其學(xué)者h(yuǎn)k u m s a r 蜘等對楔形體的動力穩(wěn) 定性利用模型試驗和理論相結(jié)合的方法進行過一些研究。這一時期很多學(xué)者進 行了節(jié)理巖體的動力特性試驗研究，深化了對于節(jié)理巖土動力特性的認(rèn)識。 目前由于計算機技術(shù)的巨大發(fā)展之中，多種數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)運而生并成功 應(yīng)用于動力分析。主要的數(shù)值模擬技術(shù)有：有限單元法、有限差分法、離散單 元法，拉格朗日元法、非連續(xù)變形分析方法、流形元法、無界元法以及幾種半 解析元法【5 1 l 。 數(shù)值法引入土體反應(yīng)分析始于2 0 世紀(jì)6 0 年代。rwc l o u g h 和ak c h o p r a t 5 2 l 第一次把有限元法引入分析壩坡的地震反應(yīng)問題。隨后，兩例有限差分研究較 早地注意了無限長壩坡在垂直入射s 波作用下的動力反應(yīng)問題。7 0 年代以來， 有限單元法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于土體的動力反應(yīng)分析中。在文獻(xiàn)中也出現(xiàn)了大 量的計算程序，其中代表性的有美國加州大學(xué)b e r k e l e y 分校地震工程研究中心 的q u a d 4 、l u s h 、f l u s h 和t l u s h ，加拿大b r i t i s hc o l u m b i a 大學(xué)的t a r a ， 英國威爾士大學(xué)s w a n s e a 分校的d i a n a 和a w a n d y n e 以及美國p r i n c e t o n 大 學(xué)的d y n a f l o w 等。從基本平衡方程的分類看，q u a d 4 、l u s h 、f l u s h 、 t l u s h 和t a r a 是基于單介質(zhì)動力學(xué)方程的，而d i a n a 、a w a n d y n e 和 d y n a f l o w 是基于飽和多孔介質(zhì)動力學(xué)方程的。 2 0 世紀(jì)8 0 年代發(fā)展起來的飽和多孔介質(zhì)動力分析程序p 川d i a n a 、 a w a n d y n e 和d y n a f l o w 均采用理論比較嚴(yán)密的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，此類程 序可以統(tǒng)稱為排水有效應(yīng)力法程序。作為一種簡化的排水有效應(yīng)力方法，也可 以采用t e z a g h i 固結(jié)理論來考慮孔隙水壓力的消散和擴散作用。 土體動力分析有限單元法的總體思路和靜力情況基本一樣，不過由于荷載 與時間有關(guān)，相應(yīng)的位移、應(yīng)變、和應(yīng)力都是時間的函數(shù)，因此在建立單元體 8 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 的力學(xué)特性時，除靜作用力外還需考慮動荷載以及慣性力和阻尼力的作