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地震荷载作用下岩土边坡稳定性分析方法 摘 要综合大量文献，回顾了岩土边坡地震稳定性分析方法的研究成果，将各种分析方法大致分为拟静力法，滑块分析法，概率分析法，数值分析方法以及实验法五类，并对这几种方法作简要评述，指出存在的问题并提出未来的发展方向。 关键词岩土工程，岩土边坡，地震稳定性，进展，分析方法 Seismic Stability uation Of Rock-soils Lopes Gao Wei AbstractComprehensive many papers, and reviewed the slop earthquake stability analysis of research results, The various analytical s are classified into pseudo-static , sliding block analysis , probabilistic analysis , numerical analysis and experimental , This paper briefly uation these , and points out the several problems and puts forward the development direction of the future. Key WordsGeotechnical engineering, Geotechnical slop, seismic stability, progress, analysis 引言 中国位于世界两大地震带环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震断裂带十分发育，是一个地震灾害严重的国家。同时，我国地形地貌复杂的地区，面积大，分布广，高山河谷数量众多，山地面积占国土面积1/4，从而客观上决定了我国有大量的自然边坡。大量的震害调查表明，地震诱发的边坡滑坡是主要的地震灾害类型之一[5]。在山区和丘陵地带，地震诱发的滑坡往往具有分布广、数量多、危害大的特点。例如，2008年5月12日四川发生的里氏8.0级特大地震，诱发了大规模的山体崩塌和滑坡，造成了人畜伤亡、房屋倒塌、堵塞交通，给山区人民生命财产造成了严重损失[6]。 近年来的地震活动表明我国地震活动正趋于活跃，再加上对边坡地震稳定性分析研究还不深入，没有比较成熟可靠的评价方法与标准可遵循，这一点从抗震规范的有关条文能够体现出来。此外，边坡的静力稳定性分析，特别是土质边坡的稳定性分析已经趋于成熟，但是岩土边坡的地震稳定性分析刚刚起步，因此，岩土边坡地震稳定性分析的研究更为迫切和重要。 经过查阅文献，本文将综述关于地震荷载作用下岩土边坡稳定性分析的研究进展，并指出其中存在的问题，提出今后的研究方向。 1 地震荷载作用下岩土边坡稳定性分析方法研究进展 边坡地震反应是指地震所引起的边坡反应，它包括地震动在边坡中引起的加速度、速度、位移和内力等。边坡地震反应分析远比静力分析复杂得多，因为边坡的地震反应不仅与边坡岩土体的动力特性有关，而且与输入地震动的特性密切相关。然而，地震动具有很大的随机性，很难对其进行准确的预测，对边坡岩土体的动力特性的研究主要集中在周期荷载上，事实上，岩土体的动力特性与应力路径密切相关，关于真实地震动作用下的岩土体动力特性的研究刚刚开始。 从考察地震动作用下的边坡地震反应的物理现象出发，以能够体现真实地震动作用下的边坡岩土体的动力行为的物理本质为目标，以数学力学和计算工具的发展为前提，国内外学者们逐渐发展了多种方法，大致可以分为拟静力法、滑块分析法、概率分析方法、数值分析方法和试验法5大类。 1.1拟静力法 拟静力法的质上是将地震动的作用简化为水平、竖直方向的恒定加速度作用， 并施加在潜在不稳定的滑体重心上，加速度的作用方向取最不利于边坡稳定的方向， 将所产生的地震动作用作为水平和竖直方向的拟静荷载因子， 其大小通常用地震系数kh和ky来表示， 数值上等于水平或竖直加速度与重力加速度之比。将地震所产生的惯性力作为静力作用在边坡潜在不稳定滑体上， 根据极限平衡理论， 便可求出边坡的抗震安全系数。这种分析方法实质上与静力稳定性分析完全相同，所采用的方法是由静力稳定分析方法拓展而来的， 只是添加了一个反映地震作用的地震系数， 因而十分简便。 但是，拟静力法虽然比较简单，但也有明显的缺点。其缺点主要来自它的几个假定第一，假定边坡为绝对刚体，地震加速度与边坡加速度一致。第二，认为拟静力不变。第三，认为边坡失稳是唯一的破坏方式并且只有在安全系数小于1的情形下才能发生。实际上边坡是变形体而非刚性体[4]。Seed指出惯性力不是永久不变的，也不是单向的，而是在量级上和方向上有快速的波动，所选用的地震加速度作用于斜坡的时间很短。在此期间产生的变形可能很小，所以即使边坡的稳定系数暂时小于1也不会导致边坡的整体失稳，而只是导致边坡产生一定的永久变形。边坡的变形行为由变形量级而不是拟静力法的稳定性系数控制。拟静力法的另一个严重缺陷在于把传统的边坡失稳看作唯一的潜在边坡破坏模式。实际上其他类型的地震破坏模式已在边坡（坝坡）的破坏调查中观察到。 尽管如此，由于拟静力法简单易行，对于在地震作用下不发生抗剪强度明显降低的土石坝仍然可用。所以，拟静力法一般与动力分析相结合，这样就可以得到理想结果。 1.2 滑块分析法 为改变拟静力法中的不合理现象，1965年Newmark提出用有限滑动位移代替安全系数的思路。根据工程具体情况设定地震作用下的最大容许位移量，当位移小于容许值时是安全的。他指出堤坝稳定与否取决于地震时引起的变形而非最小安全系数；与地震变形直接相关的是应力时程的变化，而非应力的最大值。 标准滑块分析基于如下假定潜在滑动体是完全刚性的；滑块与滑面间是完全塑性应力-应变特性关系；破坏面形状是平面。而实际边坡并非如此。实际边坡动力反应依赖于地质条件、滑动体刚度及输入的幅值和频率[4]。 采用滑块分析法可以计算出地震时滑动土块相对于不动土体可能引起的位移。先针对每一个单波计算出一个开始引起残留位移的振动加速度（对应于使滑动土块的安全系数等于1时振动加速度，称为屈服加速度），然后计算出地震对滑动土块引起的等效最大加速度时程关系，将其和每一个单波动引起的屈服加速度对比，只有在地震加速度大于屈服加速度那个时段内，才能使滑动土块引起残留变形。用这个时段内的两种加速度曲线进行一次积分求出速度曲线，进行二次积分求出位移曲线，则单波引起的残留变形等于此位移曲线的面积。如将地震过程中多个波动所引起的残留变形迭加，则得滑动土块在地震过程中产生的残留位移。当这个数值超过了认为容许的位移量，则判断为不稳定，否则为稳定[8]。 1.3 概率分析法 在地震边坡稳定分析中存在很多不确定因素,如输入地震动的随机性,边坡材料特性的随机性等.在分析中有必要考虑这些随机性,因此出现了地震边坡概率分析方法. Halatchev Rossen A 在1992年提出了一种用于堤坝和边坡地震稳定性分析的概率方法.该方法建立在Sarma解的基础上,考虑了地震力的水平和垂直分量,即地震力具有任意倾角;土体剪切强度参数假定为正态分布采用Monte Carlo模拟;破坏概率由地震系数确定;将地震系数视作一个随机量.并将其应用于露天煤矿边坡分析中. Al-Homoud A S.在2000年利用安全系数和边坡破坏的临界位移提出了地震力作用下土体边坡和堤坝的概率三维稳定性分析模型,考虑了如下的不确定性因素实验室和现场所测的剪切强度参数值存大差异的不确定性;发生地震和地震引起的加速度的随机性.同时还考虑了空间上变化以及土参数间的关系.提出了5个基于极限值下的非超越概率的地震位移概率模型,且提出了基于安全系数的三维动力边坡稳定分析的概率模型.编写了PTDDSSA计算机程序.将这些模型应用于受不同程度地震灾害的著名滑坡Selset landslid中,发现震源距离和震级对地震引起的位移、破坏概率即位移允许超载概率、二维和三维安全系数影响很大[3]。 1.4 数值分析方法 自有限元法用于土坝地震反应分析以来, 特别是后期, 伴随着计算机技术和计算力学的高速发展, 有限元法及其它数值模拟法在边坡地震稳定性分析中获得了深入的研究和广泛的应用。目前, 对边坡地震稳定性分析常采用的数值方法有有限元法、离散元法和快速拉格朗日元法；下面我将主要介绍有限元法的发展历程。 有限元是最早应用于岩土边坡动力分析的。自从Clough和Chop ra采用有限元分析土坝的地震反应以来,有限元法已经在岩土边坡地震反应分析中获得了广泛应用和发展。有限元发展的初期,用线弹性模型表示土的应力应变关系,采用振型叠加法求解运动方程,以后,许多学者从本构模型、计算方法方面不断加以改进。具体而言[9],计算功能已从最早的线性总应力方法,逐步发展为基于非线性有限元基础上的有效应力动力分析方法和采用复杂弹塑性模型并考虑岩土体与水耦合作用的动力分析方法,从只能分析一维问题发展到能够分析二维、三维问题,从只能分析饱和土体发展到能够分析多相非饱和土体。本构模型从早期的线弹性模型发展为粘弹性模型、弹塑性模型、边界面模型、内时模型和结构性模型等。计算方法发展很快,发展了振型叠加法、复反应分析法、行波法和子结构法等。有限元不断发展的过程中,也出现了相应的计算程序,其中具代表性的有加州大学Berkeley分校地震工程中心的QUAD- 4和LUSH等,吴世明对有关的计算程序作了较为系统的总结。值得指出的是,以上方法和程序基本是基于土体小变形发展起来的,而针对岩体进行专门研究的较少[2]。 1.5 试验法 试验是真实边坡的简化缩影, 在满足相似律的条件下, 能够较真实直观地反映岩土边坡的薄弱环节及渐进破坏机理和稳定性程度, 便于直接判断边坡的地震稳定性。就试验手段和原理不同, 可以分为振动台试验和离心机试验两大类。就所查阅的大量文献看, 绝大部分试验的地震动输入为简谐波, 且模型简单, 以实际工程为原型的报道极少针对西北某拟建水利工程的层状结构岩质边坡的破坏机理, 开展了边坡动力稳定性小型振动台模型试验研究, 反映了层状边坡在不同地震动作用下的稳定性状况, 得到了一些有价值的结论[1]。由于这方面的研究开展得少, 因此试验中的相似律等很多问题需要深入研究。 2. 地震边坡稳定研究存在的问题及发展方向 为了能够更好地解决实际工程问题, 就目前的研究成果来看, 关于岩土边坡地震稳定性评价方法的研究仍然存在以下几方面的不足和需要解决的问题 1.对于拟静力法, 对边坡地震系数的确定的研究还不够深入。建议以地震安全性评价所给出的地面地震动峰值加速度为基础, 开展各种具有不同地质构造的边坡的地震动峰值加速度放大系数的分布规律, 以便快速方便地确定地震系数; 2.对于滑块分析法, 已有的成果对孔隙水压考虑得不够合理, 应进一步研究孔隙水压的分析方法; 3.对于概率分析法，现在关于这方面的研究成果还很不成熟，不能满足工程的需要，应大力开展地震稳定性概率分析方面的研究； 4.对于数值分析法, 应继续开展岩土体的动本构模型研究, 发展边坡动态弹塑性大变形计算方法, 以期达到边坡的动态变形评价; 5.对于试验法, 国内外仅展开了极少的、且较为简单的试验,我国西部高烈度区的重大工程比如说金沙江溪洛渡水利枢纽工程尚未经受强震的考验,已有的数值方法由于受岩土体本构模型等的限制难以对工程边坡地震反应做出较为准确的估计,建议结合具体工程背景开展大型振动台试验和离心机试验,为准确预测边坡地震稳定性、验证数值方法的合理性提供可靠的依据。 3.参考文献 [1] 李镜芬.浅谈岩土边坡地震稳定性评价方法研究进展[J].广东科技,200818954-56. 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