[发明专利]一种地震荷载作用下三维边坡稳定性预测方法

说明书

技术领域

本发明属于地质灾害防控技术领域，具体涉及一种地震荷载作用下三维边坡稳定性预测方法。

背景技术

我国属地形地貌极为复杂的国家，也是一个多山的国家，尤其是我国西南地区以及东南沿海的福建、广西、广东和海南等地。在过去的几百年里，发生过多起特大型滑坡事件。特别是随着国民经济的发展，大量铁路、公路、水利、矿山和城镇等设施的修建，特别是在丘陵和山区建设中，人类工程活动中开挖和堆填的边坡数量会越来越多，高度将越来越大。边坡滑坡等地质灾害给受灾区造成巨大地经济损失和重大的人员伤亡。尽管在过去的一百年里，人们对边坡稳定性的数值方法研究已有长足的发展，但是在地震荷载作用下的三维边坡稳定性智能预测方法还有不足。

三维边坡在地震荷载的作用下，应该是一种运动力的作用过程，但是在以前的边坡工程稳定性分析方法中将地震荷载仅仅考虑成一种静力的作用，这无疑忽略了地震荷载的运动力效应，以及三维边坡稳定系的历时变化。例如，“对称边坡三维稳定性计算方法”，朱大勇，丁秀丽，刘华丽，钱七虎，岩石力学与工程学报，第26卷第1期，第22~27页，2007年1月记载了采用极限平衡条分法对三维边坡稳定性进行了分析，其地震荷载仅视为一种静力，无法体现地震对三维边坡的动力作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种地震荷载作用下三维边坡稳定性预测方法，它既能够满足所有力的平衡和绕三个轴的力矩平衡，又能将地震荷载作为运动力的处理，以提高地震边坡稳定性预测的准确性。

为了解决上述技术问题，本发明的地震荷载作用下三维边坡稳定性预测方法包括以下步骤：

步骤1、选定具体待预测的滑坡体，确定三维滑面形状及滑坡体几何尺寸；三维滑面分为滑裂面和边坡表面，将滑裂面和边坡表面用方程表示；边坡表面的参数有边坡斜面在水平面上的投影长度l，边坡斜面在竖直方向上的投影长度H；滑裂面的参数依据实际几何形状确定，确定岩土材料的强度参数粘聚力c和内摩擦角φ以及泊松比μ；水平和竖直方向地震加速度分别为a_h(z,t)和a_v(z,t)，水平和竖直方向的地震加速度系数分别为k_h和k_v，重力加速度为g，地震波的角速度为                                                ，其值为，式中T为地震波的周期，横向和纵向地震波在岩土材料中的传播速度分别为v_s和v_p，地震波在岩土材料中的放大系数f。

步骤2、将三维滑坡体离散化，三维滑坡体被垂直离散为行和列条柱，每个条柱按所在的行号和列号定义为；假定行方向的条柱间作用力与水平面夹角为±α，假定列方向的条柱间作用力与水平面夹角为±β；

步骤3、建立地震荷载作用下三维边坡稳定性预测的方程组，由方程组求解得到三维边坡稳定系数Fs的历时数据；

步骤4、根据稳定系数的历时情况，并搜索在地震荷载作用下边坡的最不利情况，判断最不利情况下稳定系数是否大于所设定的边坡稳定性临界值，若大于临界值，则该三维边坡稳定。若小于临界值，则该三维边坡不稳定。还可以计算得到定系数的历时图和地震作用下边坡的最大、最小和平均稳定系数。

上述步骤3中，建立地震荷载作用下三维边坡稳定性预测的方程组包括以下步骤：

    步骤1）、确定每个条柱底面法向力和剪切力的方向：

    步骤2）、每个条柱引入沿三个轴向地震荷载的地震力，和；

    步骤3）、根据三个轴向力的平衡方程，解出条柱底面的法向力N^i,j和剪切力S^i,j；

    步骤4）、将法向力N^i,j和剪切力S^i,j代入到滑坡体绕三个坐标轴的力矩平衡方程，得到地震荷载作用下三维边坡稳定性预测的方程组；

    步骤5）、通过求解步骤4）中的方程组，得到地震荷载作用下三维边坡稳定系数的历时数据。利用二阶傅里叶级数拟合这组数据，得到稳定系数历时的数学表达式Fs(t)。并且找到最小的三维边坡稳定系数Fs_min。