地震对边坡稳定性影响分析
侯超群等:地震对边坡稳定性影响分析
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地震对边坡稳定性影响分析
侯超群1,2主晓谋1
石恒俊
(1,长安大学公路学院陕西西安710064;2,合肥工业大学)(四川省交通勘察设计研究院)
摘要从库伦强度理论和土体应力状态两个方面,分析超静孔隙水压力、水平地震力和竖向地震力三个因素对土坡稳定性的影响。分析表明:水平地震力和竖向地震力都会降低土坡的稳定性。土坡的失稳破坏首先从坡顶和坡面开始;地震引起孔隙水压力上升,降低土体强度;在地震边坡稳定性分析时应计入竖向地震力的影响。
关键词地震边坡稳定性水平地震力竖向地震力超静孔隙水压力
1
引言2地震荷载
地震荷载又称地震力,是结构物因地震而受到的
惯性力、土压力和水压力的总称。地震波以纵波和横波的方式在土层中传播。其中,纵波引起结构物竖向震动,横波引起建筑物水平向摆动。大量的震害现象表明水平方向的地震作用是引起边坡破坏的主要原因,因此一般只须考虑顺坡向的水平地震作用旧J。
边坡抗震稳定性分析中较多采用拟静力法来计算地震力。这也是现行有关抗震规范所采用的方法。拟静力法的实质是将大小和方向都随时间变化的地震惯性力,看作是一个不随时间变化的静力荷载施加于土体上,然后用各种稳定性计算方法,算出土坡在地震作用下的安全系数。在条分法计算地震边坡稳定性时,一般采用下式计算土条重心处的水平地震力R
F。=C;・C:・Kh・妒・G。
(1)
大量地震灾害调查表明,地震诱发的边坡滑动是地震灾害主要类型之一。在山区和丘陵地带,地震诱发的滑坡往往具有分布广、数量多和危害大的特点。例如:1960年的智利大地震(M。=8.5),地震造成数以千计的滑坡和崩塌,其中在瑞尼赫湖区发生三次大的滑坡(体积分别为300万m3、600万m3和3000万m3),滑坡堆积于湖中,使湖水上涨24m,湖水溢
出淹没了湖西65km的瓦尔迪维亚城,水深2m;1994年发生在美国Northridge的6.5级地震,触发了
面积超过104km2的11000处滑坡,经济损失高达300亿美元…。
我国大量岩土边坡地震崩塌与滑动主要发生在西部地区,即陕西、贵州、宁夏、四川、云南、甘肃、西藏和新疆等。其中发生边坡地震崩滑最多的为四川和云南两省。辛鸿博等(1999)统计了发生在1216年至1996年间的125次地震及其相应的285例崩塌和滑坡,其中西部地区占75%,相应的崩滑边坡占77%。特别是发生在今年5月12目的汶川大地震,由于震区主要为山岭地貌,地震引发的崩塌、滑坡等次生地质灾害非常多,这也是汶川地震比唐山地震破坏更严重的一个主要原因。据不完全统计,截至5月21日仅汶川和北川两个县城外围就发现200余处崩塌、滑坡。
.
式中c;为重要性修正系数;C。为综合影响系数;砂为水平地震作用沿高度增大系数;K。为该地区的水平地震系数;Gi为第i条土条的自重口J。
近些年竖向地震力的影响逐渐被重视起来。相关研究表明:竖向地震力是客观存在的,特别是在震中区,竖向地震力是造成建筑物破坏的主要因素;工程抗震设计中仅考虑水平地震力影响是不够安全的,应对竖向地震作用产生的破坏予以充分重视H卜旧-。3地震对边坡稳定性的影响
3.1地震对土体强度的影响
土坝、路堤等填方边坡以及天然边坡等的稳定性问题,其实质是反映土体的强度。岩土工程中,土体的强度指的是土体的抗剪强度。对于饱和状态土,由于土中的水不能提供抗剪力,所以根据库伦强度理沦及有效应力原理,确定土体抗剪强度为
q=歹・tantp+c
(2)
已有研究表明,地震诱发的滑坡、崩塌灾害(特别是在山岳地区)比地震直接造成的危害还要大旧’。正确认识边坡地震失稳机理是评价与治理地震条件下边坡稳定性的关键。地震引起边坡破坏的原因分为两方面:一是地震荷载诱发超静孔隙水压力的增大、有效应力的降低,从而降低了土体的抗剪强度;二是地震惯性力的作用增大了土压力,改变了土体的应力状态。有的文献则将地震对边坡稳定性的影响划分为累积效应和触发效应两方面,前者主要表现为地震作用引起边坡岩土体鳗性破坏和孔隙水压力累积上升等,后者主要表现为地震作用诱发边坡的软弱层触变软化、砂层液化以及处于临界状态的边坡瞬间失稳等‘1|。
侯超群,男,讲师,博士研究生。
从式(2)看出,影响土体强度的因素是有效应力孑、粘聚力c和内摩擦角妒。其中孑=盯一u。
地震作用引起土体内部孑L隙水压力u的上升,即超静孔隙水压力。一般地震历时几秒至几十秒,短时间内,地震产生水压力Ⅱ来不及消散,便降低了土体中的有效应力石;同时,土体含水量的增大还会削弱粘聚力C和内摩擦角妒。以上便是地震造成土体抗剪
万方数据
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全国中文核心期刊路基工程2008年第6期(总第141期)
强度乃降低的原因。3.2水平地震力对土体应力条件的影响
地震力是较复杂的,计算时可将其用简谐波的形式来定量表达,如图1。
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.
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一,×一,0
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图1简谐波形式地震力图
对于简单土坡,如图2,地震前土体内某土体单元的受力条件为:第一主应力为盯,=’,・h,第三主应力为盯,=k。・y・h。此时的莫尔应力圆为图3中的实线圆。
地震时,该土体单元在£:时刻水平地震力作用下的受力条件为:盯。=y・h、or’3=ko・y・h—R,见图3中的虚线圆。从图3看出,水平地震力使得土体的应力状态更接近破坏强度线。
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图2土体内某单元
图3水平地震力对土体单元
应力状态图应力状态影响图
在靠近土坡顶部处,由于h较小,当地震强烈时,有可能在坡顶部位出现拉力or’,=k。・y・h—n≤O。这便是地震时土坡首先在坡面和坡顶处开始出现破坏的原因。
于玉贞等人通过离心模型试验研究砂土边坡地震动力响应,得出与本文分析相同的结果:在地震输入作用下,边坡的动力响应自下而上逐渐放大;边坡上部响应大于底部,靠近边坡斜面的响应大于内部¨-。3.3竖向地震力对土体应力条件的影响
竖向地震力由地震波中的纵波引起,其破坏力是惊人的。钱培风早在1979年便开始对竖向地震力的破坏性展开调查,通过多年的研究指出:地震时既有水平方向的地面运动加速度,也有竖直方向的地面运动加速度;竖向加速度一般可达水平加速度的30%一60%,有时甚至会超过水平方向的运动捧o。陈念英、曾敦弟对水平地震力的破坏性进行了大量的调查和分析,并建议成立竖向地震力研究专题,将竖向地震力写入规范H
J。
根据前述水平地震力对土体单元受力状态影响的分析,竖向地震力也存在相同的作用。竖向地震力,。随时间的变化也可以表示为图1所示的简谐波形式。
万
方数据地震前某土体单元的应力状态如图4中的实线
圆,盯l27・h、矿3=ko・7・h。
地震时,t,时刻竖向地震力作用下的受力条件
为:盯’l=y・h+F,,矿3=ko-y・h,见图4中的虚
线圆。第一主应力的增大同样会引起土体单元濒临破坏状态(更接近实线表示的强度线)。
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圈4竖向地震力对土体单元应力状态影响圈
t:时刻,F,与重力反向盯’。=7・h一只,该条件
下土体单元的抗剪强度为:丁,=(7・h—Fv)-tan(p+c,如图中的虚直线所示。可见t:时刻的竖向地震力同样导致了土体强度的降低,造成土坡的失稳破坏。因此,在地震边坡稳定性分析时应充分考虑竖向地震力
的影响。
4结语
(1)地震作用引起孔隙水压力的上升,降低了土体的强度,增大了土坡失稳破坏的可能性。
(2)水平地震力作用造成土体内部第三主应力降低,使得应力莫尔圆更接近破坏状态。水平地震力的作用使得地震时边坡失稳首先发生在坡顶和坡面。
(3)竖向地震力增大了第一主应力,也会造成莫尔应力圆接近破坏状态。
(4)建议在边坡的抗震稳定性分析中考虑竖向地震力的影响。以水平地震力和竖向地震力的最不利组合来分析边坡的稳定性,并据此进行设计和施工,以确保边坡的抗震稳定。
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收稿日期:2008一08—2l
地震对边坡稳定性影响分析
作者:作者单位:
侯超群, 王晓谋, 石恒俊, Hou chaoqun, wang xiamou, shi Hengjun
侯超群,Hou chaoqun(长安大学公路学院,陕西西安,710064;合肥工业大学), 王晓谋,wangxiamou(长安大学公路学院,陕西西安,710064), 石恒俊,shi Hengjun(四川省交通勘察设计研究院)
路基工程
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引用本文格式:侯超群. 王晓谋. 石恒俊. Hou chaoqun. wang xiamou. shi Hengjun 地震对边坡稳定性影响分析[期刊论文]-路基工程 2008(6)