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基于加卸载响应比理论的边坡动力稳定分析方法.doc

基于加卸载响应比理论的边坡动力稳定分析方法.doc

上传者: Ralap启亚 2017-12-30 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于加卸载响应比理论的边坡动力稳定分析方法doc》,可适用于综合领域,主题内容包含基于加卸载响应比理论的边坡动力稳定分析方法基于加卸载响应比理论的边坡动力稳定分析方法第卷第期年月岩石力学与工程ChineseJournalofRoc符等。

基于加卸载响应比理论的边坡动力稳定分析方法基于加卸载响应比理论的边坡动力稳定分析方法第卷第期年月岩石力学与工程ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringVlNoMarch,基于加卸载响应比理论的边坡动力稳定分析方法姜彤,马瑾,许兵(华北水利水电学院资源与环境学院,河南郑州中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室,北京中国科学院地质与地球物理研究所,北京)摘要:将加卸载响应kL(LURR)理论引入边坡动力稳定分析研究中,建立边坡在地震作用下的加卸载响应模型,通过对边坡动力加卸载响应规律的研究,提出以代表边坡系统整体响应的加卸载响应度(LURD)代替边坡稳定分析传统方法中的安全系数,将边坡的变形分析和稳定性评价有机结合,探讨边坡动力稳定评价的新方法,并给出边坡在动荷载作用下的稳定性评价问题的解答以马家岩水库右岸边坡为例,采用所提出的新方法进行计算,并与拟静力法,有限单元法和Newmark滑块法的计算结果进行对比,验证所提出方法的合理性及正确性,证明新方法可同时进行变形和稳定分析,较传统的动力分析方法精度更高关键词:边坡工程加卸载响应比动力响应稳定分析中圈分类号:P文献标识码:A文章编号:()DYNAMICANALYSISMETHODOFSLOPESTABILITYBASEDoNLURRTHEoRYJIANGTong,MAJin,XUBing(CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzt~u,Henan,ChinaStateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics,InstituteofGeology,ChinaEarthquakeAdministration,Bering,ChinaInstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beqing,China)Abstract:Thetheoryofloadunloadresponseratio(LURR)isintroducedtoanalyzedynamicslopestabilityTheLURRmodelofslopeisestablishedbystudyinglawsofloadunloadresponseratioofslopeunderseismicloadlandaconceptofloadunloadresponsedegree(LURD)issuggestedtosubstitutethefactorofsafetyWiththisconcept,anewmethodofdynamicslopestabilityisexploredanddeformationanalysisandstabilityevaluationarewellcombinedTakingtherightbankofMayanreservoirforexample,adynamicanalysisisperformedusingthesuggestedmethodComparedthecalculatingresultswithpseudostaticmethod,finiteelementmethodandNewmarkslidingblockmethod,itisverifiedthatthepresentedmethodisreasonableThenewmethodhasprioritytotraditionaldynamicanalysismethodinprecision:anditCancarryOUtdeformationandstabilityanalysisatthesametimeKeywords:slopeengineeringloadunloadresponseratio(LURR):dynamicresponse:stabilityanalysis引言加卸载响应比(LURR)理论是由尹祥础于年提出的,并应用于非线性系统失稳前兆和失稳预报的理论和方法,早期多应用于地震预报,也有用于边坡稳定分析方面,但是研究并不多见许强和黄润秋运用地震预报的固体潮理论对岩体边坡收藕日期l修目日期l一O一O基金硬目t河南省高校青年骨干教师项目年华北水利水电学院青年科研基金年度河南省高等学校创新人才培养工程,河南省高校杰出科研人才创新工程项H(HAIPURT)河南省重点科技攻关计划项目资助作者筒介t姜彤(一),男,博士,年毕业于华北水利水电学院水文地质与工程地质专业,现任副教授,主要从事岩土力学方面的教学与研究工作Email:jiangtongncwueducn第卷第期姜彤,等基于加卸载响应比理论的边坡动力稳定分析方法建立加卸载响应比预报模型,为加卸载响应比理论在边坡工程上的应用进行了有益的探索贺可强等【J建立了滑坡的加卸载响应比物理动力学预测模型,选用降雨及孔隙水压力变化作为加卸载参数,对新滩和黄腊石滑坡进行能够加卸载响应后验分析与计算,推进了加卸载响应比理论在边坡工程中的应用在加卸载响应LL(LURR)~论应用于边坡动力学分析方面,仅有姜彤等对边坡的加卸载响应规律作过研究,本文将加卸载响应比理论应用于边坡的动力稳定分析研究中,建立边坡加卸载响应动力模型,以边坡系统整体响应的加卸载响应度代替传统稳定分析中的安全系数,从而将边坡的变形分析和稳定评价有机结合,提出边坡动力稳定评价的新方法边坡动力加卸载模型的建立加卸载响应比(LuRR)理论简介加卸载响应比的基本概念是:非线性系统的失稳的基本前兆是系统对加荷与卸荷的响应差别增大,利用系统的加荷响应率与卸荷响应率的比值(简称加卸载响应LL)可定量描述非线性系统偏离稳态(或接近失稳)的程度【J从室内试验的角度分析,加卸载响应比理论就是将岩体受压过程中的应力P和相应的某响应参数的变化之比ARAP定义为响应率,在系统稳定时,其值为某一常数而在系统趋于失稳时,其值则明显增加为更方便地定量表示整个系统失稳的程度,进一步引进量纲一的加卸载响应比y定义为v一…一lAPti式中:,AP分别为加载和卸载增量,,均为参数响应Y=表示系统处于稳定状态YI表示系统趋于稳定YI表示系统趋于失稳LURR理论用来解释岩石的破裂或失稳前兆变化,物理意义非常明确,以地震释放的能量作为响应参数来检验此理论已取得很好的效果,符合率达到J模型的建立按加卸载响应比理论,要计算边坡系统在地震过程中的加卸载响应比变化情况,必先获得个力学时间序列:()加卸载时间序列()边坡力学响应时间序列通过对这个时间序列的计算,即可获得边坡系统加卸载响应比随时间的变化规律姜彤【J通过对边坡模型的数值计算结果分析,并和王裕仓等【J在MTS试验机上所获得的试验结果进行数值模拟对比与分析,从力学和物理学的角度论证LURR理论应用边坡动力稳定分析的可行性IJ将地震加速度的周期性变化作为对边坡的加卸载手段,按地震持时划分n个加卸载区间,将加卸载区间内的地震加速度时间序列k作为加卸载量(加荷时k为正,卸荷时k为负),将边坡在加卸载区间内的位移d,位移速率,或位移加速度a作为坡体对地震荷载的响应,应用加卸载响应比理论确定边坡的加卸载响应比yo设地震加速度时间序列为k(i=,,…,),同时序边坡内某点的位移为d(i=,,…,),位移速率为,(i=,,…,),其位移加速度为a(i=,,…,)在某一加卸载区间若有m组数据,可建立边坡地震加卸载响应模型地震加速度区间均值为去一=m()式中:Ki为加荷作用加速度区间均值,一为卸荷作用加速度区问均值位移,位移速度,位移加速度均值可分别表示为m()()=()台J如果将响应参数(位移,速度和加速度)统一定义为和一,可得()根据加卸载响应比理论的定义,可得地震过程中的加卸载响应比序列(f=,,…):=RiKi()LRlK从理论上讲,当边坡整体处于稳定时,其加卸岩石力学与工程载响应比应为或在上下波动:当边坡具有整体下滑趋势时,将逐渐增大当边坡处于临滑阶段,将发生分岔或突变加卸载响应度(LURD)的提出由于边坡系统演化的鞍点是失稳前边坡对外力作用的最大响应【】,因此可将分岔区的加卸载响应比下限定义为ym,而将边坡在外力作用下的最大加卸载响应比定义为Y,从而得到加卸载响应度,即F:()y当l时,表示边坡系统是稳定的:当F=时,表示系统即将进入临界状态:当l时,表示系统已经失稳由于加卸载响应度是将经典的力学分析,时间序列分析和非线性动力学理论,分岔理论有机融合而得到的,因此可更为科学地,便捷地解决周期荷载作用下边坡的动力稳定性问题,为将非线性系统理论应用于工程实践开创新的思路和方法工程实例为验证本文提出的方法,以马家岩水库右岸边坡为例进行计算,并将计算结果与采用传统的拟静力法和Newmark滑块法的计算结果进行比较,以验证本文提出方法的合理性及正确性马家岩水库位于河南省林州市,坝址左右坝肩边坡由震旦系石英砂岩组成,并夹页岩夹层,受结构面切割,属于典型的工程岩质高边坡,由于工程位于林县大断裂附近,近期仍有活动迹象,地震活动较为频繁,因此计算坝肩高边坡的地震稳定性对工程的安全具有重要的意义马家岩水库右岸边坡下部存在一由页岩组成的软弱夹层,岩体由组x型共轭节理切割组成较为明显的结构面和结构体,根据现场调查统计可绘制节理玫瑰花图(见图,图中数字为节理条数)两组节理的统计特征为:第组:走向,倾向,倾角,节理间距,m,节理延伸长度m第组:走向,倾向,倾角,节理间距m,节理延伸lfWl』E,r一一,一一一fS图右岸边坡节理倾向,倾角玫瑰花统计图FigJointsdipanddipdirectionrosetteofrightbank长度,m根据设计单位提供的资料及岩体结构统计资料,建立边坡的离散元计算模型,右岸坝肩高边坡计算模型高度取m,其中在坝基的开挖面以下取m,沿着坡身取m,计算模型基本将边坡可能发生的失稳破坏范围包括在内由于边坡岩体节理较为发育,虽然在宏观上节理的分布具有一定的规律,但在微观表现上则杂乱无章,因而在网格划分上应充分考虑节理尺寸的影响,网格划分的最小尺寸应受节理延伸长度和宽度及动力输入高频成分的控制,计算共布置监测点l个,在模型底部布置监测点个,以考察模型动力输入施加是否正确,在模型右侧边界布置个监测点,考察边界条件的施加是否正确,沿边坡纵向和横向各布置个监测点,监测点位置的布置考虑边坡节理面的位置和一些对边坡变形有重要影响的位置,如坡脚,潜在滑体前缘等边坡内监测点布置图见图图边坡内监测点布置图FigObservationpointsarrangedintheslope第卷第期姜彤,等基于加卸载响应比理论的边坡动力稳定分析方法岩土介质及节理的岩体物理力学参数列于表,在边坡底部和两侧设置黏滞边界条件,动力输入时程曲线gTimehistorycurveofhostrockaccelerationofHaichengearthquake【】通过计算获得边坡位移矢量图(见图),确定监测点所在的块体为滑动关键块,因此取监测点为典型质点,绘制监测点关键块所在边坡系统演化过程如图所示由图可知,边坡系统由于节理内摩擦角的改变在演化过程中出现明显的分岔,曲线A在发生约cm的永久位移后,震后变形趋于稳定,说明此时边坡并未发生整体失稳破坏,地震的作用仅仅使边坡发生一定数量的永久位移图边坡位移矢量图FigDisplacementvectordiagramofslope时间s图监测点关键块所在边坡系统演化过程FigEvolutionprocessesofslopewithkeyblockofmonitoringpointNo曲线B则表现出与曲线A截然不同的变形破坏特征从图中可看出,在边坡变形的初始阶段,A,B两条曲线基本重合,但在地震过程中,曲线曰的变形不断增大,且在震后s内,曲线曰的变形并没有稳定,而是继续呈现线性增长的特点,这说明边坡演化在达到系统分岔点时已经发生较大规模的破坏,边坡已经发生整体变形失稳由于马家岩右岸坝肩边坡在地震力的作用下其变形表现出明显的分岔特征,则可根据本文确定边坡的临界加卸载响应比范围为~,见图冒糖嚣图临界加卸载响应比时程曲线FigTimehistorycurveofcriticalloadunloadresponseratio获得边坡的临界响应比之后,按照实测节理强度参数重新计算得到边坡在地震作用下的最大加卸载响应比,并与边坡的临界加卸载响应比进行对比,计算边坡在地震作用下的加卸载响应度,判断边坡岩石力学与工程正在地震作用下的稳定程度,如果未发生失稳,则计算边坡的最大永久位移通过按实测物理力学参数的离散单元分析,可获得边坡在某地震过程中的位移时程曲线(见图)和加卸载响应时程曲线(见图)时间s图边坡在地震过程中的位移时程曲线FigTimehistorycurveofdisplacementofslopeunderseismicload娄时间,s图加卸载响应比时程曲线FigTimehistorycurveofloadunloadresponseratio从图可看出,边坡在震后发生约cm的永久变形,说明边坡在地震过程中及地震发生后是基本稳定的为定量评价边坡在地震过程中的稳定程度,由图可知,边坡加卸载响应比的变化与边坡变形位移的时序曲线变化规律是符合本文理论的,整个地震过程中,边坡的最大加卸载响应比为,系统稳定分岔区域的加卸载响应比为,这个峰值的出现,说明边坡在演化过程中的将要出现的个的分岔点启程剧动uI】分岔及稳定分岔,由于个分岔点上加卸载响应比均小于边坡系统的临界加卸载响应比下限,因而可得到结论:马家岩水库右坝肩边坡,在峰值加速度为g的地震波的作用下是稳定的,不会发生大规模的边坡整体失稳破坏,但会产生约,cm的永久变形按本文提出的加卸载响应度(LURD)的定义,马家岩水库右坝肩边坡在基本地震烈度为VI度地震力的作用下,其加卸载响应度为::三:Y整个地震过程中,边坡系统的最大加卸载响应比为,因此最小加卸载响应度Fd为Fdmin”:ymin,jO,由于:,mj:,因而边坡是稳定的为验证本文提出方法的合理性和计算精度,分别采用目前边坡动力分析中常用的拟静力法,Newmark滑块法和有限单元法计算同一模型的安全系数和永久位移,结算结果列于表表不同计算方法得到的安全系数和永久位移TableFactorsofsafetyandpermanentdisplacementscalculatedwithseveralmethods从表可以看出,采用拟静力法得到的边坡安全系数为,小于有限单元法和LURD方法得到的计算结果,造成这种结果的原因是拟静力法计算采用地震峰值加速度确定相当于静荷载的地震力,把作用短暂瞬间荷载同长期作用的荷载等效起来,夸大地震力的作用而将有限单元法和Newmark滑块法结合起来虽然可通过强度折减法获得边坡的安全系数和永久位移,但由于有限单元法是基于小变形连续介质假定,无法考虑岩体内部存在的节理,因此其计算结果是偏于安全的,且通过Newmark滑块法计算出的永久位移也偏小采用本文提出的方法可同时得到边坡在地震过程中的个加卸载响应度(LURD)及边坡在地震力作用下的永久位移,和分别表示地震过程中和地震结束后的边坡对地震力作用的响应程度,属第卷第期姜彤,等基于加卸载响应比理论的边坡动力稳定分析方法l于边坡动力响应的非线性时程动力分析,该法克服边坡动力响应常用方法的不足,基本反应边坡动力响应的真实情况,将边坡在地震力作用下的变形分析和稳定性评价有机结合,借助非线性系统论建立实用,合理的边坡动力稳定评价方法结论()将加卸载响应LL(LURR)理论引入到边坡的动力响应时程分析中,建立边坡的加卸载响应模型,讨论边坡在地震力作用下失稳的非线性本质和现象,提出应用加卸载响应度(LURD)代替传统意义上的安全系数概念,从非线性系统论的角度将边坡的变形分析和稳定评价有机结合()通过计算,发现边坡在地震力的作用下会发生两次分岔,这个现象是首次被发现,这说明边坡在地震力作用下的响应是非常复杂的,只有通过对边坡破坏过程的研究,才能获得更为符合实际情况的计算结果()以实际工程为例,通过多种计算方法的对比分析,证明边坡动力稳定的加卸载响应分析可同时进行变形和稳定分析,该方法较传统的动力分析方法精度更高,计算中采用的边坡非线性时程动力方法更为合理参考文献(References):尹祥础地震预测新途径的探索J中国地震,,():l一(YINXiangchuThenewapproachofearthquakepredictionJEarthquakeResearchinChina,,():l一(inChinese))许强,黄润秋用加卸载响应比理论探讨斜坡失稳前兆J中国地质灾害与防治,,():(xuQiang,HUANGRunqiuStudiesontheprecursorofslopeinstabilityapplyingtotheloadunloadresponseratiotheoryJTheChineseJournalofGeologicalHazardandControl,,():(inChinese))贺可强,周敦云,王思敬降雨型堆积层滑坡的加卸载响应比特征及其预测作用与意义…岩石力学与工程,,():fHEKeqiang,ZHOUDunyun,WANGSingFeaturesofloadunloadresponseratioanditssignificanceinpredictionofcolluviallandslideinducedbyrainfallJChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,,():(inChinese))】贺可强堆积层滑坡位移信息分析与失稳趋势判据的研究博士学位论文】D】北京:中国科学院地质与地球物理研究所,(HEKeqiangDisplacementinformationanalysisanddestabilizedtrendcriterionofcolluviallandslidePhDThesislDBeijing:InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,(inChinese))f】姜彤,马莎,许兵,等边坡在地震作用下的加卸载响应规律研究J岩石力学与工程,,():(JIANGTong,MASha,XUBing,etaStudyonlawsofloadunloadresponseofslopeunderseismicloadJChineseJournalof(inRockMechanicsandEngineering,,():Chinese))】尹祥础,尹灿非线性系统的失稳与前兆一一响应比理论及其应用J中国科学(B辑),,l():(YINXiangchu,YINCanInstabilityandprecursorofnonlinearsystemresponseratiotheoryanditsapplicationJ】ScienceinChina(SeriesB),l,l():ll(inChinese))】姜彤边坡在地震作用力下的加卸载响应规律及非线性稳定分析博士学位论文】D】北京:中国地震局地质研究所,(JIANGTongLoadunloadresponsesofslopesunderseismicloadandnonlinearstabilityanalysisPhDThesisDBeing:InstituteofGeology,ChinaEarthquakeAdministration,(inChinese))】王裕仓,尹祥础,王海涛地震预测的加卸载响应比岩石实验模拟J中国地震,,l():(WANGYucang,YINXiangchu,WANGHaitaoThesimulationofrockexperimentonloadunloadresponseratioonearthquakepredictionJEarthquakeResearchinChina,,(:,(inChinese)】尹祥础,张晖辉加卸载响应比的新进展J国际地震动态,,():(YINXiangchu,ZHANGHuihuiNewdevelopmentoftheloadunloadresponseratio(LURR)theoryJRecentDevelopmentsinWorldSeismology,,():(inChinese))】周健,白冰,徐建平土动力学理论与计算【M】北京:中国建筑工业出版社,(ZHOUJian,BAIBing,XUJianpingTheoryandcalculationofsoildynamicsMBeijing:ChinaArchitectureandBuildingPress,(inChinese))】毛彦龙,胡广韬,毛新虎,等地震滑坡启程剧动的机制研究及离散元模拟J工程地质,,():(MAOYanlong,HUGuangtao,MAOXinhu,etaMechanismofsetoutviolentslideofslopemassduringearthquakeanditssimulationbyusingdiscreteelementmethodJ】JournalofEngineeringGeology,l,():,(inChinesel

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