边坡地震动力放大与永久位移分析

发布时间：2020-10-23 18:22

　　 在地震发生时,局部场地条件对地震动的振幅和频谱特性有着重要的影响,场地效应可放大或衰减地震地面运动加速度,其中不规则地形的存在可能大大加剧强震运动的灾难性后果。边坡尤其是水利水电工程边坡作为最典型的场地条件之一,对其进行地震动力响应分析可以在设计、开挖和维护边坡时提高边坡的抗震性能,具有非常重要的现实意义。本文拟编程对边坡地震动斜输入、地震沿边坡的放大效应等方面内容开展研究,并借助SLUDE软件基于Newmark滑块法对西藏某水电站高边坡进行抗震稳定性分析。主要研究成果如下:(1)构建了基于时域波动分析法的边坡地震输入模型,包括考虑无限地基辐射阻尼的粘弹性边界和地震波输入方法,可进行地震波斜入射边坡的动力放大响应分析。通过编制相应的计算程序实现了对地震波斜入射边坡的数值模拟,算例验证了计算程序具有较高的精度。(2)当P波入射时,坡面和坡顶纵向PGA放大系数随着入射角度的增加先减小后增加,沿高程方向呈现出线性增长的趋势,整体PGA放大系数在0.9～1.4之间。(3)当SV波入射时,随着入射角度的增加坡面和坡顶纵向点PGA放大系数均逐渐增大,且增长速率加快,整体PGA放大系数在0.75～1.6之间。(4)当坡面点高度h小于0.5H时,坡度的改变对坡面地震动力响应的影响并不明显,当坡面点高度h大于0.5H时随着坡度的增加坡面PGA放大系数逐渐加大。P波入射时PGA放大系数大致集中在0.95～1.5之间;SV波入射时PGA放大系数大致集中在0.8～1.7之间。(5)采用Newmark滑块分析方法计算了西藏某水电站高边坡在不同地震峰值加速度作用下的动力反应和永久位移,计算结果表明,在设计地震动作用下该边坡是稳定的,随着地震波幅值的增加该边坡产生的总滑移量也在不断的增加;对于不同类型的地震波,虽然输入的地震峰值加速度相同,但地震动参数的差异会影响边坡产生的永久位移。主要创新性成果如下:(1)以往的研究通常采用地震波垂直入射的方法进行边坡动力响应分析,而且目前在商用计算机程序中还没有实现考虑斜入射的地震输入方法,不能合理地反映输入地震波的相位特征。本文构建了一种基于时域波动分析法的边坡地震输入模型,开展了地震波斜入射对边坡动力放大响应分析。(2)本文推导了平面P波和SV波斜入射时边界节点等效荷载,将其施加于粘弹性边界可实现地震波的外源斜输入,用于精确模拟任意角度的地震波输入。并自主编制计算程序开展了地震波斜入射对边坡动力响应的影响研究,其中模型材料参数和地震波参数都可以根据实际情况进行更改,适用于一般平面问题的有限元动力计算。(3)总结出了斜入射条件下地震沿边坡的放大效应。即当P波斜入射时地震沿坡面的PGA放大系数介于0.95～1.5之间,SV波斜入射时地震沿坡面的PGA放大系数介于0.8～1.7之间。研究发现若采用不计边坡地震动力放大效应的分析方法计算的结果偏于不安全,研究成果可为边坡极限平衡拟静力法中,合理确定地震作用系数提供一定的依据。(4)采用SLIDE软件基于Newmark滑块法对西藏某水电站高边坡进行永久位移分析,将评价边坡稳定性的两个指标(永久位移和安全系数)相联系,可为有关工程单位根据相应的工程等级指标对边坡地震稳定性的判断提供一定的依据。
【学位单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV223
【部分图文】：

１９５０年Ｔｅｒｚｈａｇｉ［５９］首次提出用拟静力法分析边坡在地震作用下的动力响应，拟静力??分析法是地震工程中分析边坡地震反应最简单的方法之一，该方法将地震惯性力等效为??潜在滑动体重量乘以水平和垂直地震作用系数知和怂，如图１．２所示，即在极限平衡法??中加入了水平和垂直静态地震力，用于模拟由地面加速度引起的潜在惯性力。拟静力分??析存在一些明显的缺陷，它假设地震力是恒定的并且仅在促进斜坡不稳定的方向上起作??用，因此将地震震动作为永久的单向体力是非常保守的。出于这个原因，地震作用系数??通常选择作为峰值加速度的一部分，以说明地震峰值加速度仅短暂起作用并且不代表滑??坡体更长、更持续的加速度［６〇］。??Ｊ－：：：：／：：：：：：：：：：：＾／／／／／／／／??：参：：：：：：：綠??＞：ｙ：ｖＸ：；：－７?Ｗ为滑块体重量??／／／／／／／／／／／??地面加速度??？?＞??图１．２拟静力法地震荷载图??选择合适的地震作用系数是拟静力分析法中最关键也是最困难的方面［１４］。Ｓｅｅｄ先??后通过经验方法、粘弹性反应分析方法和刚体反应分析方法来确定地震作用系数，经验??方法在应用上最为广泛［６１］；随后的两项研究试图使地震作用系数的选择合理化，Ｓｔｅｗａｒｔ??等［６２］基于前人得出的统计关系，开发了一种场地筛选程序，将地震作用系数作为最大水??平地面加速度、地震震级、震源距离和两个可能的允许位移水平（５和１５?ｃｍ）的函数关系；??Ｂｒａｙ和Ｔｒａｖａｓａｒｏｕｌｗ］则提出了一种直接的方法

对边坡进行动力稳定性研究有助于防范该类灾害的发生，边坡动力稳定分析通常??包括两个主要问题：一种是地震波动的输入方法，另一种是结构的动力响应。为了对这??一课题进行深入的研宄，本文构建了基于时域波动分析法的边坡地震输入模型，如图２．１??所示，模型包括考虑无限地基辐射阻尼的粘弹性边界和地震波输入方法，可进行地震波??斜入射边坡的动力放大响应分析，为边坡稳定性分析提供基础。本章将重点介绍时域波??动分析积分格式、计算时步的选取、无限地基辐射阻尼效应的模拟、Ｐ波以及ＳＶ波作??用时边界等效节点力推导过程以及地震动斜入射的实现等方面内容。??自由地表面??／／／／／／?Ｉ／／／?Ｖ?；／／／／／！?＼／／／／／／??Ｊ?＼＼?■??￡?＾?ｒ＾兹??乂入射地震波??图２．］边坡地震输入模型??１３??

式中？＾七…和＾＆＾／广？＾乂…和？＾乂…分别为边界等效荷载产生的??位移和应力。??在边界施加等效切向应力＾和法向应力＆Ａ，以实现地震波输入，图２．２将边界处弹??簧一阻尼元件脱离，／＃、点内力。由力平衡可以得到Ｂ点的应力：??Ｔｆ?￣?＾ＢＴ?（０＿．／ｓｒ?（０??＜?（２－２０）??＜ｊｙ?ｙＸＢ，ｙＢ，ｔｙ?Ａ?＝?Ｆｍ?—?［ｔ）??Ｋｏｔ?Ｆｂ，?ｆ?Ｋｆｆｌ?ｆＢＮ??ｉ＾Ｍｈ?ｆｂｔ＿?＿????１??［ｊｊ?Ｂ???Ｆｂｔ?丁?｜１＿［｛Ｌｉ?Ｂ￣￣??ｋｂｎ＿?肀＾?ｆＢＮ?ＫＢＮ＿?肀ＣＢＮ??ｍｍ?＇?ｉｍｍ??图２．２人工边界及脱离体示意图??１７??
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本文编号：2853382