渗流和地震耦合作用下边坡稳定性分析

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边坡的稳定性研究是岩土工程界中的一个重要的课题,边坡自身所处的大地环境、地质构造、岩土体性质、地震力和地下水等多方面因素都与边坡的稳定性有关。我国西部大部分地区处于强震区,地震活动强度大、频度高,有些山区还有大量的降雨或地下水存在,这样的环境条件不可避免地存在大量与地震力、地下水作用有关的边坡工程问题。因此,研究地下水渗流和地震作用下边坡稳定性具有重要意义。本文首先简要介绍了边坡稳定性影响因素、边坡稳定性计算方法等,然后在现有理论基础上,提出渗流和地震耦合作用下边坡稳定性系数的解析计算,在此基础上又对拟静力法计算渗流和地震耦合作用下边坡稳定性系数做了改进。最后通过数值模拟验证了这两种算法的合理性。主要研究内容及成果如下:(1)根据前人已有的研究,将地下水渗流之后在土体形成的浸润线假设为二次函数形式,由此详细推导了土体在渗流作用下的水头压力解析式,进而求出孔隙水压力表达式。在得到孔隙水压力表达式的基础上,根据力的平衡方程和之前求出的浸润线的方程推导了渗流和地震耦合作用下黏土边坡拟静力法计算稳定性系数的解析式,将计算的结果和已有的算例结果进行对比分析,二者结果相近,验证了此方法的合理性。(2)采用竖直条分法计算水平地震惯性力的抗滑力矩时存在不合理的地方,为了改进计算,本文采用数学方法从积分模型的角度出发,选取一个微型的计算单元,首先计算出水平力对边坡破坏圆弧面圆心的抗滑力矩和下滑力矩,然后再计算出竖向力对边坡破坏圆弧面圆心的抗滑力矩和下滑力矩,最后根据公式稳定性系数等于总的抗滑力矩与总的下滑力矩的比值。此时,在计算水平力对边坡破坏圆弧面圆心的力矩时,将边坡滑动的土体按照水平方向条分计算,在计算竖向力对边坡破坏圆弧面圆心的力矩时,将边坡滑动的土体按照竖直方向条分计算。得到了渗流和地震耦合作用下边坡稳定性系数的改进拟静力法解析式,将计算的结果和已有的算例结果进行对比分析,二者结果相近,验证了此方法的可行性。(3)使用数值模拟软件Geo-Studio得到了渗流和地震耦合作用下边坡稳定性的稳定性系数、孔隙水压力变化以及地震动力响应,对比分析了不同土体参数下边坡在渗流和地震耦合作用下的稳定性系数,并与本文改进的两种算法计算相同工况下的结果做了对比,验证了本文改进的两种算法的合理性。
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