CN107152039A - 一种土石坝坝基液化条件下的二维拟静力法简化判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明方案涉及土石坝地震液化判断安全监测技术领域，具体提出一种土石坝坝基液化条件下的二维拟静力法简化判断方法，包括步骤一：对土石坝坝基液化边界条件判断，满足边界条件后，进行步骤二：计算土石坝坝基二维拟静力法参数，所述参数包括土体抗剪强度与抗滑稳定性；然后进行步骤三：根据计算的土石坝坝基二维拟静力法参数进行土石坝坝基液化检测判断，本方案提出的方法可以实现常用的商业软件良好结合，合理考虑地震作用下土石坝坝基地震液化判断，具有简单有效、实用性强的特点。

Description

一种土石坝坝基液化条件下的二维拟静力法简化判断方法

技术领域

本发明涉及土石坝地震液化判断安全监测技术领域，具体提出一种土石坝坝基液化条件下的二维拟静力法简化判断方法。

背景技术

大坝又称为拦河坝，是堤坝式水电站中的主要壅水建筑物。其作用是抬高河流水位，形成上游调节水库，大坝可分为混凝土坝和土石坝两大类。土石坝具体包括土坝、堆石坝、土石混合坝等，具有就地取材、节约水泥、对坝址地基条件要求较低等优点。由于土石坝在水库、电站工作中起至关重要作用，因此土石坝的安全监测及故障判断至关重要。由于大坝失事原因是多方面的，其表现形式和可能发生的部位因各坝具体条件而异。因此，在大坝安全监测系统的设计中，应根据坝型、坝体结构和地质条件等，选定具体监测方法，不同坝型的主要观测项目如下。

1)土坝、土石混合坝失事的主要原因常是渗透破坏和坝坡失稳，主要观测项目有垂直和水平位移、裂缝、浸润线、渗流量、土压力、孔隙水压力等。

2)混凝土坝:失事的主要原因是坝体、坝基内部应力和扬压力超出设计限度，主要观测项目有变形、应力、温度、渗流量、扬压力和伸缩缝等。

此外，对泄水建筑物应进行泄流观测和必要的水工建筑物观测。

我国土石坝抗震设计时，考虑到绝大多数为中小水库，无法广泛采用动力分析，且其需要的计算参数及工程安全判据方面尚不充分，因此现有技术中仍然以拟静力法作为主要分析方法，拟静力方法也称为等效荷载法，即通过反应谱理论将地震对建筑物的作用以等效荷载的方法来表示，然后根据这一等效荷载用静力分析的方法对结构进行内力和位移计算，以验算结构的抗震承载力和变形。但目前拟静力法分析方法中仅对高烈度区大型土石坝和地基中存在可液化土的土石坝，提出了动力计算综合判断的要求，没有动力计算成果安全标准，因此对于目前的判断方法具有优化评判方法的空间，更好地应用于具体实际情况有必要意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，优化现有土石坝地震液化检测判断方法，具有与常用的商业软件良好结合，简化判断方式，实现理论与实际结合的特点，方便应用性强。

本发明提出一种土石坝坝基液化条件下的二维拟静力法抗剪参数简化方法，它包括以下步骤：

(1-1)土石坝坝基液化边界条件判断；

(1-2)满足液化边界条件时，计算土石坝坝基二维拟静力法参数，所述参数包括土体抗剪强度与抗滑稳定性，所述土体抗剪强度采用有效应力法计算；

所述有效应力计算公式为：τ＝c'+(σ-u)tanφ'＝c'+σ'tanφ'

式中：τ为土体的抗剪强度；

c'、φ'有效应力抗剪强度指标，对于液化砂土，c'＝0；

σ、σ'分别为土体法向总应力、有效应力；

u为孔隙水压力。

所述抗滑稳定性计算采用圆弧条分法计算；

所述抗滑稳定性计算公式为

式中：W为土条重力；

Q、V分别为地震水平、垂直惯性力；

u为作用于土条底面的孔隙水压力或超静孔隙水压力；

α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；

b为土条宽度；

c'、φ'为土条底面的有效应力抗剪强度指标；

Mc为地震水平惯性力对圆心的力矩；

R为滑弧半径；

(1-3)根据计算的土石坝坝基二维拟静力法参数进行土石坝坝基液化检测判断。

进一步的方案，所述步骤(1-1)包括初判步骤(1-1-1)及复判步骤(1-1-2)，且根据初判及复判步骤计算出土石坝坝基液化边界条件。

进一步的方案，所述初判步骤(1-1-1)采用年代法或粒径法或地下水位深度法判断。

进一步的方案，所述复判步骤(1-1-2)采用动力试验法，采用动三轴试验得到土石坝坝基土体动力参数，结合SEED剪应力对比法判断。

进一步的方案，所述动力试验法实验过程中测量出土石坝坝基土体实际超静孔隙水压力的分布和地震残余位移。

进一步的方案，所述复判步骤(1-1-2)之后，建立土石坝坝基三维有限元，输入土体动力参数、地震动参数，计算土层液化度，判断液化发生程度；当液化度大于0.8时判断发生液化。

进一步的方案，所述步骤(1-1-2)还包括：当超静孔隙水压力对计算浸润线造成影响时，计算滑面各土石坝坝基土体中液化土层的孔隙水压力，作为该层土重的反向荷载分土条施加，所述抗滑稳定性公式中的u为计入超静孔隙水压力的实际值；

进一步的方案，所述步骤(1-1-2)还包括：当超静孔隙水压力对计算浸润线造成影响时，采用内摩擦角等效替换法：将所述抗滑稳定性公式进行变换，设，则将超静孔隙水压力影响包含在液化层土体内摩擦角中，此时，液化层土体计算内摩擦角为：式中ζ为有效应力与总应力之比。

进一步的方案，所述步骤(1-1-2)还包括：当超静孔隙水压力对计算浸润线造成影响时，基于液化度理论的计算方法，取k＝(β/D)tanφ'。按照此折减系数公式可反算出液化后计算需要的内摩擦角：

本方案的有益效果体现在：

1、本方案首先针对土石坝坝基液化边界条件判断，满足液化边界条件后在计算土石坝坝基二维拟静力法参数，所述参数包括土体抗剪强度与抗滑稳定性，应用于二维拟静力法计算中，由于行业规范中对拟静力法成果有明确的判断标准，将参数技术应用于标准中即可实现土石坝坝基液化的判断，实现了与常用的商业软件良好结合，并且合理考虑地震作用下的孔隙水压力上升导致抗剪参数的降低问题，具有简单有效、实用性强的特点。

2、本方案采用多种方法与算法的结合实现了实践与理论数据及规范标准的统一结合，集结合多种判别方法的优势，具有结果可靠性强，可实现商业化软件操作的技术优点，因此具有便捷效果特点。

3、本方案中，在土石坝坝基二维拟静力法参数计算时，考虑到超静孔隙水压力对计算浸润线造成影响时，提出不同计算方案，具有理论结合实际使得判别结果更贴合实际，效果更为说服力。实际计算完成三维动力计算，根据其成果中的超静孔隙水压力分布，进行二维拟静力法计算，再按照规范标准进行判断。然而对于地基中存在可液化土的土石坝，如何在二维拟静力法计算中与常用的商业软件良好结合，合理考虑地震作用下的孔隙水压力上升导致抗剪参数的降低问题。

附图说明

图1为本发明一种土石坝坝基液化条件下的二维拟静力法简化判断方法步骤流程框图；

图2为本发明二维拟静力法抗滑稳定计算时圆弧条分法时简化毕肖普法图示；

图3为本发明具体实施例土石坝坝基砂层振动孔压与上覆荷载比值λ分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参看图1-图2所示，本发明提出一种土石坝坝基液化条件下的二维拟静力法简化判断方法，包括以下步骤：

(1-1)土石坝坝基液化边界条件判断(S1)，包括初判步骤(1-1-1)及复判步骤(1-1-2)，且根据初判及复判步骤计算出土石坝坝基液化边界条件。所述初判步骤(1-1-1)采用年代法或粒径法或地下水位深度法判断。所述复判步骤(1-1-2)采用动力试验法，采用动三轴试验得到土石坝坝基土体动力参数，结合SEED剪应力对比法判断。所述动力试验法实验过程中测量出土石坝坝基土体实际超静孔隙水压力的分布和地震残余位移。在此过程中还可以结合肉眼观察试样变化，判断是否可能发生液化。水电规范和建筑规范中地震液化的判断方法基本一致，均分为初判、复判两个阶段，初判均采用年代法、粒径法和地下水位深度法判断，可以采用三种中的一种，也可以结合两种或多种一起判断，复判步骤(1-1-2)均以标准贯入试验为主要依据。不同之处在于水电规范在初判条件上更为严格审慎，更重视多种方法的综合评判，且有所侧重的修改；而建筑国标在复判方法上更为明晰。本实施中，参考建筑规范中液化指数划分方法进行液化等级判断，作为分析液化边界条件严重程度的定量依据。

在完成(1-1)土石坝坝基液化边界条件判断之后，符合液化条件的土石坝坝基，再进一步计算其参数。

第二步骤，(1-2)计算土石坝坝基二维拟静力法参数，所述参数包括土体抗剪强度与抗滑稳定性(S2)，所述土体抗剪强度采用有效应力法计算；

所述有效应力计算公式为：

τ＝c'+(σ-u)tanφ'＝c'+σ'tanφ'

式中：

τ——土体的抗剪强度；

c'、φ'——有效应力抗剪强度指标，对于液化砂土，c'＝0；

σ、σ'——土体法向总应力、有效应力；

u——孔隙水压力。

所述抗滑稳定性计算采用圆弧条分法计算；

计算公式为：

式中：

W为土条重力；

Q、V为地震水平、垂直惯性力；

u为作用于土条底面的孔隙水压力或超静孔隙水压力；

α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；

b为土条宽度；

c'、φ'为土条底面的有效应力抗剪强度指标；

Mc为地震水平惯性力对圆心的力矩；

R为滑弧半径；

实际上，土体液化的发生，就是因为地震情况下，砂土中排水不畅，孔隙水压力不断上升，形成超净孔隙水压力，当其大于土体法向总应力时，有效应力为零，出现土体颗粒悬浮，这就是液化产生的微观理论，实际中即发现冒砂、等液化现象。

所述复判步骤(1-1-2)之后，建立土石坝坝基三维有限元，输入土体动力参数、地震动参数，计算土层液化度，判断液化发生程度；当液化度大于0.8 时判断发生液化。地震土体液化时，超静孔隙水压力对计算浸润线造成影响，可以按照下面三种方式进行处理：

1)计算滑面各土石坝坝基土体中液化土层的孔隙水压力，作为该层土重的反向荷载分土条施加，所述抗滑稳定性公式中的u为计入超静孔隙水压力的实际值；计算滑面各土体中液化土层的孔隙水压力，作为该层土重的反向荷载分土条施加，则公式中的u应为计入超静孔隙水压力的实际值；

2)内摩擦角等效替换法：将式进行变换

设σtanφ₀'＝(σ-u)tanφ'，则τ＝c'+σtanφ₀'

即条分计算时，计算公式不变，将超静孔隙水压力影响包含在液化层土体内摩擦角中，仅改变计算参数即可，此时，液化层土体计算内摩擦角为：

式中ζ为有效应力与总应力之比。

3)基于液化度理论的计算方法

砂层液化后的残余强度与上部土体应力的关系可按0.05σv～0.15σv考虑，其中σv为上覆有效荷载。对于具有不同液化度的砂层，假定其剩余强度为βσv/D(β取0.05～0.15)，D为液化度，当D＝1即完全液化。静力状态下砂土内摩擦角为φ，稳定分析时其抗剪强度为σ_n tanφ，采用静力状态下砂土内摩擦角进行坝坡拟静力法分析时，为了考虑砂土液化引起的强度降低，折减系数按下式考虑k＝(βσ_v/D)/σ_n tanφ'。坝基砂层中，近似认为σv与σn相等，则k＝(β/D)tanφ'。按照此折减系数公式可反算出液化后计算需要的内摩擦角：

以上方法均需得到计算滑面各土体中液化土层的孔隙水压力或液化度，该值一般需要通过建立三维动力模型进行分析，因此，采用以上方法时，均需在三维动力模型计算基础上方能进行。其中：方法1)需要计算该液化砂层的孔隙水压力，并分条块计入，计算过程较为复杂，不易利用已有计算软件进行分析计算；方法2)与方法3)则在三维计算成果基础上，将液化土层按照有效应力与总应力之比或液化度分区，按照等效抗剪参数进行简化计算，目前，可利用河海大学的《土石坝边坡稳定分析系统》HH—SLOPE R1.2或其他计算程序直接输入计算，操作性较强。

完成(1-2)计算土石坝坝基二维拟静力法参数计算后，即可进行 (1-3)根据计算的土石坝坝基二维拟静力法参数进行土石坝坝基液化检测判断 (S3)。具体判断标准可以结合行业规范中对拟静力法成果判断标准，因为行业里对于拟静力法成果判断标准已有明确规定，在此不做赘述。

下面结合本发明方案及实际工程应用进一步对本发明方案及效果进行详细阐述，以某水电站土石坝坝基为例，经地质初判步骤及复判步骤后查明，满足地震液化边界条件，并采用反压平台方案进行处理。未考虑超静孔隙水压力时，根据试验成果确定出该层抗剪参数的内摩擦角为27°。经过三维有限元动力分析，设计地震工况下。剖面内土层砂层最大振动孔压约为57kPa，振动孔压与上覆荷载的比值分布见图3，按照上述实施例方法1)，简化分析计算有效应力与总应力之比ζ＝1-λ，得到液化后不同部位残余强度如图 3所示。

按照上述实施例中方法(2)计算土体液化后有效应力参数见表1：

表1土石坝坝基液化后有效应力参数

φ(°)	tan(φ)	λ	ξ	φ(°)
					27	0.51	0.8	0.2	5.82
27	0.51	0.5	0.5	14.29
					27	0.51	0.3	0.7	19.63

相应三维成果中对液化砂层进行液化度分区为：下游坝坡反压平台上游坝体下部，液化度综合为0.3；反压平台下面至其下游5m范围，综合液化度0.5；反压平台下游5m以外，液化度综合为0.8。考虑按照上述实施例方法3)进行地震液化情况下折减，残余强度βσv/D中的β分别取0.05、0.1、0.15进行，覆盖层土层液化后残余强度见表2。

表2土石坝坝基液化后有效应力参数

可以看出，当β取0.1时，此计算结果与方法2)成果接近，可以作为抗剪参数计算值进行拟静力抗滑稳定分析。

通过以上分析及工程应用可以看出，本方案提出的方法结果合理，可以对比分析，作为坝基液化条件下土石坝拟静力法进行抗滑稳定分析的依据，满足规范要求，由于该方法可直接应用已成软件计算，因此是一种实用性强的有效方法。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种土石坝坝基液化条件下的二维拟静力法简化判断方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1-1)土石坝坝基液化边界条件判断；

(1-2)满足液化边界条件时，计算土石坝坝基二维拟静力法参数，所述参数包括土体抗剪强度与抗滑稳定性，所述土体抗剪强度采用有效应力法计算；

所述有效应力计算公式为：τ＝c'+(σ-u)tanφ'＝c'+σ'tanφ'

式中：τ为土体的抗剪强度；

c'、φ'为有效应力抗剪强度指标，对于液化砂土，c'＝0；

σ、σ'分别为土体法向总应力、有效应力；

u为孔隙水压力。

所述抗滑稳定性计算采用圆弧条分法计算；

所述抗滑稳定性计算公式为

式中：W为土条重力；

Q、V分别为地震水平、垂直惯性力；

u为作用于土条底面的孔隙水压力或超静孔隙水压力；

α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；

b为土条宽度；

c'、φ'为土条底面的有效应力抗剪强度指标；

Mc为地震水平惯性力对圆心的力矩；

R为滑弧半径；

(1-3)根据计算的土石坝坝基二维拟静力法参数进行土石坝坝基液化检测判断。

2.如权利要求1所述的二维拟静力法简化判断方法，其特征在于：所述步骤(1-1)包括初判步骤(1-1-1)及复判步骤(1-1-2)，且根据初判步骤及复判步骤计算出土石坝坝基液化边界条件。

3.如权利要求2所述的二维拟静力法简化判断方法，其特征在于：所述初判步骤(1-1-1)采用年代法或粒径法或地下水位深度法判断。

4.如权利要求2所述的二维拟静力法简化判断方法，其特征在于：所述复判步骤(1-1-2)采用动力试验法，采用动三轴试验得到土石坝坝基土体动力参数，结合SEED剪应力对比法判断。

5.如权利要求4所述的二维拟静力法简化判断方法，其特征在于：所述动力试验法实验过程中测量出土石坝坝基土体实际超静孔隙水压力的分布和地震残余位移。

6.如权利要求5所述的二维拟静力法简化判断方法，其特征在于：所述复判步骤(1-1-2)之后，建立土石坝坝基三维有限元，输入土体动力参数、地震动参数，计算土层液化度，判断液化发生程度；当液化度大于0.8时判断发生液化。

7.如权利要求5所述的二维拟静力法简化判断方法，其特征在于：所述步骤(1-1-2)还包括：当超静孔隙水压力对计算浸润线造成影响时，计算滑面各土石坝坝基土体中液化土层的孔隙水压力，作为该层土重的反向荷载分土条施加，所述抗滑稳定性公式中的u为计入超静孔隙水压力的实际值。

8.如权利要求5所述的二维拟静力法抗剪参数简化方法，其特征在于：所述步骤(1-1-2)还包括：当超静孔隙水压力对计算浸润线造成影响时，采用内摩擦角等效替换法，将所述抗滑稳定性公式进行变换，设σtanφ₀'＝(σ-u)tanφ'，则τ＝c'+σtanφ₀'，将超静孔隙水压力影响包含在液化层土体内摩擦角中，此时，液化层土体计算内摩擦角为：式中ζ为有效应力与总应力之比。

9.如权利要求5所述的二维拟静力法抗剪参数简化方法，其特征在于：所述步骤(1-1-2)还包括：当超静孔隙水压力对计算浸润线造成影响时，基于液化度理论的计算方法，取k＝(β/D)tanφ'，按照此折减系数公式可反算出液化后计算需要的内摩擦角：