CN117951921A - 一种边坡地震易损性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种边坡地震易损性评估方法，包括：获取边坡不同土层的土体物理参数来构建边坡二维非线性动力分析模型；利用该模型，对应得到一系列与PGA对应的边坡最大位移；根据边坡最大位移，确定边坡每个震害等级对应的PGA；根据边坡每个震害等级对应的PGA，确定边坡不同损伤状态分别对应的超越概率，以构建不同震害等级对应的易损性曲线；根据地震烈度与PGA的转换关系以及损性曲线，确定每个地震烈度对应的超越概率；最后根据每个地震烈度对应的超越概率，确定每个地震烈度对应的破坏概率。本发明方法能够更准确地评估边坡在地震作用下的抗震易损性。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程地震工程技术领域，尤其涉及一种边坡地震易损性评估方法。
背景技术
在岩土工程地震工程领域中，边坡的稳定性评价是极其重要的环节。传统的边坡稳定性分析方法通常包括限平衡法、有限元法等，这些方法以静态的方式考察边坡稳定性，主要依赖于经验公式和安全系数等静态参数。然而，这些静态方法对于评估边坡在复杂地震荷载作用下的动态响应及稳定性存在明显的局限性。
近年来，随着计算机技术的快速发展，增量动力分析（Incremental DynamicAnalysis，IDA）方法在结构工程中的应用日益广泛。IDA能够通过逐步增大地震动输入，系统地分析和评估结构在不同地震强度下的动态响应。这使得IDA在地震易损性分析中具有很大的潜力。尽管IDA方法在结构抗震分析中得到了广泛应用，但是其在边坡抗震分析中的应用研究仍然相对较少。边坡与常规结构存在很大差异，如边坡的形状、物理性质和受力条件等都更加复杂，因此不能直接将结构的IDA方法应用于边坡。
特别地，边坡的非线性行为在地震作用下会变得更加复杂，因此传统的线性弹性模型无法准确描述边坡的动态响应。此外，边坡滑动的发生往往涉及到复杂的非线性过程，例如塑性变形、裂缝扩展、土体松动等，这些过程都需要在动态分析中得到合理的模拟。而IDA的现有研究和应用主要集中在结构工程领域，边坡的这些特殊性质和需求在现有的IDA方法中尚未得到充分的考虑和解决。如何针对边坡的特性，合理地应用IDA方法，建立边坡的地震易损性分析模型，是当前的研究热点和难点。
发明内容
本发明提供一种边坡地震易损性评估方法，以克服现有技术的不足，提高边坡地震易损性分析的准确性和效率。
一种边坡地震易损性评估方法，包括如下步骤：
步骤一：获取边坡不同土层的土体物理参数；所述土体物理参数包括：土层、重度、黏聚力、内摩擦角；
步骤二：根据所述不同土层的土体物理参数，构建边坡二维非线性动力分析模型；
步骤三：利用所述边坡二维非线性动力分析模型，通过逐步增大地面峰值加速度（Peak Ground Acceleration，以下简称：PGA），从而得到一系列与所述PGA对应的边坡最大位移或者边坡最大速度；
步骤四：根据所述边坡最大位移，确定边坡每个震害等级对应的PGA；
步骤五：根据边坡每个震害等级对应的PGA，构建边坡不同损伤状态分别对应的回归曲线；并根据所述回归曲线，确定边坡不同损伤状态分别对应的超越概率；
步骤六：根据边坡不同损伤状态分别对应的超越概率，构建不同损伤状态分别对应的易损性曲线；所述易损性曲线的横坐标为PGA，纵坐标为超越概率；
步骤七：根据地震烈度与 PGA 的转换关系，确定每个地震烈度对应的PGA，并根据每个地震烈度对应的PGA，从对应的所述损性曲线上，确定每个地震烈度对应的超越概率；
步骤八：根据所述每个地震烈度对应的超越概率，确定每个地震烈度对应的破坏概率。
进一步地，如上所述的边坡地震易损性评估方法，所述步骤三包括：依据所述边坡二维非线性动力分析模型，确定边坡临界滑面，在该边坡临界滑面的坡顶、坡中、坡脚上分别布设动力监测点，通过逐步增大地面峰值加速度PGA，依据布设的所述动力监测点来获取所述边坡最大位移或者边坡最大速度。
进一步地，如上所述的边坡地震易损性评估方法，步骤五中所述回归曲线的构建包括：以每个PGA对应的边坡最大位移除以每种损伤状态下边坡能承受的位移界限值的对数值作为回归曲线的纵坐标，以PGA的对数作为回归曲线的横坐标绘制回归曲线，从而得到边坡不同损伤状态分别对应的回归曲线。
进一步地，如上所述的边坡地震易损性评估方法，所述每种损伤状态下边坡能承受的位移界限值利用50%IDA分位曲线得到。
进一步地，如上所述的边坡地震易损性评估方法，所述根据所述回归曲线，确定边坡不同损伤状态分别对应的超越概率包括：根据不同损伤状态的回归曲线，分别确定其对应的均值和标准差，并以对应的所述均值和标准差之比作为正态密度分布函数X,X对应的正态密度分布函数概率为超越概率，从而得到边坡不同损伤状态分别对应的超越概率。
进一步地，如上所述的边坡地震易损性评估方法，所述易损性曲线为基于速度的易损性曲线。
本发明提供的边坡地震易损性评估方法，通过逐步增大地面峰值加速度PGA，从而得到一系列与PGA对应的边坡最大位移或者边坡的最大速度；然后根据边坡最大位移，构建了边坡不同损伤状态分别对应的回归曲线；并根据回归曲线，确定了边坡不同损伤状态分别对应的超越概率，并最终根据不同损伤状态分别对应的超越概率，确定了每个地震烈度对应的破坏概率。该方法能够更准确和高效地评估边坡在地震作用下的抗震易损性，且适用范围广，计算方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的边坡地震易损性评估方法流程图；
图2为本发明提供的边坡几何模型示意图；
图3为边坡临界滑面搜索示意图；
图4为依据图3建立的动力指标监测模型；
图5为边坡位移IDA曲线；
图6为边坡速度IDA曲线；
图7为位移IDA分位曲线；
图8为速度IDA分位曲线；
图9为轻微损伤状态下的位移回归曲线；
图10为中分损伤状态下的位移回归曲线；
图11为严重损伤状态下的位移回归曲线；
图12为完全毁坏状态下的位移回归曲线；
图13为轻微损伤状态下的速度回归曲线；
图14为中分损伤状态下的速度回归曲线；
图15为严重损伤状态下的速度回归曲线；
图16为完全毁坏状态下的速度回归曲线；
图17为基于位移指标的易损性曲线；
图18为基于速度指标的易损性曲线；
图19为不同地震烈度的地面峰值加速度示意图；
图20为某实际边坡易损性矩阵示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明提供的边坡地震易损性评估方法流程图，如图1所示，该方法包括：
步骤一：获取边坡不同土层的土体物理参数；每个土层的所述土体物理参数包括：土层、每个土层对应的重度、黏聚力、内摩擦角。
具体地，通过现场勘察和打孔得到边坡的几何尺寸和土层大体位置，从而获得边坡几何模型，图2为本发明提供的边坡几何模型示意图。其中，不同土层包括：红黏土、粉质粘土、泥石层、砂质粘土l、泥石层、砂质粘土、强风化玄武岩、弱风化玄武岩。
以寻甸某实际边坡为例，其经度为103°15′5.7″，纬度为25°41′01″。该边坡高62m，长100m，包含8个土层，对底部边界约束z方向，两侧约束为x，y方向，从而获得寻甸边坡几何模型。然后，依据寻甸边坡几何模型，采用gid建模软件建立边坡二维非线性动力分析模型，通过设置边坡瑞利阻尼系数，对边坡结构进行动力弹塑性时程分析。表1为通过室内实验确定的边坡力学参数。
表1寻甸边坡土体物理性质
步骤二：根据所述不同土层的土体物理参数，构建边坡二维非线性动力分析模型。
具体地，根据图2所示的边坡几何模型，采用gid建模软件建立该边坡二维非线性动力分析模型，设置边坡瑞利阻尼系数，对底部边界约束z方向，两侧约束为x，y方向，基于IDA方法通过OpenSees软件对边坡结构进行动力弹塑性时程分析，逐步增大地面峰值加速度PGA，从而得到一系列与所述PGA对应的边坡最大位移或者边坡最大速度。
进一步地，获取边坡的最大速度和最大位移包括：依据所述边坡二维非线性动力分析模型，确定边坡临界滑面，在该边坡临界滑面的坡顶、坡中、坡脚上分别布设动力监测点，通过逐步增大地面峰值加速度PGA，依据布设的所述动力监测点来获取所述边坡最大速度或边坡最大位移。
具体地，由于边坡最大位移和边坡最大速度往往出现在滑动面上，但如果仅将监测点布设到最危险滑动面上不够全面。因此，本发明通过FLAC3d软件搜索边坡局部滑面，得到边坡临界滑面搜索示意图，图3为边坡临界滑面搜索示意图，依据图3，在坡体表面（坡顶，坡中，坡脚）和临界滑面所在位置均布设动力监测点，监测点的具体位置监测点位于同一纵截面，具体布置情况如图4所示，图4为依据图3建立的动力指标监测模型。
步骤三：利用构建的所述边坡二维非线性动力分析模型，通过逐步增大地面峰值加速度PGA，从而得到一系列与PGA对应的边坡最大位移或者边坡的最大速度。
具体地，PGA 和加速度反应谱 Sa 是比较好的两个地震动强度指标。加速度反应谱 Sa与结构基本周期有关，虽然比PGA能更好地描述地震动强度与结构损伤状态之间的关系，但在进行风险评估时结构参数不够充分，这给选用谱参数作为地震动强度指标的研究带来很大阻力。因此，本发明选用PGA作为地震动强度指标，不但简单易得，而且PGA 直接与地震的惯性作用有关，且 PGA 的测定能较好地避免烈度等其他指标测定中的主观因素，因此选取 PGA 作为地震动强度指标来获取边坡最大位移或者边坡的最大速度，不但高效，而且精确。
步骤四：根据所述边坡最大位移，确定边坡每个震害等级对应的PGA。
具体地，根据中国《生命线工程地震破坏等级划分 ( GB /T 24336—2009) 》和美国 HAZUS99 将公路和桥梁震害划分5级，可将边坡震害等级分为：基本完好、轻微损伤、中等损伤、严重损伤、完全毁坏5级状态，其公路边坡震害等级与震害损伤参数对应关系，如表2所示。本发明结合表2以及公式（1），即可确定每个震害等级对应的PGA。
（1）
其中，表示边坡最大位移。
表2 公路边坡震害等级与震害损伤参数对应关系
由公式（1）可以得出不同PGA对应的边坡最大位移大小，结合表2中的震害等级与震害损伤参数对应关系，可以得出不同损伤状态对应的不同PGA范围，可以得出当PGA处于0.12 g以内时，边坡处于基本完好状态：当PGA达到0.12g-0.29g内趋于轻微破坏状态；当PGA达到0.29g-0.46g内趋于中等损坏状态；当PGA达到0.46g-0.62g内趋于严重损伤状态；当PGA大于1.1g趋于完全毁坏状态。
步骤五：根据边坡每个震害等级对应的PGA，构建边坡不同损伤状态分别对应的回归曲线；并根据所述回归曲线，确定边坡不同损伤状态分别对应的超越概率。
具体地，所述回归曲线的构建包括：以每个PGA对应的边坡最大位移除以每种损伤状态下能承受的位移界限值的对数值作为回归曲线的纵坐标，以PGA的对数作为回归曲线的横坐标绘制回归曲线，对应得到不同损伤状态的回归曲线。
具体地，本发明采用基于损伤指数的能力需求比模型的曲线拟合法进行拟合，得到所述回归曲线，该回归曲线以ln(Sd/Sc)对ln(PGA)的多项式进行回归分析，从而可以得到均值和标准差：
（2）
（3）
则，不同水平地震下损伤超越概率：
（4）
式中，a，b，c为回归系数，Sr是各离散点相对于回归曲线的残差平方和，n为离散点个数，Sd表示边坡最大速度或者边坡最大位移，Sc表示边坡的损伤指标界限值。
其中，所述边坡的损伤指标界限值依据IDA曲线得到。IDA分析方法为：通过逐步增大地震动输入，系统地分析和评估结构在不同地震强度下的动态响应的分析方法。逐步增大地震动输入一般通过调整每条地震波的峰值加速度PGA实现，该IDA曲线的横坐标为边坡最大位移，纵坐标为PGA。通过调整地震动强度，记录每一条地震动的 PGA从0.1g～10g之间的地震动记录，0.1g～1g之间PGA增量为0.1g，1g～10g之间PGA增量为1g, 结合这些地震动对边坡进行一系列的非线性时程分析，得到边坡最大位移、边坡最大速度的响应值,将该边坡最大位移、边坡最大速度所有数据汇总处理，从而对应得到边坡位移的IDA曲线（图5）以及边坡速度的IDA曲线（图6）。
本发明为了更加精确地评估表示边坡的地震响应特性，需要对多条记录IDA曲线输出结果进行统计分析。由于不同的IDA曲线之间强度等级相差很大，为衡量各个控制参数的变异性，找出17%，50%，83%分位曲线来表示全部IDA曲线的离散性和平均水平。因为50%分位曲线能够反映全部IDA曲线的平均反应水平，故本发明选取位移50%分位IDA曲线损伤对应PGA的位移作为损伤评估指标（见图7、图8），从而分别得出不同损伤状态的位移和速度取值范围，为后面的易损性分析提供了损伤指标依据（如表3）。
表3 损伤评估表
进一步地，所述每种损伤状态下能承受的位移界限值利用50%IDA分位曲线得到。例如：依据表3，损伤情况为基本完好的50%分位曲线对应的损伤位移指标范围为0~0.04m，则该状态下下能承受的位移界限值为0.04m。
进一步的，所述根据所述回归曲线，确定边坡不同损伤状态分别对应的超越概率包括：根据不同损伤状态的回归曲线，确定其对应的均值和标准差，并以所述均值和标准差之比作为正态密度分布函数X,X对应的正态密度分布函数概率为超越概率，从而得到对应不同损伤状态的超越概率。
具体地，根据震级、震源、场地条件、地震断层距、强震记录、观测对象、强震仪的有效频率等条件，选取地震波数据库做易损性分析。该数据库包括远场的20条地震波和近场的28条地震波，对于一般结构，可以只采用远场地震波分析即可。本发明选取了远场的12条地震波进行边坡易损性分析。在每种情况下，边坡最大位移或边坡最大速度除以每种损伤状态下能承受的位移或速度阀值，并绘制在对数刻度上(见图9-图16），然后进行回归分析，以建立预期损伤和PGA之间的关系。
步骤六：根据边坡不同损伤状态分别对应的超越概率，构建不同损伤状态分别对应的易损性曲线；所述易损性曲线的横坐标为PGA，纵坐标为超越概率。
具体地，所述易损性曲线的构建包括：以PGA作为易损性曲线的横坐标，以所述不同损伤状态的超越概率作为易损性曲线的纵坐标，从而构建得到对应不同损伤等级的易损性曲线。通过回归曲线得到均值和标准差，通过查询标准正态分布函数表均值和标准差之比所对应的概率可以画出不同指标的易损性曲线，基于速度和位移指标的易损性曲线（见图17-图18）可以用来反映边坡的抗震能力。在获得地震易损性曲线后，可确定边坡在给定的地震作用下损伤破坏的概率，由此可对其进行损伤评估。如图17和图18所示，与基于位移指标的易损性曲线超越概率相比，基于速度指标的易损性曲线超越概率更高，更具有安全储备，故本发明采用基于速度指标的易损性曲线进行损伤评估。
当 PGA=0.12g 时边坡处于轻微破坏状态的超越概率为37.12%，其他状态超越概率接近于0；当PGA=0.29g时，边坡处于中等破坏状态的超越概率为64.48%；当 PGA=0.62g时，边坡处于严重破坏状态的超越概率为53.41%；当 PGA=0.95g 时，边坡处于完全毁坏状态的超越概率为 41.12%。因此，通过易损性曲线可以判断出当 PGA 达到某一值时边坡可能发生的破坏状态。
步骤七：根据地震烈度与 PGA 的转换关系，确定每个地震烈度对应的PGA，并根据每个地震烈度对应的PGA，从对应的所述损性曲线上，确定每个地震烈度对应的超越概率。
具体地，地震烈度与 PGA 的转换关系下式：
（5）
其中，I表示地震烈度。通过该公式得到PGA和地震烈度对应关系图19所示。
步骤八：根据所述每个地震烈度对应的超越概率，确定每个地震烈度对应的破坏概率。
具体地，以地震烈度与 PGA 的转换关系，结合易损性曲线，构建易损性矩阵，从而对边坡抗震水平做出评价。其中，四条易损性曲线，通过1减最上面的易损性曲线超越概率得出基本完好的破坏概率，最上面的易损性曲线超越概率减去下面最接近它的易损性曲线超越概率为下一等级的破坏概率，下面也如此，完全毁坏等级的破坏概率取超越概率即可，具体如下：
基本完好破坏概率=1-轻微损伤超越概率；
轻微损伤破坏概率=轻微损伤超越概率-中等损伤超越概率；
中等损伤破坏概率=中等损伤超越概率-严重损伤超越概率；
严重损伤破坏概率=严重损伤超越概率-完全毁坏超越概率；
完全毁坏破坏概率=完全毁坏超越概率。
如图20所示，通过基于速度指标的易损性曲线可得出某实际边坡的易损性矩阵。易损性矩阵（破坏概率矩阵）能够将边坡的破坏程度划分为几个等级，由地震烈度对应的边坡失效概率确定结构的破坏等级。
本发明提供的方法，具有如下优势：
1、能够精准评估地震对边坡稳定性的影响，提高了抗震设计和防灾规划的科学性；
2、简化了易损性分析过程，优化了工作流程，使工程技术人员可以更高效地进行地震易损性评估，减少了时间成本；
3、通过降低对计算能力和专业知识的需求，本发明为非专业用户提供了一种可行的易损性评估方法，扩大了边坡抗震易损性评估方法的使用人群，增强了其普适性。
4、可以更全面地考虑地震的动态效应，以及边坡的开放系统特性、复杂受力情况和非线性行为等。
综上，本发明提供的方法对提升社会抗震能力、优化工作流程、扩大易损性评估方法的使用人群以及适应未来抗震需求等方面都具有重要的价值和贡献。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种边坡地震易损性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：获取边坡不同土层的土体物理参数；所述土体物理参数包括：土层、重度、黏聚力、内摩擦角；
步骤二：根据所述不同土层的土体物理参数，构建边坡二维非线性动力分析模型；
步骤三：利用所述边坡二维非线性动力分析模型，通过逐步增大地面峰值加速度PGA，从而得到一系列与所述PGA对应的边坡最大位移或者边坡最大速度；
步骤四：根据所述边坡最大位移，确定边坡每个震害等级对应的PGA；
步骤五：根据边坡每个震害等级对应的PGA，构建边坡不同损伤状态分别对应的回归曲线；并根据所述回归曲线，确定边坡不同损伤状态分别对应的超越概率；
步骤六：根据边坡不同损伤状态分别对应的超越概率，构建不同损伤状态分别对应的易损性曲线；所述易损性曲线的横坐标为PGA，纵坐标为超越概率；
步骤七：根据地震烈度与 PGA 的转换关系，确定每个地震烈度对应的PGA，并根据每个地震烈度对应的PGA，从对应的所述损性曲线上，确定每个地震烈度对应的超越概率；
步骤八：根据所述每个地震烈度对应的超越概率，确定每个地震烈度对应的破坏概率。
2.根据权利要求1所述的边坡地震易损性评估方法，其特征在于，所述步骤三包括：依据所述边坡二维非线性动力分析模型，确定边坡临界滑面，在该边坡临界滑面的坡顶、坡中、坡脚上分别布设动力监测点，通过逐步增大地面峰值加速度PGA，依据布设的所述动力监测点来获取所述边坡最大位移或者边坡最大速度。
3.根据权利要求1所述的边坡地震易损性评估方法，其特征在于，步骤五中所述回归曲线的构建包括：以每个PGA对应的边坡最大位移除以每种损伤状态下边坡能承受的位移界限值的对数值作为回归曲线的纵坐标，以PGA的对数作为回归曲线的横坐标绘制回归曲线，从而得到边坡不同损伤状态分别对应的回归曲线。
4.根据权利要求3所述的边坡地震易损性评估方法，其特征在于，所述每种损伤状态下边坡能承受的位移界限值利用50%IDA分位曲线得到。
5.根据权利要求3所述的边坡地震易损性评估方法，其特征在于，所述根据所述回归曲线，确定边坡不同损伤状态分别对应的超越概率包括：根据不同损伤状态的回归曲线，分别确定其对应的均值和标准差，并以对应的所述均值和标准差之比作为正态密度分布函数X,X对应的正态密度分布函数概率为超越概率，从而得到边坡不同损伤状态分别对应的超越概率。
6.根据权利要求1所述的边坡地震易损性评估方法，其特征在于，所述易损性曲线为基于速度的易损性曲线。
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