一种基于性能的活动断裂带高陡边坡抗震设计方法

本发明涉及边坡工程抗震，更具体地说，它涉及一种基于性能的活动断裂带高陡边坡抗震设计方法。

背景技术：

1、地震地质灾害种类多，破坏性强。据统计，滑坡、崩塌是地震地质灾害最主要的类型，约占山区地质灾害的80％以上。地震边坡(尤其高陡边坡)失稳破坏常常产生重大滑坡灾害，对其影响范围内的基础设施产生重大冲击破坏，进而导致严重的人员伤亡和巨大的财产损失；同时，这些地震边坡灾害往往冲毁阻断交通生命线，有时还带来严重的生态环境破坏，导致不可估量的间接损失。我国地处环太平洋地震带和喜马拉雅—地中海地震带之间，强震分布广，地震滑坡破坏性严重，特别是山区交通线路所处的区域，其地形地貌，断层构造，地质及气候等条件十分复杂，环境背景条件脆弱，由地震触发的地质灾害极为严重。地震诱发滑坡的分布规律研究成果显示，大多数地震边坡失稳破坏分布在发震断层的临近范围内，而近活动断裂带强震区地震动具有断层类型关联性强、竖向分量大、方向效应突出、长周期脉冲特性显著等特点，高陡边坡对地震动具有显著的放大效应。地震诱发滑坡的近断层分布规律及与断层走向的特定关系说明近断层地震动特性对滑坡的启动和分布发育起着非常重要的作用。

2、另一方面，随着国家在强震山区的不断深入，铁路公路、梯级水电、西电东送、油气管线等重大基础设施在西部山区具有巨大建设需求和发展空间，如从青藏高原东缘进藏的这些陆地交通工程将穿越多条地震带、不同时代的活动断裂等，地震烈度相对较大，将对沿线区域的高陡边坡稳定性产生重大影响，活动断裂带高陡边坡的抗震设计已成为强震山区工程建设中亟待解决的重大问题。

3、基于性能的抗震设计是以研究对象的抗震性能分析为基础，根据设防目标的不同，将研究对象的抗震性能划分为不同的等级，工程师根据国家和地方标准，结合使用者的要求，采用既安全又经济合理的抗震性能目标进行抗震设计。

4、现行的边坡工程抗震设计规范规定，在考虑地震荷载的情况下，仅要求边坡满足安全系数要求，其本质上是一种基于力的控制指标。多次地震事件表明，安全系数并不能准确反应边坡的稳定性，而评价边坡稳定最直接的指标是位移。以边坡永久位移为控制指标，将是未来的发展方向。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于性能的活动断裂带高陡边坡抗震设计方法，选用永久位移为控制指标考虑了地震引起的边坡位移，为活动断裂带高陡边坡的抗震设计提供了一种新的，更加科学合理的设计方法。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于性能的活动断裂带高陡边坡抗震设计方法，包括如下步骤方法：

3、s1：确定边坡工程安全等级；边坡工程应根据其损坏后造成的破坏后果的严重性、边坡类型和高度多种因素确定边坡工程安全等级；

4、s2：确定地震设防水准；活动断裂带高陡边坡设立四个等级的抗震设防水准；

5、s3：划分性能水平；活动断裂带高陡边坡的抗震性能应满足安全性和可修复性的性能要求，将边坡性能水平划分为三个等级；

6、s4：选择性能目标；选择合适的性能目标，能减轻工程的地震破坏、经济损失和人员伤亡，保障结构在地震作用下的使用功能；

7、s5：确定永久位移指标；以永久位移为指标评价活动断裂带高陡边坡稳定性状态，根据不同的性能水平确定边坡允许的永久位移指标；

8、s6：活动断裂带高陡边坡永久位移计算；采用newmark滑块方法进行计算，其临界加速度关于安全系数的方程计算公式：

9、ac＝(fos-1)gsinα                    (1)

10、其中，ac为滑块的临界加速度(m/s2)；fos为安全系数(抗滑阻力与下滑力的比值)；g为重力加速度(m/s2)；α为边坡的坡角；

11、s7：判断计算的活动断裂带高陡边坡永久位移值是否满足不同性能水平确定的边坡允许的永久位移值指标；不满足需进行抗震设计，重新计算永久位移值，直到满足允许的永久位移指标为止。

12、本发明进一步设置为：地震加速度超过临界加速度ac时，滑坡体克服滑动面抗剪力的阻碍开始滑动，滑块与无限边坡的相对位移数值通过对超过临界加速度的地震加速度时程增量进行两次积分计算，计算公式为：

13、dn＝∫∫t(a(t)-ac)dt                      (2)

14、本发明进一步设置为：对newmark永久位移分析方法进行改进，改进后newmark滑块方法的边坡临界加速度方程计算公式为：

15、

16、

17、ah＝aesinη+ancosη                (5)

18、apara＝ahcosα-avsinα               (6)

19、aperp＝ahsinα+avcosα               (7)

20、式中：ac-up为平行坡面向上的临界加速度(m/s2)；ac-down为平行坡面向下的临界加速度(m/s2)；n为迭代时刻步数；ah水平地震加速度(m/s2)；av为竖向地震加速度(m/s2)；apara为平行于坡面方向的加速度(m/s2)；aperp为垂直于坡面方向的加速度(m/s2)；ae为分解在正东方向的地震加速度(m/s2)；an为分解在正北方向的地震加速度(m/s2)；c为粘聚力(kpa)；m为滑动块体质量(kg)；l为滑动块体的长度(m)；为内摩擦角(°)；η边坡坡向(°)。

21、本发明进一步设置为：边坡在地震作用下滑块产生的位移计算公式为：

22、v(s)(n)＝v(s)(n-1)+[(1-γ)a(s)(n-1)+γa(s)(n)]δt        (8)

23、

24、式中：v(s)(n)表示滑块第n时步的速度(m/s)；d(s)(n)表示滑块第n时步的位移(m)；a(s)(n)表示滑块的第n时步的临界加速度(m/s2)；β和γ表示迭代参数，β＝0.5，γ＝1。

25、综上所述，本发明具有以下有益效果：提供了一种基于性能的方法，选用永久位移为控制指标，为活动断裂带高陡边坡的抗震设计提供了一种新的，更加科学合理的设计方法。

技术特征：

1.一种基于性能的活动断裂带高陡边坡抗震设计方法，其特征是：包括如下步骤方法：

2.根据权利要求1所述的一种基于性能的活动断裂带高陡边坡抗震设计方法，其特征是：地震加速度超过临界加速度ac时，滑坡体克服滑动面抗滑力的阻碍开始滑动，滑块与边坡的相对位移数值通过对超过临界加速度的地震加速度时程增量进行两次积分计算，计算公式为：

3.根据权利要求1所述的一种基于性能的活动断裂带高陡边坡抗震设计方法，其特征是：对newmark永久位移分析方法进行改进，改进后newmark滑块方法的边坡临界加速度方程计算公式为：

4.根据权利要求3所述的一种基于性能的活动断裂带高陡边坡抗震设计方法，其特征是：边坡在地震作用下滑块产生的位移计算公式为：

技术总结
本发明公开了一种基于性能的活动断裂带高陡边坡抗震设计方法，涉及边坡工程抗震技术领域，其技术方案要点是：S1：确定边坡工程安全等级；S2：确定地震设防水准；活动断裂带高陡边坡设立四个等级的抗震设防水准；S3：划分性能水平；S4：选择性能目标；S5：确定永久位移指标；S6：活动断裂带高陡边坡永久位移计算。提供了一种基于性能的方法，选用永久位移为控制指标考虑了地震引起的边坡位移，为活动断裂带高陡边坡的抗震设计提供了一种新的，更加科学合理的设计方法。

技术研发人员：张迎宾,俞强山,李得建,曾营,徐佩依,柳静,胡兵,肖遥
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16