本發(fā)明涉及土石壩地震液化判斷安全監(jiān)測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體提出一種土石壩壩基液化條件下的二維擬靜力法簡(jiǎn)化判斷方法。
背景技術(shù)：
：大壩又稱為攔河壩，是堤壩式水電站中的主要壅水建筑物。其作用是抬高河流水位，形成上游調(diào)節(jié)水庫(kù)，大壩可分為混凝土壩和土石壩兩大類。土石壩具體包括土壩、堆石壩、土石混合壩等，具有就地取材、節(jié)約水泥、對(duì)壩址地基條件要求較低等優(yōu)點(diǎn)。由于土石壩在水庫(kù)、電站工作中起至關(guān)重要作用，因此土石壩的安全監(jiān)測(cè)及故障判斷至關(guān)重要。由于大壩失事原因是多方面的，其表現(xiàn)形式和可能發(fā)生的部位因各壩具體條件而異。因此，在大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)壩型、壩體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件等，選定具體監(jiān)測(cè)方法，不同壩型的主要觀測(cè)項(xiàng)目如下。1)土壩、土石混合壩失事的主要原因常是滲透破壞和壩坡失穩(wěn)，主要觀測(cè)項(xiàng)目有垂直和水平位移、裂縫、浸潤(rùn)線、滲流量、土壓力、孔隙水壓力等。2)混凝土壩:失事的主要原因是壩體、壩基內(nèi)部應(yīng)力和揚(yáng)壓力超出設(shè)計(jì)限度，主要觀測(cè)項(xiàng)目有變形、應(yīng)力、溫度、滲流量、揚(yáng)壓力和伸縮縫等。此外，對(duì)泄水建筑物應(yīng)進(jìn)行泄流觀測(cè)和必要的水工建筑物觀測(cè)。我國(guó)土石壩抗震設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到絕大多數(shù)為中小水庫(kù)，無(wú)法廣泛采用動(dòng)力分析，且其需要的計(jì)算參數(shù)及工程安全判據(jù)方面尚不充分，因此現(xiàn)有技術(shù)中仍然以擬靜力法作為主要分析方法，擬靜力方法也稱為等效荷載法，即通過(guò)反應(yīng)譜理論將地震對(duì)建筑物的作用以等效荷載的方法來(lái)表示，然后根據(jù)這一等效荷載用靜力分析的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力和位移計(jì)算，以驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的抗震承載力和變形。但目前擬靜力法分析方法中僅對(duì)高烈度區(qū)大型土石壩和地基中存在可液化土的土石壩，提出了動(dòng)力計(jì)算綜合判斷的要求，沒(méi)有動(dòng)力計(jì)算成果安全標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)于目前的判斷方法具有優(yōu)化評(píng)判方法的空間，更好地應(yīng)用于具體實(shí)際情況有必要意義。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，優(yōu)化現(xiàn)有土石壩地震液化檢測(cè)判斷方法，具有與常用的商業(yè)軟件良好結(jié)合，簡(jiǎn)化判斷方式，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際結(jié)合的特點(diǎn)，方便應(yīng)用性強(qiáng)。本發(fā)明提出一種土石壩壩基液化條件下的二維擬靜力法抗剪參數(shù)簡(jiǎn)化方法，它包括以下步驟：(1-1)土石壩壩基液化邊界條件判斷；(1-2)滿足液化邊界條件時(shí)，計(jì)算土石壩壩基二維擬靜力法參數(shù)，所述參數(shù)包括土體抗剪強(qiáng)度與抗滑穩(wěn)定性，所述土體抗剪強(qiáng)度采用有效應(yīng)力法計(jì)算；所述有效應(yīng)力計(jì)算公式為：τ＝c'+(σ-u)tanφ'＝c'+σ'tanφ'式中：τ為土體的抗剪強(qiáng)度；c'、φ'有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)于液化砂土，c'＝0；σ、σ'分別為土體法向總應(yīng)力、有效應(yīng)力；u為孔隙水壓力。所述抗滑穩(wěn)定性計(jì)算采用圓弧條分法計(jì)算；所述抗滑穩(wěn)定性計(jì)算公式為式中：w為土條重力；q、v分別為地震水平、垂直慣性力；u為作用于土條底面的孔隙水壓力或超靜孔隙水壓力；α為條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；b為土條寬度；c'、φ'為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；mc為地震水平慣性力對(duì)圓心的力矩；r為滑弧半徑；(1-3)根據(jù)計(jì)算的土石壩壩基二維擬靜力法參數(shù)進(jìn)行土石壩壩基液化檢測(cè)判斷。進(jìn)一步的方案，所述步驟(1-1)包括初判步驟(1-1-1)及復(fù)判步驟(1-1-2)，且根據(jù)初判及復(fù)判步驟計(jì)算出土石壩壩基液化邊界條件。進(jìn)一步的方案，所述初判步驟(1-1-1)采用年代法或粒徑法或地下水位深度法判斷。進(jìn)一步的方案，所述復(fù)判步驟(1-1-2)采用動(dòng)力試驗(yàn)法，采用動(dòng)三軸試驗(yàn)得到土石壩壩基土體動(dòng)力參數(shù)，結(jié)合seed剪應(yīng)力對(duì)比法判斷。進(jìn)一步的方案，所述動(dòng)力試驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量出土石壩壩基土體實(shí)際超靜孔隙水壓力的分布和地震殘余位移。進(jìn)一步的方案，所述復(fù)判步驟(1-1-2)之后，建立土石壩壩基三維有限元，輸入土體動(dòng)力參數(shù)、地震動(dòng)參數(shù)，計(jì)算土層液化度，判斷液化發(fā)生程度；當(dāng)液化度大于0.8時(shí)判斷發(fā)生液化。進(jìn)一步的方案，所述步驟(1-1-2)還包括：當(dāng)超靜孔隙水壓力對(duì)計(jì)算浸潤(rùn)線造成影響時(shí)，計(jì)算滑面各土石壩壩基土體中液化土層的孔隙水壓力，作為該層土重的反向荷載分土條施加，所述抗滑穩(wěn)定性公式中的u為計(jì)入超靜孔隙水壓力的實(shí)際值；進(jìn)一步的方案，所述步驟(1-1-2)還包括：當(dāng)超靜孔隙水壓力對(duì)計(jì)算浸潤(rùn)線造成影響時(shí)，采用內(nèi)摩擦角等效替換法：將所述抗滑穩(wěn)定性公式進(jìn)行變換，設(shè)，則將超靜孔隙水壓力影響包含在液化層土體內(nèi)摩擦角中，此時(shí)，液化層土體計(jì)算內(nèi)摩擦角為：式中ζ為有效應(yīng)力與總應(yīng)力之比。進(jìn)一步的方案，所述步驟(1-1-2)還包括：當(dāng)超靜孔隙水壓力對(duì)計(jì)算浸潤(rùn)線造成影響時(shí)，基于液化度理論的計(jì)算方法，取k＝(β/d)tanφ'。按照此折減系數(shù)公式可反算出液化后計(jì)算需要的內(nèi)摩擦角：本方案的有益效果體現(xiàn)在：1、本方案首先針對(duì)土石壩壩基液化邊界條件判斷，滿足液化邊界條件后在計(jì)算土石壩壩基二維擬靜力法參數(shù)，所述參數(shù)包括土體抗剪強(qiáng)度與抗滑穩(wěn)定性，應(yīng)用于二維擬靜力法計(jì)算中，由于行業(yè)規(guī)范中對(duì)擬靜力法成果有明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，將參數(shù)技術(shù)應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)中即可實(shí)現(xiàn)土石壩壩基液化的判斷，實(shí)現(xiàn)了與常用的商業(yè)軟件良好結(jié)合，并且合理考慮地震作用下的孔隙水壓力上升導(dǎo)致抗剪參數(shù)的降低問(wèn)題，具有簡(jiǎn)單有效、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。2、本方案采用多種方法與算法的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐與理論數(shù)據(jù)及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一結(jié)合，集結(jié)合多種判別方法的優(yōu)勢(shì)，具有結(jié)果可靠性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)商業(yè)化軟件操作的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，因此具有便捷效果特點(diǎn)。3、本方案中，在土石壩壩基二維擬靜力法參數(shù)計(jì)算時(shí)，考慮到超靜孔隙水壓力對(duì)計(jì)算浸潤(rùn)線造成影響時(shí)，提出不同計(jì)算方案，具有理論結(jié)合實(shí)際使得判別結(jié)果更貼合實(shí)際，效果更為說(shuō)服力。實(shí)際計(jì)算完成三維動(dòng)力計(jì)算，根據(jù)其成果中的超靜孔隙水壓力分布，進(jìn)行二維擬靜力法計(jì)算，再按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷。然而對(duì)于地基中存在可液化土的土石壩，如何在二維擬靜力法計(jì)算中與常用的商業(yè)軟件良好結(jié)合，合理考慮地震作用下的孔隙水壓力上升導(dǎo)致抗剪參數(shù)的降低問(wèn)題。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明一種土石壩壩基液化條件下的二維擬靜力法簡(jiǎn)化判斷方法步驟流程框圖；圖2為本發(fā)明二維擬靜力法抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)圓弧條分法時(shí)簡(jiǎn)化畢肖普法圖示；圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例土石壩壩基砂層振動(dòng)孔壓與上覆荷載比值λ分布示意圖。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。參看圖1-圖2所示，本發(fā)明提出一種土石壩壩基液化條件下的二維擬靜力法簡(jiǎn)化判斷方法，包括以下步驟：(1-1)土石壩壩基液化邊界條件判斷(s1)，包括初判步驟(1-1-1)及復(fù)判步驟(1-1-2)，且根據(jù)初判及復(fù)判步驟計(jì)算出土石壩壩基液化邊界條件。所述初判步驟(1-1-1)采用年代法或粒徑法或地下水位深度法判斷。所述復(fù)判步驟(1-1-2)采用動(dòng)力試驗(yàn)法，采用動(dòng)三軸試驗(yàn)得到土石壩壩基土體動(dòng)力參數(shù)，結(jié)合seed剪應(yīng)力對(duì)比法判斷。所述動(dòng)力試驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量出土石壩壩基土體實(shí)際超靜孔隙水壓力的分布和地震殘余位移。在此過(guò)程中還可以結(jié)合肉眼觀察試樣變化，判斷是否可能發(fā)生液化。水電規(guī)范和建筑規(guī)范中地震液化的判斷方法基本一致，均分為初判、復(fù)判兩個(gè)階段，初判均采用年代法、粒徑法和地下水位深度法判斷，可以采用三種中的一種，也可以結(jié)合兩種或多種一起判斷，復(fù)判步驟(1-1-2)均以標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)為主要依據(jù)。不同之處在于水電規(guī)范在初判條件上更為嚴(yán)格審慎，更重視多種方法的綜合評(píng)判，且有所側(cè)重的修改；而建筑國(guó)標(biāo)在復(fù)判方法上更為明晰。本實(shí)施中，參考建筑規(guī)范中液化指數(shù)劃分方法進(jìn)行液化等級(jí)判斷，作為分析液化邊界條件嚴(yán)重程度的定量依據(jù)。在完成(1-1)土石壩壩基液化邊界條件判斷之后，符合液化條件的土石壩壩基，再進(jìn)一步計(jì)算其參數(shù)。第二步驟，(1-2)計(jì)算土石壩壩基二維擬靜力法參數(shù)，所述參數(shù)包括土體抗剪強(qiáng)度與抗滑穩(wěn)定性(s2)，所述土體抗剪強(qiáng)度采用有效應(yīng)力法計(jì)算；所述有效應(yīng)力計(jì)算公式為：τ＝c'+(σ-u)tanφ'＝c'+σ'tanφ'式中：τ——土體的抗剪強(qiáng)度；c'、φ'——有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)于液化砂土，c'＝0；σ、σ'——土體法向總應(yīng)力、有效應(yīng)力；u——孔隙水壓力。所述抗滑穩(wěn)定性計(jì)算采用圓弧條分法計(jì)算；計(jì)算公式為：式中：w為土條重力；q、v為地震水平、垂直慣性力；u為作用于土條底面的孔隙水壓力或超靜孔隙水壓力；α為條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；b為土條寬度；c'、φ'為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；mc為地震水平慣性力對(duì)圓心的力矩；r為滑弧半徑；實(shí)際上，土體液化的發(fā)生，就是因?yàn)榈卣鹎闆r下，砂土中排水不暢，孔隙水壓力不斷上升，形成超凈孔隙水壓力，當(dāng)其大于土體法向總應(yīng)力時(shí)，有效應(yīng)力為零，出現(xiàn)土體顆粒懸浮，這就是液化產(chǎn)生的微觀理論，實(shí)際中即發(fā)現(xiàn)冒砂、等液化現(xiàn)象。所述復(fù)判步驟(1-1-2)之后，建立土石壩壩基三維有限元，輸入土體動(dòng)力參數(shù)、地震動(dòng)參數(shù)，計(jì)算土層液化度，判斷液化發(fā)生程度；當(dāng)液化度大于0.8時(shí)判斷發(fā)生液化。地震土體液化時(shí)，超靜孔隙水壓力對(duì)計(jì)算浸潤(rùn)線造成影響，可以按照下面三種方式進(jìn)行處理：1)計(jì)算滑面各土石壩壩基土體中液化土層的孔隙水壓力，作為該層土重的反向荷載分土條施加，所述抗滑穩(wěn)定性公式中的u為計(jì)入超靜孔隙水壓力的實(shí)際值；計(jì)算滑面各土體中液化土層的孔隙水壓力，作為該層土重的反向荷載分土條施加，則公式中的u應(yīng)為計(jì)入超靜孔隙水壓力的實(shí)際值；2)內(nèi)摩擦角等效替換法：將式進(jìn)行變換設(shè)σtanφ0'＝(σ-u)tanφ'，則τ＝c'+σtanφ0'即條分計(jì)算時(shí)，計(jì)算公式不變，將超靜孔隙水壓力影響包含在液化層土體內(nèi)摩擦角中，僅改變計(jì)算參數(shù)即可，此時(shí)，液化層土體計(jì)算內(nèi)摩擦角為：式中ζ為有效應(yīng)力與總應(yīng)力之比。3)基于液化度理論的計(jì)算方法砂層液化后的殘余強(qiáng)度與上部土體應(yīng)力的關(guān)系可按0.05σv～0.15σv考慮，其中σv為上覆有效荷載。對(duì)于具有不同液化度的砂層，假定其剩余強(qiáng)度為βσv/d(β取0.05～0.15)，d為液化度，當(dāng)d＝1即完全液化。靜力狀態(tài)下砂土內(nèi)摩擦角為φ，穩(wěn)定分析時(shí)其抗剪強(qiáng)度為σntanφ，采用靜力狀態(tài)下砂土內(nèi)摩擦角進(jìn)行壩坡擬靜力法分析時(shí)，為了考慮砂土液化引起的強(qiáng)度降低，折減系數(shù)按下式考慮k＝(βσv/d)/σntanφ'。壩基砂層中，近似認(rèn)為σv與σn相等，則k＝(β/d)tanφ'。按照此折減系數(shù)公式可反算出液化后計(jì)算需要的內(nèi)摩擦角：以上方法均需得到計(jì)算滑面各土體中液化土層的孔隙水壓力或液化度，該值一般需要通過(guò)建立三維動(dòng)力模型進(jìn)行分析，因此，采用以上方法時(shí)，均需在三維動(dòng)力模型計(jì)算基礎(chǔ)上方能進(jìn)行。其中：方法1)需要計(jì)算該液化砂層的孔隙水壓力，并分條塊計(jì)入，計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，不易利用已有計(jì)算軟件進(jìn)行分析計(jì)算；方法2)與方法3)則在三維計(jì)算成果基礎(chǔ)上，將液化土層按照有效應(yīng)力與總應(yīng)力之比或液化度分區(qū)，按照等效抗剪參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，目前，可利用河海大學(xué)的《土石壩邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)》hh—sloper1.2或其他計(jì)算程序直接輸入計(jì)算，操作性較強(qiáng)。完成(1-2)計(jì)算土石壩壩基二維擬靜力法參數(shù)計(jì)算后，即可進(jìn)行(1-3)根據(jù)計(jì)算的土石壩壩基二維擬靜力法參數(shù)進(jìn)行土石壩壩基液化檢測(cè)判斷(s3)。具體判斷標(biāo)準(zhǔn)可以結(jié)合行業(yè)規(guī)范中對(duì)擬靜力法成果判斷標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樾袠I(yè)里對(duì)于擬靜力法成果判斷標(biāo)準(zhǔn)已有明確規(guī)定，在此不做贅述。下面結(jié)合本發(fā)明方案及實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明方案及效果進(jìn)行詳細(xì)闡述，以某水電站土石壩壩基為例，經(jīng)地質(zhì)初判步驟及復(fù)判步驟后查明，滿足地震液化邊界條件，并采用反壓平臺(tái)方案進(jìn)行處理。未考慮超靜孔隙水壓力時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)成果確定出該層抗剪參數(shù)的內(nèi)摩擦角為27°。經(jīng)過(guò)三維有限元?jiǎng)恿Ψ治?，設(shè)計(jì)地震工況下。剖面內(nèi)土層砂層最大振動(dòng)孔壓約為57kpa，振動(dòng)孔壓與上覆荷載的比值分布見(jiàn)圖3，按照上述實(shí)施例方法1)，簡(jiǎn)化分析計(jì)算有效應(yīng)力與總應(yīng)力之比ζ＝1-λ，得到液化后不同部位殘余強(qiáng)度如圖3所示。按照上述實(shí)施例中方法(2)計(jì)算土體液化后有效應(yīng)力參數(shù)見(jiàn)表1：表1土石壩壩基液化后有效應(yīng)力參數(shù)φ(°)tan(φ)λξφ(°)270.510.80.25.82270.510.50.514.29270.510.30.719.63相應(yīng)三維成果中對(duì)液化砂層進(jìn)行液化度分區(qū)為：下游壩坡反壓平臺(tái)上游壩體下部，液化度綜合為0.3；反壓平臺(tái)下面至其下游5m范圍，綜合液化度0.5；反壓平臺(tái)下游5m以外，液化度綜合為0.8?？紤]按照上述實(shí)施例方法3)進(jìn)行地震液化情況下折減，殘余強(qiáng)度βσv/d中的β分別取0.05、0.1、0.15進(jìn)行，覆蓋層土層液化后殘余強(qiáng)度見(jiàn)表2。表2土石壩壩基液化后有效應(yīng)力參數(shù)可以看出，當(dāng)β取0.1時(shí)，此計(jì)算結(jié)果與方法2)成果接近，可以作為抗剪參數(shù)計(jì)算值進(jìn)行擬靜力抗滑穩(wěn)定分析。通過(guò)以上分析及工程應(yīng)用可以看出，本方案提出的方法結(jié)果合理，可以對(duì)比分析，作為壩基液化條件下土石壩擬靜力法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析的依據(jù)，滿足規(guī)范要求，由于該方法可直接應(yīng)用已成軟件計(jì)算，因此是一種實(shí)用性強(qiáng)的有效方法。應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。當(dāng)前第1頁(yè)12