一种蠕动型滑坡体上砌体建筑物的易损性分析方法与系统

1.本发明涉及地质灾害风险评估技术领域，特别是涉及一种蠕动型滑坡体上砌体建筑物的易损性分析方法与系统。


背景技术：

2.随着当前气候暖湿化加剧，地震活动渐强，人类工程活动加剧，黄土区复活型滑坡和新生型滑坡灾害的发生频率与规模持续上升，而其中大多数都属于大型或特大型的蠕动型滑坡，其发生持续的蠕滑变形或局部失稳的风险较大，主要威胁坡体上的村庄和人民，且根据现场调查统计，村庄建筑物多为砖砌体结构，其在蠕动型滑坡灾害的威胁下所承受的风险十分巨大。
3.承灾体易损性评估是制约滑坡灾害风险评估及管理的主要技术瓶颈，但目前仍然缺乏可被广泛接受的承灾体易损性定量评估方法。尤其是针对我国西北黄土区的滑坡灾害研究，之前较多的关注其成灾机理及稳定性，对典型滑坡和建筑物类型的易损性定量评估方法研究十分欠缺。
4.承灾体的物理易损性一般在特定强度的自然条件作用下，承灾体的损失程度，其取值从0(无损害)到1(完全损害)。目前国际上常用的建筑物易损性评估方法主要分为两种：启发式的评估模型和基于统计规律的评估模型。启发式的评估方法对区域尺度易损性分析具有重要的指导作用，但由于该方法往往忽略了滑体对建筑物的动力破坏作用机制，因此评估精度及适用性较差。基于统计规律的评估方法在对灾害历史数据分析的基础上，通过非线性回归分析获得灾害中建筑物的易损性曲线，其对灾害历史数据具有依赖性和地域局限性，模型的泛化能力较差。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种蠕动型滑坡体上砌体建筑物的易损性分析方法与系统。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种蠕动型滑坡体上砌体建筑物的易损性分析方法，包括：
8.获取目标滑坡体的测绘数据；所述测绘数据包括坡体结构、岩土体类型、建筑物分布、数字正射影像和数字高程模型；
9.根据所述目标滑坡体的测绘数据构建滑坡和建筑物耦合地质模型；
10.确定滑坡和建筑物耦合地质模型中岩土体和建筑物砌体结构的物理力学参数；
11.向所述滑坡和建筑物耦合地质模型中施加诱发因素；所述诱发因素包括不同强度的地震和降雨；
12.采用基于连续介质力学的离散单元数值方法计算在预设诱发因素下建筑物的实时倾斜率和建筑物所在滑体表面的实时位移；
13.根据建筑物的实时倾斜率和建筑物所在滑体表面的实时位移确定建筑物物理易
损性曲线；
14.根据所述建筑物物理易损性曲线对滑坡风险进行评估。
15.优选的，所述向所述滑坡和建筑物耦合地质模型中施加诱发因素，包括：
16.获取预设的地震波形；
17.将所述预设的地震波形进行放大、低通滤波和积分运算处理得到地震动速度时程曲线；
18.对地震动速度时程曲线进行基准校正，并采用诱发因素数值转换公式得到向所述滑坡和建筑物耦合地质模型中施加的外部地震荷载。
19.优选的，所述诱发因素数值转换公式为：
[0020][0021]
其中，σn为施加在粘滞边界上的法向应力，σs为施加在粘滞边界上的切向应力，c
p
为p波波速，cs为s波的波速，vn为模型边界上法向的速度分量，vs为模型边界上切向的速度分量，ρ为滑床岩土体密度。
[0022]
优选的，所述根据建筑物的实时倾斜率和建筑物所在滑体表面的实时位移确定建筑物物理易损性曲线，包括：
[0023]
根据建筑物的实时倾斜率确定相应建筑物的易损值；
[0024]
根据建筑物所在滑体表面的实时位移与相应建筑物的易损值数据，采用改进的weibull函数进行拟合得到建筑物物理易损性曲线。
[0025]
优选的，改进的weibull函数为：
[0026][0027]
其中，v为物理易损性，d为滑坡表面位移，a表示第一拟合参数，b表示第二拟合参数。
[0028]
本发明还提供了一种蠕动型滑坡体上砌体建筑物的易损性分析系统，包括：
[0029]
测绘数据获取模块，用于获取目标滑坡体的测绘数据；所述测绘数据包括坡体结构、岩土体类型、建筑物分布、数字正射影像和数字高程模型；
[0030]
地质模型构建模块，用于根据所述目标滑坡体的测绘数据构建滑坡和建筑物耦合地质模型；
[0031]
力学参数确定模块，用于确定滑坡和建筑物耦合地质模型中岩土体和建筑物砌体结构的物理力学参数；
[0032]
诱发因素施加模块，用于向所述滑坡和建筑物耦合地质模型中施加诱发因素；所述诱发因素包括不同强度的地震和降雨；
[0033]
协同变形计算模块，用于采用基于连续介质力学的离散单元数值方法计算在预设诱发因素下建筑物的实时倾斜率和建筑物所在滑体表面的实时位移；
[0034]
易损性曲线确定模块，用于根据建筑物的实时倾斜率和建筑物所在滑体表面的实时位移确定建筑物物理易损性曲线；
[0035]
滑坡风险评估模块，用于根据所述建筑物物理易损性曲线对滑坡风险进行评估。
[0036]
优选的，所述诱发因素施加模块，包括：
[0037]
诱发因素获取单元，用于获取预设的地震波形；
[0038]
地震波形处理单元，用于将所述预设的地震波形进行放大、低通滤波和积分运算处理得到地震动速度时程曲线；
[0039]
地震荷载确定单元，用于对地震动速度时程曲线进行基准校正，并采用诱发因素数值转换公式得到向所述滑坡和建筑物耦合地质模型中施加的外部地震荷载。
[0040]
优选的，所述诱发因素数值转换公式为：
[0041][0042]
其中，σn为施加在粘滞边界上的法向应力，σs为施加在粘滞边界上的切向应力，c
p
为p波波速，cs为s波的波速，vn为模型边界上法向的速度分量，vs为模型边界上切向的速度分量，ρ为滑床岩土体密度。
[0043]
优选的，所述易损性曲线确定模块，包括：
[0044]
易损值确定单元，用于根据建筑物的实时倾斜率确定相应建筑物的易损值；
[0045]
拟合单元，用于根据建筑物所在滑体表面的实时位移与相应建筑物的易损值数据，采用改进的weibull函数进行拟合得到建筑物物理易损性曲线。
[0046]
优选的，改进的weibull函数为：
[0047][0048]
其中，v为物理易损性，d为滑坡表面位移，a表示第一拟合参数，b表示第二拟合参数。
[0049]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0050]
本发明提供的一种蠕动型滑坡体上砌体建筑物的易损性分析方法与系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过获取目标滑坡体的测绘数据构建滑坡和建筑物耦合地质模型，然后向该地质模型中施加诱发因素，计算在预设诱发因素下建筑物的实时倾斜率和建筑物所在滑体表面的实时位移，然后基于此确定建筑物物理易损性曲线，可在特定的诱发因素作用下，准确评估建筑物的物理易损性，大大提高了蠕动型滑坡体上砌体建筑物物理易损性评估的定量化和可靠性，为滑坡灾害的风险定量评估和精准减灾提供有力依据。
附图说明
[0051]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0052]
图1为本发明提供的实施例中的一种蠕动型滑坡体上砌体建筑物的易损性分析方法流程图；
[0053]
图2为本发明提供的实施例中的滑坡和建筑物的动力作用计算所需的滑坡岩土体物理力学参数；
[0054]
图3为本发明提供的实施例中的滑坡和建筑物的动力作用计算所需的砖砌体墙沿
灰缝破坏时的弯曲抗拉强度(f
t
)和抗剪强度(fτ)值；
[0055]
图4为本发明提供的实施例中的砌体结构建筑物破坏等级与量化指标限值；
[0056]
图5为本发明提供的实施例中的建筑物倾斜率限值与易损性建议值对应关系；
[0057]
图6为本发明提供的实施例中的滑坡和砌体建筑物的耦合地质模型；
[0058]
图7为本发明提供的实施例中的设防地震条件下滑坡建筑物计算需输入的水平(上)和竖向(下)地震荷载(速度时程曲线)；
[0059]
图8为本发明提供的实施例中的坡体上砖砌体建筑物a～d位移云图；
[0060]
图9为本发明提供的实施例中的建筑物所在滑体地表位移(左)和地表位移与建筑物倾斜率关系曲线(右)；
[0061]
图10为本发明提供的实施例中的设防地震条件下滑坡体上砖砌体结构建筑物易损性曲线。
具体实施方式
[0062]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
[0063]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0064]
请参阅图1，一种蠕动型滑坡体上砌体建筑物的易损性分析方法，包括：
[0065]
步骤1：获取目标滑坡体的测绘数据；所述测绘数据包括坡体结构、岩土体类型、建筑物分布、数字正射影像和数字高程模型；
[0066]
步骤2：根据所述目标滑坡体的测绘数据构建滑坡和建筑物耦合地质模型；
[0067]
在实际应用中，本发明可通过现场调绘查明滑坡的坡体结构、岩土体类型、和建筑物分布，利用无人机测绘获取滑坡高精度dom(数字正射影像)和dem(数字高程模型)数据，并选区典型剖面建立滑坡和建筑物耦合地质模型。
[0068]
步骤3：确定滑坡和建筑物耦合地质模型中岩土体和建筑物砌体结构的物理力学参数；
[0069]
进一步的，本发明可通过钻探或试坑获取滑坡岩土体样品，然后在室内测定岩土体的基本物理力学参数，主要包括：密度、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角，如图2所示。砌体结构建筑物的力学参数取值主要依据《砌体结构设计规范》(gb50003-2011)，砖砌体建筑物的破坏一般沿砌体灰缝截面破坏，故其抗拉强度及抗剪强度取值依不同的砂浆等级而定，其取值标准见图3。
[0070]
步骤4：向所述滑坡和建筑物耦合地质模型中施加诱发因素；所述诱发因素包括不同强度的地震和降雨；
[0071]
降雨条件的考虑主要通过在模型表面施加不同强度(一般考虑中雨、大雨、暴雨和特大暴雨)的降雨流量边界，然后进行饱和渗流和饱和区岩土体软化效应分析。地震强度的考虑主要根据《中国地震动峰值加速度区划图》(gb18306-2015)。首先获取滑坡所在场地分别在50年超越概率60％(多遇地震)，10％(设防地震)和2％(罕遇地震)三种地震情景下的
峰值加速度，然后选取典型地震基准波形，利用seimosoft软件进行地震波的滤波、放大、校正和积分处理，得到三种地震情景下的地震动速度时程曲线，最后转化为动应力荷载的形式施加在模型底部边界。
[0072]
本发明以地震的施加为例，对步骤4中的施加诱发因素的过程进行说明：
[0073]
获取预设的地震波形；
[0074]
将所述预设的地震波形进行放大、低通滤波和积分运算处理得到地震动速度时程曲线；
[0075]
对地震动速度时程曲线进行基准校正，并采用诱发因素数值转换公式得到向所述滑坡和建筑物耦合地质模型中施加的外部地震荷载。其中，诱发因素数值转换公式为：
[0076][0077]
其中，σn为施加在粘滞边界上的法向应力，σs为施加在粘滞边界上的切向应力，c
p
为p波波速，cs为s波的波速，vn为模型边界上法向的速度分量，vs为模型边界上切向的速度分量，ρ为滑床岩土体密度。
[0078]
步骤5：采用基于连续介质力学的离散单元数值方法计算在预设诱发因素下建筑物的实时倾斜率和建筑物所在滑体表面的实时位移；
[0079]
本发明在计算时采用了基于连续介质力学的离散单元方法(cdem)，该方法有效结合了有限元和离散元的优势，可实现内外动力耦合作用下滑坡的启程—滑移—运动全过程分析，以及滑坡变形失稳对建筑物的动力破坏效应模拟。在本发明中，该方法重点模拟在不同降雨和地震强度下，滑坡体和建筑物的动力相互作用，揭示了滑体和砖砌体建筑物的协同变形规律。进一步的，本发明可通过提取建筑物顶底部的实时位移，计算建筑物的实时倾斜率l，然后提取建筑物所在滑体表面的实时位移d，最后以滑体表面位移为横坐标，建筑物倾斜率为纵坐标，建立滑体表面位移与建筑物倾斜率相关性曲线。
[0080]
步骤6：根据建筑物的实时倾斜率和建筑物所在滑体表面的实时位移确定建筑物物理易损性曲线；
[0081]
进一步的，步骤6包括:
[0082]
根据建筑物的实时倾斜率确定相应建筑物的易损值；
[0083]
在实际应用中，本发明参考了地震领域普遍采用的结构破坏等级的划分方法，将砌体建筑物在滑坡灾害影响下的表现分为：基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和失效5个等级。同时根据现场调查结果，确定了以建筑物整体倾斜率为易损性的量化指标限值对应的5个破坏等级(如图4-5)。其中基本完好表示基本无需加固和修缮，轻微破坏～严重破坏表示需要不同程度的加固和维修，失效表示完全无法居住或维修加固费用超出重建成本。
[0084]
根据建筑物所在滑体表面的实时位移与相应建筑物的易损值数据，采用改进的weibull函数进行拟合得到建筑物物理易损性曲线。其中，改进的weibull函数为：
[0085][0086]
其中，v为物理易损性，d为滑坡表面位移，a表示第一拟合参数，b表示第二拟合参数。
[0087]
进一步的，本发明可根据滑体表面位移与建筑物倾斜率相关性曲线和建筑物倾斜率限值与易损性建议值的对应关系，选取超过10组滑坡地表位移d与易损性v的数据，最后使用改进的weibull函数建立砌体结构的物理易损性曲线。
[0088]
步骤7：根据所述建筑物物理易损性曲线对滑坡风险进行评估。
[0089]
本发明以蠕动型滑坡坡体结构、成灾模式和建筑物分布为基础建立滑坡和建筑物耦合的地质分析模型，通过输入不同概率的降雨和地震动诱发条件，利用基于连续介质力学的离散单元方法(cdem)分析蠕动型滑坡体与砌体建筑物的动力相互作用和协同变形规律，建立以砌体建筑物倾斜率为易损性评估指标，然后结合砌体建筑物的性能水平和破坏等级，基于改进的weibull函数建立砌体建筑物的易损性曲线，从而能够实现在特定的诱发因素和强度的作用下，根据蠕滑型滑坡表面位移就可准确评估砌体建筑物的物理易损性，为滑坡灾害的风险定量评估和精准减灾提供有力依据。本发明大大提高了蠕动型滑坡体上砌体建筑物物理易损性评估的定量化和可靠性，对实现滑坡风险定量评估具有重要意义。
[0090]
下面本发明以某黄土泥岩接触面滑坡为例，对本发明的蠕动型滑坡体上砌体建筑物的易损性分析方法做进一步的说明：
[0091]
(1)滑坡和建筑物耦合地质模型：本发明实施例以某黄土泥岩接触面滑坡为研究对象，建立设防地震条件下滑坡体上砌体结构建筑的易损性评估曲线。该滑坡是西北黄土区典型的黄土—泥岩接触面滑坡，通过现场精细勘察、无人机测绘以及钻探手段，揭示了该滑坡的坡体结构为上覆第四系黄土和下伏新近系泥岩，坡体结构类型为顺向岩土质混合斜坡，滑带沿黄土和泥岩接触面发育，结合坡体上建筑物的分布，建立了概化的滑坡和建筑物耦合数值分析模型(如图6)。
[0092]
(2)确定输入的地震动强度参数：根据《中国地震动峰值加速度区划图》(gb18306-2015)，确定该滑坡在设防地震条件下(50年超越概率10％)的峰值加速度为0.3g。本实施例选取xx年岷县地震天水市麦积站台监测到的地震波形(水平pga＝0.04g，竖向pga＝0.012g)为动力输入基准波形。首先利用seimosoft软件将该基准波形放大7.5倍(使水平pga＝0.3g，竖向pga＝0.09g)，然后将放大后的地震波进行低通滤波和积分运算，得到设防地震情景下的地震动速度时程曲线，最后对速度时辰曲线进行基准校正(见图7)，且将地震动速度时程曲线利用如下公式转换为数值分析所施加的外部地震荷载：
[0093]
σn＝-2(ρc
p
)vnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式1)
[0094]
σs＝-2(ρcs)vsꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式2)
[0095]
式中σn和σs分别为施加在粘滞边界上的法向应力和切向应力，c
p
和cs分别为p波和s波的波速，其中vn和vs分别为模型边界上法向和切向的速度分量，ρ为滑床岩土体密度。
[0096]
(3)确定滑坡岩土体和砌体结构的物理力学参数：现场采取黄土原状样，通过钻探获取泥岩样品，在实验室测定滑坡岩土体的基本物理力学参数，主要包括：密度、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角，参考所收集的资料及同行在该区的研究成果，综合确定数值分析所需岩土体参数取值(见图2)。砌体结构建筑物的强度参数取值主要依据《砌体结构设计规范》(gb50003-2011)，砖砌体建筑物的破坏一般沿砌体灰缝截面破坏，故其抗拉强度及抗剪强度取值依不同的砂浆等级而定，其取值标准见图3，本实施例坡体上的两层砖砌体结构的建筑物(a、b、c和d)的材料参数主要选用m7.5强度级别的砂浆等级。
[0097]
(4)滑体与建筑物的动力作用和协同变形计算：根据上述建立的滑坡和建筑物耦
合数值分析模型，采用基于连续介质力学的离散单元数值方法(cdem)，计算在设防地震条件下滑体和砖砌体建筑物的协同变形规律(见图8)。模型左右两侧施加自由场边界，底部施加带法向地震力和切向地震力的粘滞边界条件。动力计算阻尼选用瑞利阻尼，本次通过对速度反应谱分析，确定中心频率f
min
约为2hz，选取最小临界阻尼比ξ
min
为3％，计算得到刚度阻尼系数β为2e-3，质量阻尼系数α为0.45。动力计算结束后，提取建筑物的实时倾斜率l和建筑物所在滑体表面的实时位移d，在对数坐标下建立滑体表面位移与建筑物倾斜率相关性曲线(见图9)，结果表明建筑物倾斜率与滑体表面位移呈明显的指数函数关系。
[0098]
(5)建立砌体建筑物的易损性曲线v＝f(d)：根据滑体表面位移与建筑物倾斜率相关性曲线(图9)和建筑物倾斜率限值与易损性建议值的对应关系(图5)，选取15组滑坡地表位移d与砌体建筑物易损性v的数据，最后根据改进的weibull函数建立砌体结构的物理易损性曲线(见图10)。且得到如下易损性方程。
[0099][0100]
需要说明的是，该曲线仅是特定地震条件下(pga＝0.3g)，滑体上砖砌体建筑物(砂浆强度m7.5)的易损性曲线。利用相同思路，可以根据实际需求实现不同诱发因素(不同强度地震和降雨条件)，不同脆弱性(不同建筑结构，不同材料强度)的建筑物的易损性评估曲线的构建。
[0101]
本发明还提供了一种蠕动型滑坡体上砌体建筑物的易损性分析系统，包括：
[0102]
测绘数据获取模块，用于获取目标滑坡体的测绘数据；所述测绘数据包括坡体结构、岩土体类型、建筑物分布、数字正射影像和数字高程模型；
[0103]
地质模型构建模块，用于根据所述目标滑坡体的测绘数据构建滑坡和建筑物耦合地质模型；
[0104]
力学参数确定模块，用于确定滑坡和建筑物耦合地质模型中岩土体和建筑物砌体结构的物理力学参数；
[0105]
诱发因素施加模块，用于向所述滑坡和建筑物耦合地质模型中施加诱发因素；所述诱发因素包括不同强度的地震和降雨；
[0106]
协同变形计算模块，用于采用基于连续介质力学的离散单元数值方法计算在预设诱发因素下建筑物的实时倾斜率和建筑物所在滑体表面的实时位移；
[0107]
易损性曲线确定模块，用于根据建筑物的实时倾斜率和建筑物所在滑体表面的实时位移确定建筑物物理易损性曲线；
[0108]
滑坡风险评估模块，用于根据所述建筑物物理易损性曲线对滑坡风险进行评估。
[0109]
优选的，所述诱发因素施加模块，包括：
[0110]
诱发因素获取单元，用于获取预设的地震波形；
[0111]
地震波形处理单元，用于将所述预设的地震波形进行放大、低通滤波和积分运算处理得到地震动速度时程曲线；
[0112]
地震荷载确定单元，用于对地震动速度时程曲线进行基准校正，并采用诱发因素数值转换公式得到向所述滑坡和建筑物耦合地质模型中施加的外部地震荷载。
[0113]
优选的，所述诱发因素数值转换公式为：
[0114][0115]
其中，σn为施加在粘滞边界上的法向应力，σs为施加在粘滞边界上的切向应力，c
p
为p波波速，cs为s波的波速，vn为模型边界上法向的速度分量，vs为模型边界上切向的速度分量，ρ为滑床岩土体密度。
[0116]
优选的，所述易损性曲线确定模块，包括：
[0117]
易损值确定单元，用于根据建筑物的实时倾斜率确定相应建筑物的易损值；
[0118]
拟合单元，用于根据建筑物所在滑体表面的实时位移与相应建筑物的易损值数据，采用改进的weibull函数进行拟合得到建筑物物理易损性曲线。
[0119]
优选的，改进的weibull函数为：
[0120][0121]
其中，v为物理易损性，d为滑坡表面位移，a表示第一拟合参数，b表示第二拟合参数。
[0122]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0123]
本发明通过获取目标滑坡体的测绘数据构建滑坡和建筑物耦合地质模型，然后向该地质模型中施加诱发因素，计算在预设诱发因素下建筑物的实时倾斜率和建筑物所在滑体表面的实时位移，然后基于此确定建筑物物理易损性曲线，可在特定的诱发因素作用下，准确评估建筑物的物理易损性，大大提高了蠕动型滑坡体上砌体建筑物物理易损性评估的定量化和可靠性，为滑坡灾害的风险定量评估和精准减灾提供有力依据。
[0124]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0125]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。