基于邊坡變形破壞機(jī)理的臨界位移預(yù)測(cè)預(yù)警方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于邊坡變形破壞機(jī)理的臨界位移預(yù)測(cè)預(yù)警方法，針對(duì)推移式邊坡穩(wěn)定變形機(jī)理、關(guān)鍵塊劃分、巖土體力學(xué)特性與滑面的變形關(guān)系以及滑面不同點(diǎn)的演化特征分析的基礎(chǔ)上，提出了滑面位移、基于位移現(xiàn)狀穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算及邊坡坡面位移的決定方法，從而實(shí)施預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。其優(yōu)點(diǎn)在于：可以決定邊坡破壞時(shí)滑面、坡體及坡面上不同點(diǎn)的變形值；可以實(shí)施邊坡漸漸破壞變形及力的過(guò)程描述；結(jié)合現(xiàn)行的邊坡監(jiān)測(cè)值，可以實(shí)施邊坡在不同變形狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析及計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)大??；結(jié)合變形歷史，針對(duì)邊坡的防護(hù)措施可以實(shí)施耐久性評(píng)價(jià)。
【專利說(shuō)明】基于邊坡變形破壞機(jī)理的臨界位移預(yù)測(cè)預(yù)警方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及邊坡預(yù)測(cè)預(yù)警【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于邊坡變形破壞機(jī)理的臨界位移預(yù)測(cè)預(yù)警方法。
【背景技術(shù)】
[0002]邊坡預(yù)測(cè)預(yù)警是一個(gè)迄今還沒(méi)有得到很好解決的科學(xué)難題，變形破壞的臨界位移決定方法還不完善；另外，邊坡破壞時(shí)，各處的位移值均不相同。對(duì)于不同的邊坡，其變形機(jī)理也不相同?，F(xiàn)行的邊坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的臨界位移、臨界變形速率等，沒(méi)有指出邊坡何處的臨界位移及臨界變形速率等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是提供一種基于邊坡變形破壞機(jī)理的臨界位移預(yù)測(cè)預(yù)警方法，針對(duì)推移式邊坡穩(wěn)定變形機(jī)理、關(guān)鍵塊劃分、巖土體力學(xué)特性與滑面的變形關(guān)系以及滑面不同點(diǎn)的演化特征分析的基礎(chǔ)上，提出了滑面位移、基于位移現(xiàn)狀穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算及邊坡坡面位移的決定方法，從而實(shí)施預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。
[0004]本發(fā)明基于邊坡變形破壞機(jī)理的臨界位移預(yù)測(cè)預(yù)警方法，包括如下步驟:
[0005]1、分析邊坡的基本形態(tài)、特征，試驗(yàn)獲得滑面、滑體的基本物理力學(xué)參數(shù)G、S、m、P、C、4) > a1； a2, a3 , € N，計(jì)算相對(duì)應(yīng)的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)決定相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)；
[0006]2、將步驟I得到的參數(shù)代入公式t=Gy [1+Ym/S]p，式中T、y分別表示材料的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變，T、6的單位為10^或砂&或？&，5、111和P為無(wú)單位參數(shù)，且-1 < P
和1+mp幸0 ；
[0007]臨界應(yīng)力空間T peak采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則T peak = C+ O ntan小，式中C為凝聚力，o n為法向應(yīng)力，C和O n的單位為MPa或kPa或Pa, 為滑面摩擦角；
[0008]臨界應(yīng)變空間％_采用公式(^^/^)2-((%-?)/?) U= 1，式中％為法向應(yīng)力，單位為MPa或kPa或Pa ；
[0009]臨界應(yīng)力空間與臨界應(yīng)變空間的關(guān)系為Tpeak/Ypeak = G[l_l/(l+mp)]p，臨界應(yīng)變空間符合公式S+(l+mp ) Ympeak = 0 ；
[0010]參數(shù)P=Ptl/ (l+(p 0/p c-1) (On/oJ) 5)，式中P。為法向應(yīng)力On為零值的P值，P。為On等于O J時(shí)的P值，為常系數(shù)；
[0011]3、經(jīng)步驟2獲得滑面各點(diǎn)的臨界應(yīng)變空間，計(jì)算出滑面各點(diǎn)的位移；
[0012]4、經(jīng)步驟3得到的滑面各點(diǎn)位移，計(jì)算出對(duì)應(yīng)應(yīng)變變化產(chǎn)生的滑面、坡體應(yīng)力場(chǎng)；至計(jì)算出邊坡破壞時(shí)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，從而獲得滑面破壞時(shí)位移值，即邊坡破壞時(shí)滑面上不同點(diǎn)的位移值；利用滑體的物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算獲得坡體、坡面的不同位移值。
[0013]利用本發(fā)明步驟I提出的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算現(xiàn)狀穩(wěn)定系數(shù)Fs，其計(jì)算方法為邊坡發(fā)生整體破壞時(shí)的位移矢量和Srt除以現(xiàn)狀臨界狀態(tài)點(diǎn)的位移矢量和sp_t;存在三個(gè)不同方向的穩(wěn)定系數(shù)，X、Y、Z軸三方向的穩(wěn)定系數(shù)分別為Fs_x = Sc_tx/Sp_t\ Fs_y = Sc_ty/Sp_t\ Fs_z =
sc-tz/sp_tz。
[0014]所述坡體和坡面位移的具體計(jì)算方法為利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，獲取從滑面位移自坡面位移Sm變化關(guān)系，這種關(guān)系采用與高度h相關(guān)的拋物線關(guān)系式Sm = Si+b2h+b3h2加以描述，從而獲取坡體和坡面位移。
[0015]本發(fā)明方法可利用坡體和坡面的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行反算，獲得坡面不同點(diǎn)的破壞位移值，從而實(shí)施反饋預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。
[0016]本發(fā)明基于邊坡變形破壞機(jī)理的臨界位移預(yù)測(cè)預(yù)警方法的有益效果是:
[0017]I)可以決定邊坡破壞時(shí)滑面、坡體及坡面上不同點(diǎn)的變形值；
[0018]2)可以實(shí)施邊坡漸漸破壞變形及力的過(guò)程描述；
[0019]3)結(jié)合現(xiàn)行的邊坡監(jiān)測(cè)值，可以實(shí)施邊坡在不同變形狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析及計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)大??；
[0020]4)結(jié)合變形歷史，針對(duì)邊坡的防護(hù)措施可以實(shí)施耐久性評(píng)價(jià)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為邊坡漸進(jìn)破壞演化過(guò)程圖。
[0022]圖2a為滑面上不同點(diǎn)在某時(shí)段內(nèi)的演化特征曲線；
[0023]圖2b為邊坡滑面的荷載-位移、力學(xué)分類及穩(wěn)定狀態(tài)類型曲線；
[0024]圖2c為同一時(shí)刻不同點(diǎn)的變形曲線；
[0025]圖2d為邊坡漸進(jìn)破壞某時(shí)刻的演化曲線。
[0026]圖3為滑面點(diǎn)的時(shí)間曲線特征圖。
[0027]圖4為滑面不同點(diǎn)在臨近破壞時(shí)的時(shí)間曲線特征圖。
[0028]圖5為二維滑面位移關(guān)系圖。
[0029]圖中:T:荷載，Tpeak:峰值荷載，Tyield:比例極限荷載，Tresid:殘余荷載，Ppeak:峰值荷載點(diǎn)，Pyield:比例極限荷載點(diǎn)，Presid:殘余荷載點(diǎn)，Pa、Pb、P。:表示不同荷載點(diǎn)；s:位移，Speak:峰值點(diǎn)位移，Syield:比例極限點(diǎn)位移，Sresid:殘余點(diǎn)位移，H:高度，t:時(shí)間。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。
[0031]關(guān)于推移式邊坡穩(wěn)定的變形機(jī)理。推移式邊坡往往在后緣首先發(fā)生開(kāi)裂破壞，隨著時(shí)間的推移，雨水的沖刷、巖土體強(qiáng)度的演化，其開(kāi)裂面逐步由上向下移動(dòng)，達(dá)到一定變形累計(jì)時(shí)，表現(xiàn)出中部隆起、鼓脹等現(xiàn)象，在一定的時(shí)間內(nèi)，邊坡前緣發(fā)生破壞，伴隨著發(fā)生整體破壞。在整個(gè)演化過(guò)程中，邊坡在二維平面(或三維曲面)內(nèi)，滑面內(nèi)只有一點(diǎn)(或一條曲線)是處于峰值應(yīng)力狀態(tài)(亦即臨界應(yīng)力狀態(tài))，其余則處于殘余應(yīng)力狀態(tài)或峰值應(yīng)力之前狀態(tài)。邊坡漸進(jìn)破壞演化過(guò)程見(jiàn)圖1。
[0032]邊坡不同狀態(tài)的塊體劃分。對(duì)于邊坡，其滑面的物理力學(xué)特性遵守巖土體的荷載與位移的曲線特征，鑒于此，對(duì)于處于不同階段的邊坡條塊進(jìn)行穩(wěn)定性分類是必須的:當(dāng)邊坡條塊荷載一位移關(guān)系曲線處于I型狀態(tài)時(shí)，如果條塊處于比例極限荷載之前的狀態(tài)，可以定義該條塊穩(wěn)定；如果條塊處于比例極限荷載和峰值荷載之間的狀態(tài)，定義該條塊為欠穩(wěn)定；如果條塊處于峰值荷載之后的狀態(tài)，定義該條塊為不穩(wěn)定。當(dāng)條塊荷載一位移關(guān)系曲線處于III型狀態(tài)時(shí)，定義該條塊為穩(wěn)定。邊坡條塊穩(wěn)定性劃分見(jiàn)圖2d。按此邊坡條塊穩(wěn)定性劃分，關(guān)鍵塊體為:處于比例極限荷載狀態(tài)之前的和邊坡條塊荷載一位移關(guān)系曲線呈現(xiàn)III型特征的條塊?，F(xiàn)場(chǎng)邊坡關(guān)鍵塊體為:處于抗滑段發(fā)生變形很小的塊體以及邊坡前緣反翹段條塊等。
[0033]時(shí)間與變形特征曲線的劃分。上述條塊劃分很明顯地表示:條塊的力學(xué)性質(zhì)不僅相關(guān)于條塊所在的應(yīng)力狀態(tài)，而且也相關(guān)于條塊的變形狀態(tài)。因此邊坡的變形與力的傳遞兩者緊密相關(guān)，不可分離。對(duì)于邊坡滑面上每一個(gè)點(diǎn)，其時(shí)間與位移的關(guān)系曲線應(yīng)遵守圖3的模式，當(dāng)滑面點(diǎn)處于I型狀態(tài)，且經(jīng)歷了 I型的穩(wěn)定狀態(tài)、欠穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)，那么該點(diǎn)將呈現(xiàn)出I型非穩(wěn)定曲線特征；當(dāng)滑面點(diǎn)處于I型狀態(tài)，且只經(jīng)歷了 I型的穩(wěn)定狀態(tài)，那么該點(diǎn)將呈現(xiàn)出I型穩(wěn)定曲線特征；當(dāng)滑面點(diǎn)處于III型狀態(tài)，那么該點(diǎn)將呈現(xiàn)出III型穩(wěn)定曲線特征。這些特征均相關(guān)于巖土體的荷載-位移曲線特征。
[0034]邊坡不同點(diǎn)的時(shí)間與位移演化特征。對(duì)于邊坡而言，滑面上不同的點(diǎn)都將遵守圖3的某一時(shí)間曲線特征，因而整個(gè)滑面也將遵守該時(shí)間曲線特征，即滑面上不同點(diǎn)在同一時(shí)刻將遵循圖2c曲線特征。而在時(shí)間tl段內(nèi)，不同點(diǎn)(如:Pa，Pb，Ppeak, P。，F(xiàn)esid)將遵守圖2a的曲線特征。從圖2a曲線可知，邊坡在漸近變化過(guò)程中，其滑面臨界狀態(tài)點(diǎn)是從上向下加以演化，在邊坡破壞過(guò)程中，每點(diǎn)均經(jīng)歷臨界狀態(tài)，且滑面存在一點(diǎn)，當(dāng)此點(diǎn)(或?qū)τ谌S為曲線)經(jīng)歷臨界狀態(tài)之后，邊坡整體將發(fā)生破壞，這一點(diǎn)(或曲線)所對(duì)應(yīng)的條塊叫關(guān)鍵塊，關(guān)鍵塊所對(duì)應(yīng)的位移稱臨界位移。當(dāng)邊坡即將發(fā)生破壞時(shí)，滑面上不同點(diǎn)的時(shí)間曲線將表現(xiàn)出圖4的特征。當(dāng)在不同時(shí)刻(如tiftptm)開(kāi)始測(cè)量時(shí)，其時(shí)間與位移曲線特征將遵循該時(shí)間后時(shí)段內(nèi)的演化特征，如圖4。
[0035]本發(fā)明基于邊坡變形機(jī)理破壞的臨界位移預(yù)測(cè)預(yù)警方法，包括如下步驟:
[0036]1、分析邊坡的基本形態(tài)、特征，試驗(yàn)獲得滑面、坡體的基本物理力學(xué)參數(shù)G、S、m、P、C、(K ai，a2, a3, I N，利用現(xiàn)行方法計(jì)算相對(duì)應(yīng)的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)利用現(xiàn)行方法決定相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)；
[0037]2、將步驟I得到的參數(shù)代入公式T=GY [1+YVS] P，式中T、Y分別表示材料的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變或“視剪應(yīng)力”和“視剪應(yīng)變”，G、S、m和P分別表示材料的力學(xué)特征參數(shù)，T、G的單位為MPa或kPa或Pa,其它為無(wú)單位參數(shù),且-1 < P≤0和1+mp ^ 0 ；
[0038]臨界應(yīng)力(T peak)空間采用傳統(tǒng)的摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則(T peak = C+ O ntan小，式中C為凝聚力，單位為MPa或kPa或Pa, 為滑面摩擦角)或其它準(zhǔn)則；
[0039]臨界應(yīng)變(Ypeak)空間為(Ypeak/a3) 2_ (( O n-a2) A1) “ = Idmaua^a3, € N 為常數(shù)，O n為法向應(yīng)力，單位為MPa或kPa或Pa ;
[0040]臨界應(yīng)力空間與臨界應(yīng)變空間的關(guān)系為Tpeak/Ypeak = G[l_l/(l+mp)]p，臨界應(yīng)變空間符合公式S+(l+mp ) Ympeak = 0 ；
[0041]參數(shù)P=Ptl/ (l+(p 0/p c-1) On/oJ) 5)，式中P。為法向應(yīng)力On為零值的p值，P。為On等于O1;時(shí)的P值，;為常系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以決定四個(gè)參數(shù)的大小；
[0042]3、經(jīng)步驟2可決定滑面各點(diǎn)的臨界應(yīng)變，相對(duì)應(yīng)地可決定各點(diǎn)的位移；
[0043]4、經(jīng)步驟3得到的各點(diǎn)臨界位移，可計(jì)算出對(duì)應(yīng)應(yīng)變變化的應(yīng)力場(chǎng)。這種計(jì)算可以直至邊坡破壞時(shí)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，利用本發(fā)明提出的穩(wěn)定系數(shù)可以計(jì)算現(xiàn)狀穩(wěn)定系數(shù)，從而獲得滑面的破壞位移值(即邊坡破壞時(shí)滑面上不同點(diǎn)的位移值)，同時(shí)，利用滑體的物理力學(xué)參數(shù)，可以計(jì)算獲得坡體、坡面的不同位移值；也可以利用坡體和坡面的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得坡面不同點(diǎn)的破壞位移值。
[0044]本發(fā)明方法可以利用現(xiàn)行邊坡測(cè)量值進(jìn)行反算，決定現(xiàn)狀的臨界單元或臨界條塊，可以實(shí)施反饋預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。
[0045]所述現(xiàn)狀穩(wěn)定系數(shù)匕為邊坡發(fā)生整體破壞時(shí)的位移矢量和Srt除以現(xiàn)狀臨界狀態(tài)點(diǎn)的位移矢量和sp_t ;存在三個(gè)不同方向的穩(wěn)定系數(shù)，X、Y、Z軸三方向的穩(wěn)定系數(shù)分別為:
Fs_x = Sc_t7Sp_tx、Fs_y = Sc_tVSp_/、Fs_z = Sc_tz/Sp_tz。
[0046]對(duì)于邊坡體及坡面的位移決定方法，可以采用現(xiàn)行的各種數(shù)值分析，特別是發(fā)明人盧應(yīng)發(fā)提出的滑面邊界法加以分析決定；也可以采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析加以決定，如利用測(cè)斜儀，獲得從滑面自坡面位移Sm變化關(guān)系 ，這種關(guān)系可以用與高度h相關(guān)的拋物線關(guān)系式Sni = Sj+b^+bah2加以描述。
【權(quán)利要求】
1.一種基于邊坡變形破壞機(jī)理的臨界位移預(yù)測(cè)預(yù)警方法，其特征在于包括如下步驟: ⑴分析邊坡的基本形態(tài)、特征，試驗(yàn)獲得滑面、滑體的基本物理力學(xué)參數(shù)G、S、m、P、C、4)> a1； a2, a3, I N,計(jì)算相對(duì)應(yīng)的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)決定相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)； ⑵將步驟⑴得到的參數(shù)代入公式T =Gy[1+Y7S]p，式中t、y分別表示材料的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變，T、G的單位為MPa或kPa或Pa，S、m和P為無(wú)單位參數(shù)，且_1 < P≤O和1+mp幸O ； 臨界應(yīng)力空間Tpeak采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則TPMk = C+ontancK式中C為凝聚力，On為法向應(yīng)力，C和0 n的單位為MPa或kPa或Pa, 為滑面摩擦角； 臨界應(yīng)變空間Ypeak采用公式1，式中On為法向應(yīng)力，單位為MPa或kPa或Pa ； 臨界應(yīng)力空間與臨界應(yīng)變空間的關(guān)系為Tpeak/YPMk = G[l-l/(l+mp)]p，臨界應(yīng)變空間符合公式 S+(l+mp ) Ympeak = 0 ； 參數(shù)P=Pt)/ (l+(p o/p c-1) ( O n/ O nc) 5),式中P Q為法向應(yīng)力，O n為零值的P值，P C為On等于O1;時(shí)的p值，(為常系數(shù)； ⑶經(jīng)步驟(2)獲得滑面各點(diǎn)的臨界應(yīng)變空間，計(jì)算出滑面各點(diǎn)的位移； ⑷經(jīng)步驟⑶得到的滑面各點(diǎn)位移，計(jì)算出對(duì)應(yīng)應(yīng)變變化產(chǎn)生的滑面、坡體應(yīng)力場(chǎng)；至計(jì)算出邊坡破壞時(shí)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，從而獲得滑面破壞時(shí)位移值，即邊坡破壞時(shí)滑面上不同點(diǎn)的位移值；利用滑體的物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算獲得坡體、坡面的不同位移值。
2.如權(quán)利要求1所述的基于邊坡變形破壞機(jī)理的臨界位移預(yù)測(cè)預(yù)警方法，其特征在于:利用本發(fā)明步驟⑴提出的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算現(xiàn)狀穩(wěn)定系數(shù)Fs，其計(jì)算方法為邊坡發(fā)生整體破壞時(shí)的位移矢量和Srt除以現(xiàn)狀臨界狀態(tài)點(diǎn)的位移矢量和Sp_t ;存在三個(gè)不同方向的穩(wěn)定系數(shù)，X、Y、Z 軸三方向的穩(wěn)定系數(shù)分別為 Fs_x = Sc_tx/Sp_t\ Fs_y = Sc_ty/Sp_ty> Fs_z = Sc_tz/s"z。
3.如權(quán)利要求1所述的基于邊坡變形破壞機(jī)理的臨界位移預(yù)測(cè)預(yù)警方法，其特征在于:所述步驟⑷的坡體和坡面位移的具體計(jì)算方法為利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，獲取從滑面位移自坡面位移Sm變化關(guān)系，這種關(guān)系采用與高度h相關(guān)的拋物線關(guān)系式Sm = Si+b2h+b3h2加以描述，b2、b3為系數(shù)，從而獲取坡體和坡面位移。
4.如權(quán)利要求1所述的基于邊坡變形破壞機(jī)理的臨界位移預(yù)測(cè)預(yù)警方法，其特征在于:利用坡體和坡面的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行反算，獲得坡面不同點(diǎn)的破壞位移值，從而實(shí)施反饋預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。
【文檔編號(hào)】G01B21/02GK103712587SQ201410014057
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2014年1月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月13日
【發(fā)明者】盧應(yīng)發(fā), 石峻峰, 劉德富 申請(qǐng)人:湖北工業(yè)大學(xué)