邊坡工程廣義可靠性理論與實(shí)踐

前言

　　不確定性是工程中廣泛存在的客觀現(xiàn)象，對工程中不確定性因素的認(rèn)識和解決是工程技術(shù)水平發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)?！　∽髡叨嗄陙硪恢敝铝τ谶吰鹿こ讨械牟淮_定性研究，先后參與了煤炭科學(xué)基金項(xiàng)目：“邊坡三維動態(tài)系統(tǒng)隨機(jī)分析”、國家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目課題：“大型深凹露天礦高效運(yùn)輸系統(tǒng)及強(qiáng)化開采技術(shù)研究”以及橫向合作項(xiàng)目：“鐵路、建筑物附近露天開采邊界問題研究”、“爆破震動對巖質(zhì)公路邊坡穩(wěn)定性影響的綜合研究”等科研項(xiàng)目的研究。結(jié)合研究項(xiàng)目，作者查閱了國內(nèi)外大量有關(guān)工程可靠度基本理論、計(jì)算方法和應(yīng)用研究的文獻(xiàn)，并發(fā)表了多篇研究論文，在邊坡工程力學(xué)參數(shù)的不確定性、邊坡破壞的不確定性、邊坡穩(wěn)定性的評價(jià)等方面進(jìn)行了大量的工作?！　〔淮_定性包括隨機(jī)不確定性和模糊不確定性，傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和研究中，大多只考慮隨機(jī)不確定性或模糊不確定性。目前國內(nèi)外已出版了多本有關(guān)工程結(jié)構(gòu)可靠性的著作，但在邊坡工程領(lǐng)域，專門介紹邊坡廣義可靠性及其應(yīng)用的著作還沒有，已有的介紹邊坡可靠性的著作都只考慮了隨機(jī)不確定性，而沒有考慮模糊不確定性?；谶@一考慮，作者完成了本書。本書書名中的“廣義”有兩方面的含義，一方面是同時(shí)考慮模糊不確定性和隨機(jī)不確定性；另一方面是研究的系統(tǒng)化，包括邊坡的空間不確定性、時(shí)間不確定性、穩(wěn)定性評價(jià)的不確定性方法，以及時(shí)空不確定性監(jiān)測的新方法等。因此，本書分6章，主要內(nèi)容包括：巖土體性質(zhì)的空間變異性、邊坡工程的時(shí)變性與破壞的漸進(jìn)性、邊坡的廣義可靠性分析、邊坡時(shí)空變化監(jiān)測的新技術(shù)等?！　≡诒緯耐瓿蛇^程中，作者得到課題組的同事、現(xiàn)場的工程師，以及身邊的親人和朋友的幫助，對此深表感謝；著述本書是作者總結(jié)10多年研究、學(xué)習(xí)的心得，同時(shí)也是對這些無私的關(guān)心者的回報(bào)。感謝在本書完成過程中給予作者熱心幫助的人們。　　限于作者水平，本書難免存在不足之處，作者熱切希望讀者和同行專家批評指正。

內(nèi)容概要

本書是在理論與實(shí)踐相結(jié)合的指導(dǎo)思想下編寫的，是作者多年的研究成果。本書全面系統(tǒng)地闡述了邊坡工程中不確定性分析的基本原理和方法，對巖體力學(xué)參數(shù)的空間變異性、邊坡的時(shí)變性與破壞的漸進(jìn)性、邊坡穩(wěn)定性評價(jià)等時(shí)空不確定性進(jìn)行了較為全面的分析，主要內(nèi)容包括：邊坡工程可靠性分析基本原理、邊坡工程的空間不確定性——巖體性質(zhì)的空間變異性及其工程應(yīng)用、邊坡工程的時(shí)間不確定性——邊坡工程的時(shí)變性與破壞的漸進(jìn)性研究、邊坡穩(wěn)定性的廣義可靠性分析以及對邊坡的時(shí)空變化進(jìn)行監(jiān)測的最新技術(shù)等。    本書可供礦山、交通、水電、土建、水利等領(lǐng)域的科研、設(shè)計(jì)和施工人員參考，也可作為高等學(xué)校巖土工程、采礦工程、道路與鐵道工程、工程地質(zhì)、水工結(jié)構(gòu)工程、工程力學(xué)、防災(zāi)減災(zāi)與防護(hù)等專業(yè)學(xué)生的相關(guān)教材或教學(xué)參考書。

書籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  邊坡工程穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀    1.1.1  邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法的進(jìn)展    1.1.2  邊坡工程分析理論的進(jìn)展  1.2  邊坡工程中的不確定性問題    1.2.1  邊坡工程中的隨機(jī)性與模糊性    1.2.2  邊坡工程的空間變異性——隨機(jī)性和相關(guān)性    1.2.3  邊坡工程的時(shí)變性與破壞的漸進(jìn)性    1.2.4  邊坡工程的廣義可靠性分析    1.2.5  邊坡時(shí)空變化監(jiān)測的新技術(shù)  1.3  本書的主要內(nèi)容和特點(diǎn)  參考文獻(xiàn)第2章  邊坡工程可靠性分析  2.1  概述  2.2  邊坡工程可靠性分析的概念    2.2.1  可靠性與可靠度    2.2.2  結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)函數(shù)    2.2.3  邊坡工程可靠性分析原理  2.3  邊坡可靠性分析的基本方法    2.3.1  隨機(jī)變量的概念    2.3.2  隨機(jī)變量的數(shù)字特征    2.3.3  隨機(jī)變量的概率分布形式    2.3.4  隨機(jī)變量概率模型的建立    2.3.5  可靠指標(biāo)    2.3.6  邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)函數(shù)  2.4  邊坡穩(wěn)定性分析常用的可靠性計(jì)算方法    2.4.1  蒙特卡羅模擬方法    2.4.2  羅森布魯斯法    2.4.3  一次二階矩法  參考文獻(xiàn)第3章  巖土體性質(zhì)的空間變異性及其工程應(yīng)用  3.1  巖土體性質(zhì)的隨機(jī)性與區(qū)域性  3.2  空間信息統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法    3.2.1  空間信息統(tǒng)計(jì)學(xué)的產(chǎn)生與現(xiàn)狀    3.2.2  區(qū)域化變量    3.2.3  變差函數(shù)    3.2.4  二階平穩(wěn)假設(shè)    3.2.5  實(shí)驗(yàn)變差函數(shù)    3.2.6  變差函數(shù)的理論模型    3.2.7  變差函數(shù)的擬合    3.2.8  理論變差函數(shù)的最優(yōu)性檢驗(yàn)  3.3  巖體強(qiáng)度參數(shù)空間變異性的實(shí)例分析    3.3.1  實(shí)例簡介    3.3.2  邊坡巖體強(qiáng)度的點(diǎn)荷載測試及概率統(tǒng)計(jì)分析    3.3.3  巖體強(qiáng)度參數(shù)的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型  3.4  巖土體強(qiáng)度空間變異性分析  3.5  巖土體強(qiáng)度空間變異性對邊坡可靠性的影響分析  參考文獻(xiàn)第4章  邊坡工程的時(shí)變性與破壞的漸進(jìn)性  4.1  概述  4.2  邊坡漸進(jìn)破壞的力學(xué)模型    4.2.1  邊坡臨界滑面確定的FLAC-Monte Carlo法    4.2.2  邊坡漸進(jìn)破壞概率模型  4.3  邊坡漸進(jìn)破壞的物理模擬和數(shù)值模擬    4.3.1  巖體邊坡漸進(jìn)破壞過程的物理模擬    4.3.2  邊坡漸進(jìn)破壞過程的數(shù)值模擬研究  4.4  邊坡漸進(jìn)破壞的隨機(jī)可靠性分析    4.4.1  邊坡漸進(jìn)破壞的隨機(jī)可靠性分析    4.4.2  邊坡漸進(jìn)破壞的敏感性分析  4.5  峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度對邊坡加固的影響研究    4.5.1  工程概況    4.5.2  計(jì)算模型    4.5.3  峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度對邊坡加固的影響分析  4.6  流變理論在邊坡的變性和破壞漸進(jìn)性研究中的探索  參考文獻(xiàn)第5章  邊坡穩(wěn)定性的廣義可靠性分析  5.1  可靠性方法在邊坡工程系統(tǒng)中的應(yīng)用及局限性  5.2  確定力學(xué)參數(shù)的模糊隨機(jī)方法    5.2.1  力學(xué)參數(shù)確定中的隨機(jī)性和模糊性    5.2.2  巖石試驗(yàn)指標(biāo)取值的模糊隨機(jī)方法    5.2.3  實(shí)例分析——巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)的模糊隨機(jī)分析  5.3  邊坡廣義可靠性分析的模糊點(diǎn)估計(jì)法    5.3.1  統(tǒng)計(jì)矩點(diǎn)估計(jì)法    5.3.2  模糊截集理論    5.3.3  模糊點(diǎn)估計(jì)法  5.4  實(shí)例分析    5.4.1  實(shí)例簡介    5.4.2  偽連續(xù)邊坡的模糊隨機(jī)可靠性分析    5.4.3  非連續(xù)邊坡的模糊隨機(jī)可靠性分析    5.4.4  參數(shù)敏感性分析  5.5  水對邊坡穩(wěn)定性影響的模糊隨機(jī)可靠性分析    5.5.1  水對邊坡穩(wěn)定性的固一液耦合分析    5.5.2  水作用下邊坡穩(wěn)定性的模糊隨機(jī)可靠度計(jì)算    5.5.3  有水與無水條件下計(jì)算結(jié)果的比較  5.6  邊坡穩(wěn)定性的可接受模糊隨機(jī)可靠度準(zhǔn)則  參考文獻(xiàn)第6章  邊坡時(shí)空變化監(jiān)測的新技術(shù)  6.1  GPS動態(tài)監(jiān)測技術(shù)及其在深凹露天礦邊坡工程中的應(yīng)用    6.1.1  GPS基本原理    6.1.2  GPS監(jiān)測點(diǎn)與監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)    6.1.3  GPS監(jiān)測方式與監(jiān)測周期    6.1.4  GPS動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理    6.1.5  水廠鐵礦邊坡GPS動態(tài)監(jiān)測分析  6.2  高密度電阻率成像系統(tǒng)在邊坡工程中的應(yīng)用  6.3  光纖技術(shù)在邊坡工程中的應(yīng)用    6.3.1  邊坡光纖監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀    6.3.2  光纖傳感技術(shù)及其應(yīng)用  參考文獻(xiàn)后記

章節(jié)摘錄

　　7）數(shù)值流形法　　數(shù)值流形法（numerical manifold method，NMM）是Shi（石根華）通過研究 DDA與有限元的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)于1995年提出的，是I）DA與有限元的統(tǒng)一形式。NMM以拓?fù)淞餍魏妥钚∥荒茉頌榛A(chǔ)，應(yīng)用有限覆蓋技術(shù)，吸收有限元法與DDA法各自的優(yōu)點(diǎn)，通過在分析域內(nèi)各物理覆蓋上建立一般覆蓋函數(shù)和加權(quán)求和形成總體位移函數(shù)，從而把連續(xù)和非連續(xù)變形的力學(xué)問題統(tǒng)一到流形方法之中。該法在積分方法上采用與傳統(tǒng)數(shù)值方法不同的方法——單純形上的解析積分形式，對于解決復(fù)雜地質(zhì)問題，動、靜交叉問題，以及連續(xù)和不連續(xù)介質(zhì)耦合問題等是一種高效精確的數(shù)值分析方法，可以統(tǒng)一解決FEM、DDA和其他數(shù)值計(jì)算方法耦合的計(jì)算問題。　　周維垣、裴覺民、王芝銀等相繼將NMM引入我國工程界。李樹忱以大型水電地下洞室群（巖石高邊坡）中斷續(xù)節(jié)理巖體為研究背景，以數(shù)值流形方法和無網(wǎng)格方法為基礎(chǔ)，研究了斷續(xù)節(jié)理巖體中巖體不連續(xù)及其尖端場的數(shù)值模擬方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究表明應(yīng)用該法可較好地求解裂隙巖體連續(xù)和非連續(xù)及其所帶來的局部化問題。錢瑩等用流形元法對爆破地震波作用下的邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬?！　?shù)值分析方法能從較大的范圍考慮邊坡介質(zhì)的復(fù)雜性，比較全面地分析邊坡工程的應(yīng)力與變形狀態(tài)，能夠?qū)吰鹿こ虖木植块_始漸進(jìn)擴(kuò)展至整體破壞的過程進(jìn)行量化表征，有助于人們對邊坡工程破壞模式和變形破壞規(guī)律的認(rèn)識。隨著數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法目前已由線性發(fā)展到高度非線性和大變形，由二維發(fā)展到三維，同時(shí)可考慮黏性流變、滲流、溫度、熱導(dǎo)與應(yīng)力場耦合、損傷、斷裂以及波動和動力效應(yīng)。同時(shí)，不同數(shù)值方法的相互耦合已成為數(shù)值方法的發(fā)展趨勢，如有限元與邊界元的混合、有限元與離散元的混合、有限元與DDA的混合等?！　∮捎趯?shí)際邊坡工程的復(fù)雜性，如何合理概化邊坡工程巖體的特性，建立符合邊坡工程實(shí)際的計(jì)算模型、正確選用計(jì)算參數(shù)等仍有待進(jìn)行深入的探討和研究。　　1.1.2邊坡工程分析理論的進(jìn)展　　在邊坡穩(wěn)定性分析中，數(shù)值計(jì)算方法僅僅是工具，如果缺乏對研究對象、行為、過程的正確認(rèn)識，是不可能得到客觀的分析結(jié)果的。事實(shí)上，非線性是邊坡變形破壞行為的本質(zhì)特征，這主要表現(xiàn)在：①當(dāng)巖體變形進(jìn)入塑性、斷裂、破壞后，就會在系統(tǒng)中出現(xiàn)分叉、突變等非線性復(fù)雜力學(xué)行為；②邊坡工程系統(tǒng)規(guī)模大、系統(tǒng)復(fù)雜，原始條件和環(huán)境信息不確定。通常，巖體的變形、損傷、破壞及演化過程包含了互相耦合的多種非線性過程，因而決定論的和平衡態(tài)的傳統(tǒng)力學(xué)方法難以描述系統(tǒng)的力學(xué)行為。

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