邊坡穩(wěn)定和滑坡分析應力狀態(tài)方法

內容概要

　　《邊坡穩(wěn)定和滑坡分析應力狀態(tài)方法》是土木工程學科巖土力學方面關于巖土邊坡穩(wěn)定和滑坡分析的研究專著?！哆吰路€(wěn)定和滑坡分析應力狀態(tài)方法》系統(tǒng)地介紹了作者建立的邊坡穩(wěn)定分析應力狀態(tài)新方法的數(shù)學力學模型，得到系列解析解的理論體系和應用分析的基礎方法。全書共8章，內容包括：巖土邊坡穩(wěn)定和滑坡分析研究的歷史與發(fā)展，巖土邊坡的應力狀態(tài)及變化，巖土邊坡體內一點的應力狀態(tài)和安全系數(shù)，邊坡穩(wěn)定和滑坡分析的數(shù)學力學模型與解析解，巖土邊坡穩(wěn)定分析應力狀態(tài)方法解析解的應用，邊坡穩(wěn)定分析應力狀態(tài)方法參數(shù)敏感性分析，環(huán)境條件下邊坡穩(wěn)定安全的影響及應用系列解析解進行應用程序設計的基礎算法?！　　哆吰路€(wěn)定和滑坡分析應力狀態(tài)方法》可供土木、水利、鐵道、交通、環(huán)境等專業(yè)工程技術人員和研究人員使用，也可作為高等院校相關專業(yè)教師、研究生的教學參考用書。

書籍目錄

前言本書主要符號第1章 巖土邊坡穩(wěn)定和滑坡分析研究的歷史與發(fā)展1.1 巖土邊坡穩(wěn)定和滑坡災害1.2 邊坡穩(wěn)定分析方法的發(fā)展歷史過程1.3 巖土邊坡穩(wěn)定和滑坡的分水嶺界限1.4 巖土邊坡整體穩(wěn)定分析的數(shù)學力學模型的建立1.5 巖土邊坡穩(wěn)定分析的應力狀態(tài)方法1.6 本章結論參考文獻第2章 巖土邊坡的應力狀態(tài)及變化2.1 彈性半空間土體的應力狀態(tài)2.2 開挖土體坡面卸荷應力形式2.3 開挖土體卸荷應力公式一般形式的驗證2.3.1 卸荷應力公式形式的空間問題檢驗2.3.2 卸荷應力形式的平面問題檢驗2.4 巖土邊坡應力狀態(tài)的基本形式2.4.1 卸荷應力的基本形式2.4.2 一般巖土邊坡的應力狀態(tài)2.5 本章結論參考文獻第3章 巖土邊坡體內一點的應力狀態(tài)和安全系數(shù)3.1 任意一點的應力狀態(tài)描述3.1.1 空間任意點的應力狀態(tài)描述3.1.2 三維應力狀態(tài)下的應力轉換3.1.3 三向應力狀態(tài)下的主應力3.1.4 平面任意點的應力狀態(tài)描述3.1.5 空間一點的剪應力效應3.2 巖土體材料的庫侖抗剪強度定律3.3 巖土抗剪材料的抗剪響應3.3.1 巖土體任一點的抗剪響應3.3.2 巖土坡體內一點穩(wěn)定公式表達3.3.3 巖土平面內一點穩(wěn)定與非穩(wěn)定的分水嶺界限3.4 巖土內一點安全的新定義——一點穩(wěn)定的力學模型3.5 本章結論參考文獻第4章 邊坡穩(wěn)定和滑坡分析的數(shù)學力學模型與解析解4.1 基本思想4.2 巖土邊坡安全穩(wěn)定的數(shù)學力學模型4.3 邊坡安全和滑動的數(shù)學力學模型的簡化4.4 一般巖土邊坡的應力狀態(tài)描述4.4.1 半空間平面巖土體任意點的應力狀態(tài)4.4.2 平面邊坡的“卸荷應力”狀態(tài)4.5 巖土邊坡安全穩(wěn)定和極限狀態(tài)的解析解4.5.1 安全系數(shù)公式4.5.2 巖土邊坡的極限狀態(tài)解析解4.5.3 理論公式的檢驗與討論4.6 本章結論參考文獻第5章 巖土邊坡穩(wěn)定分析應力狀態(tài)方法解析解的應用5.1 二維邊坡研究算例5.1.1 分析研究的算例5.1.2 應力狀態(tài)方法與有限元強度折減法的計算結果比較5.1.3 結果分析5.2 對極限坡高、坡角的計算5.3 極限坡角公式應用分析5.4 典型算例的分析5.4.1 邊坡穩(wěn)定分析考核算例5.4.2 邊坡坡面簡化分析算例5.4.3 工程算例5.4.4 實際邊坡分析集合算例5.5 本章結論參考文獻第6章 邊坡穩(wěn)定分析應力狀態(tài)方法參數(shù)敏感性分析6.1 巖土體的重度變化對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的敏感性分析6.1.1 重度變化的敏感性6.1.2 重度變化的敏感性影響算例6.2 內摩擦角變化對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的敏感性分析6.2.1 內摩擦角變化的敏感性6.2.2 內摩擦角變化的敏感性算例6.3 凝聚力敏感性分析6.3.1 凝聚力的敏感性影響6.3.2 凝聚力變化的敏感性算例6.4 應力狀態(tài)參數(shù)的敏感性分析6.4.1 應力狀態(tài)參數(shù)的敏感性6.4.2 應力狀態(tài)參數(shù)變化的敏感性算例6.5 邊坡極限坡高的敏感性分析6.6 極限坡角敏感性分析6.7 本章結論參考文獻第7章 環(huán)境條件下邊坡穩(wěn)定安全的影響7.1 邊坡穩(wěn)定和滑坡分析的理論判斷7.1.1 解析解應用形式7.1.2 邊坡穩(wěn)定與極限狀態(tài)的判定準則7.2 孔隙水應力條件下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的解析公式7.3 降雨對邊坡穩(wěn)定的影響分析7.3.1 巖土體入滲的基本機制7.3.2 天然降雨描述7.3.3 降雨入滲的機制分析7.3.4 自然條件下土體下滲能力與降雨強度的關系7.3.5 降雨對巖土邊坡穩(wěn)定的參數(shù)影響7.4 地震作用對巖土邊坡的影響7.4.1 地震對結構物體的影響7.4.2 中國地震設防的區(qū)域劃分和地震系數(shù)7.5 環(huán)境影響條件下邊坡穩(wěn)定分析算例7.5.1 孔隙水應力分布7.5.2 復雜環(huán)境下邊坡穩(wěn)定分析7.6 本章結論參考文獻第8章 邊坡穩(wěn)定應力狀態(tài)方法的分析程序8.1 概述8.2 邊坡的破壞曲線及其繪圖程序8.3 利用GUI用戶圖形界面進行系數(shù)響應分析8.3.1 “STRESS-SLOPE”程序功能介紹8.3.2 “STRESS-SLOPE”程序的使用8.4 “應力-邊坡”源程序8.4.1 程序界面的初始化8.4.2 安全系數(shù)的求解8.4.3 破壞曲線的繪制8.4.4 安全系數(shù)的響應分析8.5 本章結論參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：   插圖：   第1章 巖土邊坡穩(wěn)定和滑坡分析研究的歷史與發(fā)展1.1 巖土邊坡穩(wěn)定和滑坡災害巖土邊坡總體上可分為天然邊坡和人工邊坡。天然邊坡是指在地球形成的漫長歷史長河中，地殼巖層在內力和外力地質作用下經歷長期的、系列的、復雜的運動演變過程而形成的各種類型的地質構造和地形地貌的現(xiàn)狀，并以復雜多樣的各類巖土構成其不同的天然形式坡體。人工邊坡是由于人類建設、生產生活、社會活動、物質交流等所構建的不同形式的邊坡，如各類路基邊坡，各種水庫的土壩、石壩、混合壩，大小江河水道的堤防，各個單體工程建設基坑與支護形式等。這些天然邊坡和人工邊坡，作為結構體具有構成的歷史烙印，形式多樣、功能各異，是典型而特殊的構成、構筑的結構形體。巖土作為構成邊坡主要的材料，其組成成分復雜、性質易變、區(qū)域性強。巖土材料作為地球表面普遍分布的材料形式，與地球形成一樣有著復雜、深刻的內涵和歷史。我們發(fā)現(xiàn)的所有的物質元素和礦物成分，都可以在巖土材料中找到。此外，在自然環(huán)境和人為環(huán)境條件下，巖土邊坡從穩(wěn)定到失穩(wěn)再到出現(xiàn)滑坡的發(fā)展過程十分復雜，既有邊坡組構的具體形態(tài)多樣性，又有巖土材料組成性質復雜性，更有環(huán)境條件影響的可變性，因此，巖土邊坡的穩(wěn)定分析和滑坡判定是一個世界性的研究難題。巖土作為構成邊坡材料的集合體，其穩(wěn)定的過程具有動態(tài)特征。從人類生存、生活、發(fā)展的條件出發(fā)，我們希望各類巖土邊坡在一定的時域內保持穩(wěn)定，不會給人類生產、生活、社會的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展帶來影響。然而，各類巖土邊坡的失穩(wěn)和產生滑坡的問題依然不斷涌現(xiàn)?；聻暮偷卣稹⒓膊?、洪水災害一起，被認為是威脅人類生存的四大災害［1～3］。任一重大滑坡的發(fā)生，都會造成人員的重大傷亡、財產的重大損失，并對當?shù)亟洕l(fā)展產生深遠的負面影響。當前，各類滑坡的災害在政府文件、新聞報道、書籍期刊、研究論文中頻頻出現(xiàn)，其已成為網絡搜索具有較高詞頻的熱點詞匯之一，社會對其關注、重視、研究的程度由此可見一斑。1.2 邊坡穩(wěn)定分析方法的發(fā)展歷史過程研究巖土邊坡的穩(wěn)定問題可以追溯到19世紀20年代，建立在極限平衡理論基礎上的假定圓弧分析方法是邊坡穩(wěn)定分析定性定量研究、應用、發(fā)展的基線［1～5］。以下不妨簡要回顧邊坡穩(wěn)定分析計算的假定圓弧法及其演變和發(fā)展過程，可見該研究的歷史演變和局限性。1916年，瑞典本?彼德森（BenBidson）首先提出假定任意空間一點為滑動中心，假定邊坡出現(xiàn)圓弧整體滑動，應用庫侖（Coulomb）抗剪強度定律，計算在滑動面上的滑動力矩和抗滑力矩，定義邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，為巖土邊坡穩(wěn)定分析奠定了圓弧法的基礎。由于假定任意圓弧為可能滑動面，涉及滑動中心和滑動面的位置，帶來的是繁雜的計算工作量；整體圓弧滑動分析難以符合實際邊坡，隨后出現(xiàn)對整體滑動進行分條計算，是先期研究的重點。1927年，費倫紐斯（Fellenius）經過十分繁雜的計算，給出了滑動中心的范圍，大大減少了假定圓弧滑動中心所帶來的計算量。1947年，太沙基（Terzaghi）提出分條計算，形成條分法。1950～1955年，畢肖普（Bishop）提出對分條考慮條間力的形式，包括孔隙水應力，定義分條不同的安全系數(shù)，并給出考慮條間力簡化的公式和計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計算的迭代算法。隨后，研究最危險的滑動面成為條分法的標志性象征，對分條的條間力的各種假設成為條分方法的研究動力。同時，計算機技術的發(fā)展與程序設計、應用軟件的開發(fā)，也為條分方法的實現(xiàn)、應用與發(fā)展奠定了分析計算的基礎。1954～1973年，研究條間力的典型代表簡布（Janbu）認為，條間力的水平方向的作用力，對邊坡穩(wěn)定影響較大。在以已知滑動面為基礎，假定條間力為水平方向的作用力，分條的各個土條滿足受力的豎向和水平向平衡、力矩平衡，建立條分方程組的“普遍條分法”，也稱傳遞系數(shù)法或水平推力法。1965～1980年，從細分土條到微分土條，斯賓塞（Spencer）、摩根斯坦（Morgenstern）與普賴斯（Price）、沙爾瑪（Sarma）等對分條的條間力進行了不同假設，建立了條間力平衡方程組和數(shù)值求解的各種條分方法。1983年，陳祖煜以微分土條為基礎，建立了一套普遍條分的數(shù)值求解方法和應用程序的設計軟件。這樣，巖土邊坡穩(wěn)定分析的分析方法――基于假定滑動面的條分法、進行分析程序設計、應用軟件的開發(fā)代表著發(fā)展方向和應用水平。近年來，模糊數(shù)學、遺傳算法、可靠度分析、信息熵等新方法應用于邊坡穩(wěn)定分析的研究也逐漸成為探討研究的熱點。總之，巖土邊坡穩(wěn)定分析的確定性計算方法主要是假定圓弧或滑面、細分土條，已有近百年的歷史。一代代學者在以探討假定滑動面為基礎的前提下，通過細分土條、條間力假定做了很多工作，但由于細分土條和條間力的考慮，使得所建立的各分條平衡方程組出現(xiàn)的大量多贅未知力難以解決，不得不對條間力的大小、分布、作用位置進行種種假設，才能進行邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的數(shù)值求解。這樣，巖土邊坡穩(wěn)定分析的安全系數(shù)是在假定滑動面、假定條間力分布形式基礎上的計算結果，才使得在實際工程應用中出現(xiàn)許多不符合實際的狀況。巖土實際邊坡穩(wěn)定分析結果與實際相比的不符合，除了眾多可列出的原因之外，在理論上，主要歸因于條分法所表現(xiàn)出的一些不足或缺陷，具體體現(xiàn)在以下三個方面：（1）條分法應用極限平衡理論是建立在假定圓弧、滑動面或其他形式的滑動面基礎上的，這也是條分法發(fā)展重要依據(jù)的出發(fā)點和結果的顯示點，其試圖通過不同滑動中心的位置假定、不同滑動半徑的假定得到的滑弧或滑動面，將邊坡坡體實際可能出現(xiàn)的滑動形式包含其中，通過有不同滑動面形式的假定在計算方法上全部實現(xiàn)，找到所對應的最不安全的滑動面作為巖土邊坡穩(wěn)定的界定形式，成為邊坡穩(wěn)定的判定標準?；趲r土邊坡的不同特征和巖土組成材料的復雜性，將巖土邊坡穩(wěn)定和滑動用圓弧滑動面處理表述，難以符合巖土邊坡的實際工作狀態(tài)。（2）條分方法初始是由整體圓弧滑動引入剛體假說，將土體重力集中延伸到假定滑弧的點上，然后發(fā)展到對分條應用平行力系的平衡方程來研究條間力，進而對土條按極限平衡方法建立平衡方程組，為了解決多余未知力，又進一步假定條間力的各種形式，最后提出、應用各種算法求解。這是將重力建立在剛體力學的基礎上，即重力集中在質心處去研究剛體分條的內力（分條的條間力）分布。換句話說，研究剛體的內力及其分布假定形式，依據(jù)剛體力學平衡原理，是沒有意義的。（3）巖土材料抗剪強度應用的庫侖抗剪定律，是邊坡穩(wěn)定對巖土材料強度分析應用的主線。條分法的分條、微分到各點處發(fā)揮作為對剪應力作用的響應，只是考慮在滑弧上該點的切線方向上的抗剪強度。按照莫爾?庫侖（MohrCoulomb）準則，確定一點應力狀態(tài)在沿該點各個方向上由于應力大小不同、各個方向上的抗剪強度的響應也不同，其在滑弧點的切線方向的抗剪強度僅僅是該點抗剪響應數(shù)值形式的一種，條分法對抗剪強度莫爾?庫侖準則的處理應用，這本身與莫爾?庫侖準則是相悖論的。依據(jù)以上三點，即條分方法由于其假定滑動面形式難以符合實際、條間力的各種假定內力剛體平衡的形式、材料抗剪強度發(fā)揮值限定在滑弧點的切線方向上的缺陷，使得計算巖土邊坡穩(wěn)定分析所得到的安全系數(shù)，由于在理論依據(jù)上的不足，造成與實際邊坡穩(wěn)定性的不符［6，7］。1.3 巖土邊坡穩(wěn)定和滑坡的分水嶺界限雖然巖土邊坡的構成形式、組成材料和受外部環(huán)境影響的因素眾多，準確分析巖土邊坡穩(wěn)定性及滑坡分析均十分困難，但是，任何滑坡現(xiàn)象的發(fā)生都是具有深刻的背景條件和一定的時間響應的，出現(xiàn)滑坡的現(xiàn)象是有一個從穩(wěn)定到非穩(wěn)定的發(fā)展過程。滑坡實質現(xiàn)象過程可基本描述為：從巖土邊坡內任意一點出現(xiàn)非穩(wěn)定發(fā)展到破壞→由點逐步擴展、擴大→形成部分區(qū)域非穩(wěn)定→發(fā)展到局部、整體破壞→出現(xiàn)滑動的全過程。從理論分析方法的研究角度出發(fā)，邊坡穩(wěn)定在出現(xiàn)任意一點的非穩(wěn)定之前，即巖土邊坡整體穩(wěn)定到出現(xiàn)內部任意一點的破壞是邊坡整體穩(wěn)定到滑坡出現(xiàn)的分水嶺界限。這一分水嶺界限表明，在理論上如果能夠建立一個反映巖土邊坡整體穩(wěn)定性完美的、合適的理論分析模型，不僅對邊坡穩(wěn)定有著極其重要的意義，對滑坡的發(fā)展、發(fā)生也具有重要的指導意義，這是因為滑坡的產生過程雖然復雜，但卻需要一定的發(fā)展時間歷程，這就為減少滑坡災害留下了應急響應的時間和空間。1.4 巖土邊坡整體穩(wěn)定分析的數(shù)學力學模型的建立如前所述，雖然巖土邊坡穩(wěn)定分析具有復雜性，但是從力學分析的角度出發(fā)，邊坡穩(wěn)定是對邊坡結構的力學效應和坡體巖土材料的強度響應的研究，是邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)和出現(xiàn)滑坡的力學、材料本質問題。據(jù)此，研究邊坡穩(wěn)定和滑坡發(fā)生，建立巖土邊坡穩(wěn)定分析的數(shù)學力學模型應注意到以下根本點［8，9］：（1）邊坡穩(wěn)定到滑坡發(fā)展主要是剪應力效應行為。（2）巖土材料是剪切響應材料。（3）邊坡結構具有其特殊形式，對重力響應的邊坡應力狀態(tài)具有特殊性。（4）巖土土體具有其特殊的土性，如歷史性、記憶性和信息性。（5）邊坡穩(wěn)定屬于邊坡的小變形問題，滑坡的發(fā)展到發(fā)生屬于大變形問題。（6）以邊坡應力狀態(tài)、巖土材料的強度為特征研究邊坡穩(wěn)定問題，以變形特征研究邊坡非穩(wěn)定過程的發(fā)展。以上巖土邊坡穩(wěn)定和滑坡研究的根本特點，以及基于假定滑動面的邊坡穩(wěn)定分析條分方法近百年來邊坡穩(wěn)定研究的歷史表明：一方面，建立一個科學的、完美的、實用的巖土邊坡穩(wěn)定分析的數(shù)學力學模型還是十分困難的，另一方面，科學崇尚簡潔，由邊坡穩(wěn)定、滑坡發(fā)生的物理現(xiàn)象抽象出本質問題并非越復雜越好，而是力求簡單明了；模型要完美體現(xiàn)真實本質，建立的邊坡穩(wěn)定的數(shù)學力學模型求解要能夠實用方便，建立的邊坡穩(wěn)定數(shù)學力學模型的求解過程不是越難越好，而是力求具有解析的具體形式，這是因為解析解是解決實際問題最為方便的形式之一。對于巖土邊坡穩(wěn)定分析、非穩(wěn)定發(fā)展到滑坡的問題研究，首先必須解決邊坡穩(wěn)定分析的數(shù)學力學模型的建立問題。1.5 巖土邊坡穩(wěn)定分析的應力狀態(tài)方法作者經過長期的努力，依據(jù)巖土邊坡穩(wěn)定分析的根本點，建立了巖土邊坡穩(wěn)定和滑坡分析的剪力流量、抗剪流量表述――簡潔、完美、實用的數(shù)學力學模型［8，9］。同時結合邊坡實際的特征，簡化、證明了該數(shù)學力學模型與積分路徑無關，將剪力流量、抗剪流量的有旋場化為無旋場，進而得到了均質巖土邊坡穩(wěn)定分析的安全系數(shù)、極限坡高坡角和孔隙水應力影響的安全系數(shù)等系列解析解，該體系稱為巖土邊坡穩(wěn)定分析的應力狀態(tài)方法。所建立的邊坡穩(wěn)定分析的應力狀態(tài)方法，其基本理論體系如下：（1）基于巖土體內任意一點的力學效應和剪切材料的力學響應，提出了任意一點穩(wěn)定到非穩(wěn)定及巖土邊坡整體穩(wěn)定到非穩(wěn)定發(fā)展的分（3）邊坡結構具有其特殊形式，對重力響應的邊坡應力狀態(tài)具有特殊性。（4）巖土土體具有其特殊的土性，如歷史性、記憶性和信息性。（5）邊坡穩(wěn)定屬于邊坡的小變形問題，滑坡的發(fā)展到發(fā)生屬于大變形問題。（6）以邊坡應力狀態(tài)、巖土材料的強度為特征研究邊坡穩(wěn)定問題，以變形特征研究邊坡非穩(wěn)定過程的發(fā)展。

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