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基于變形破壞準則的邊坡失穩判據及應用 版權信息
- ISBN：9787030753977
- 條形碼：9787030753977 ; 978-7-03-075397-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
基于變形破壞準則的邊坡失穩判據及應用 本書特色
邊坡穩定性分析是巖土工程的重要研究課題，本書作者提出了極限曲線法，得出與失穩變形破壞準則相同的結論。
基于變形破壞準則的邊坡失穩判據及應用 內容簡介
本書主要介紹作者提出的一種新的邊坡失穩判據，在結合強度折減法計算安全系數和進行邊坡優化設計時，新的邊坡失穩判據不必假設和搜索臨界滑裂面，相對于已有方法，本書方法具有明確的邊坡失穩客觀標準，避免了邊坡失穩判斷過程中的人為主觀因素。全書共8章，主要包括：邊坡失穩判據研究的意義、極限坡面曲線的計算、邊界條件的研究、敏感性分析、邊坡樣本分析、雙折減系數強度折減法的計算和邊坡優化設計等。
基于變形破壞準則的邊坡失穩判據及應用 目錄
目錄
前言
本書主要符號
第1章 邊坡失穩判據研究的意義 1
1.1 失穩判據在邊坡強度折減法中的應用 1
1.2 失穩判據在邊坡優化設計中的應用 3
1.3 本書提出的失穩判據 4
第2章 極限坡面曲線的計算 11
2.1 極限坡面曲線的三種計算方法 11
2.1.1 有限差分法計算極限坡面曲線 11
2.1.2 理論簡化公式計算極限坡面曲線 13
2.1.3 試驗近似公式計算極限坡面曲線 14
2.2 三種方法對比分析 14
第3章 邊界條件的研究 24
3.1 邊界條件計算因素 24
3.2 邊界條件對計算結果的影響 25
3.2.1 邊界條件對失穩判據評價標準的影響 25
3.2.2 邊界條件對安全系數計算的影響 27
第4章 敏感性分析 34
4.1 強度參數的敏感性分析 34
4.2 幾何參數的敏感性分析 59
第5章 邊坡樣本分析 83
第6章 雙折減系數強度折減法 91
6.1 與傳統失穩判據的對比 91
6.2 綜合安全系數計算公式的對比 97
第7章 邊坡優化設計 131
第8章 結論 142
參考文獻 145
附錄A 有限差分法極限坡面曲線求解安全系數程序 149
附錄B 理論簡化公式極限坡面曲線求解安全系數程序 158
附錄C 試驗近似公式極限坡面曲線求解安全系數程序 161
附錄D 本書失穩判據單折減系數法程序 164
附錄E 本書失穩判據雙折減系數法程序 174
前言
本書主要符號
第1章 邊坡失穩判據研究的意義 1
1.1 失穩判據在邊坡強度折減法中的應用 1
1.2 失穩判據在邊坡優化設計中的應用 3
1.3 本書提出的失穩判據 4
第2章 極限坡面曲線的計算 11
2.1 極限坡面曲線的三種計算方法 11
2.1.1 有限差分法計算極限坡面曲線 11
2.1.2 理論簡化公式計算極限坡面曲線 13
2.1.3 試驗近似公式計算極限坡面曲線 14
2.2 三種方法對比分析 14
第3章 邊界條件的研究 24
3.1 邊界條件計算因素 24
3.2 邊界條件對計算結果的影響 25
3.2.1 邊界條件對失穩判據評價標準的影響 25
3.2.2 邊界條件對安全系數計算的影響 27
第4章 敏感性分析 34
4.1 強度參數的敏感性分析 34
4.2 幾何參數的敏感性分析 59
第5章 邊坡樣本分析 83
第6章 雙折減系數強度折減法 91
6.1 與傳統失穩判據的對比 91
6.2 綜合安全系數計算公式的對比 97
第7章 邊坡優化設計 131
第8章 結論 142
參考文獻 145
附錄A 有限差分法極限坡面曲線求解安全系數程序 149
附錄B 理論簡化公式極限坡面曲線求解安全系數程序 158
附錄C 試驗近似公式極限坡面曲線求解安全系數程序 161
附錄D 本書失穩判據單折減系數法程序 164
附錄E 本書失穩判據雙折減系數法程序 174
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基于變形破壞準則的邊坡失穩判據及應用 節選
第1章邊坡失穩判據研究的意義 1.1失穩判據在邊坡強度折減法中的應用 邊坡穩定性分析包括計算安全系數和搜索臨界滑裂面兩個方面的內容。安全系數可以寫成關于臨界滑裂面的函數，求*小安全系數即為求該函數的*小值，該函數具有非凸性和多極值性，前者阻礙了常規數學方法的使用，后者使搜索方法容易陷入局部*小值[1]。近年來發展起來的強度折減法[2]通過不斷降低巖土體強度參數，使邊坡達到極限平衡狀態，從而直接求出滑動面位置與邊坡強度儲備安全系數，因此成為研究的熱點[3]。強度折減法的基本原理是將巖土體的強度參數按式（1.1）以單折減系數折減值Fi(i=1，2， ，n)不斷進行折減，當邊坡瀕臨失穩狀態時，Fi即為邊坡的安全系數。 （1.1） 式中，c為黏聚力；φ為內摩擦角；c1為折減后的黏聚力；φ1為折減后的內摩擦角。 強度折減法的關鍵是如何判斷邊坡在某個折減系數下瀕臨失穩狀態，即失穩判據的確定，這是強度折減法應用于邊坡穩定性分析的一個著名難題[4]。目前的失穩判據主要有以下三種準則：①數值計算不收斂準則，當強度折減因子大于臨界狀態時的折減因子時，不存在一個既能滿足靜力平衡又能滿足靜力許可的解，此時有限元計算必定不收斂；②位移突變準則，根據邊坡某一特征點處的位移與折減系數之間關系曲線的變化特征確定失穩狀態，如當折減系數增大到某一特定值時，特征點的位移突然增大，則認為邊坡發生失穩；③貫通準則，通過域內塑性應變區或達到某一幅值的塑性應變區是否連通，來判斷邊坡是否發生破壞。*早提出強度折減法的Zienkiewicz等[2]采用的就是以*大節點位移突變作為邊坡失穩評價指標；Tan等[5]提出坡面位移與折減系數關系曲線的轉折點作為失穩判據；Griffiths等[6]以有限元計算迭代不收斂時，邊坡內某點位移與折減系數關系曲線突變作為邊坡失穩判據，Liu等[7]采用該失穩判據對有限元法和極限平衡法分析邊坡穩定性做了對比分析；Ugai[8]指定迭代次數為500，當超過這個限值時邊坡破壞；Dawson等[9]假定當節點不平衡力與外荷載的比值超過10-3來確定安全系數；Tan等[10]、Zheng等[11]、Tschuchnigg等[12，13]都以有限元計算迭代不收斂作為失穩判據；Matsui等[14]以廣義剪應變從坡腳到坡頂形成貫通帶作為邊坡失穩判據。在國內，對該問題的爭論比較激烈，如趙尚毅等[15]把有限元計算是否收斂作為邊坡失穩判據，認為塑性區從坡腳到坡頂貫通并不一定意味著邊坡破壞，塑性區貫通是土體破壞的必要條件但不是充分條件；劉金龍等[16]建議聯合采用特征點處位移是否突變和塑性區是否貫通作為邊坡的失穩判據，而有限元計算收斂時也不一定表明邊坡處于安全狀態，不收斂準則不具有廣泛適用性。以上兩者的觀點是相反的，但這兩篇文章同時被評為“2009年中國百篇*具影響國內學術論文”[17]。 三種失穩判據確定安全系數具有各自的特點，但是這些方法在分析過程中易受人為因素的影響，存在諸多人為主觀因素：①有限元計算收斂性與非線性方程解法、迭代次數、收斂容差有很大關系，因此這一標準缺乏客觀性；②特征點位移曲線突變作為失穩判據需要考慮選取哪些監測點為特征點，判斷何種位移類型和折減系數的關系曲線更易識別突變點，如何從關系曲線上選取安全系數也沒有明確的計算方法；③塑性區貫通是土體破壞的必要條件而非充分條件，塑性區貫通的客觀指標很難確定，難以準確把握臨界點，目前只能通過人的主觀認識去判斷，不可避免地會增加人為因素，這種方法在理論上存在不足，在應用上尚有不便之處。國內外邊坡失穩判據的研究趨勢主要有兩個方面：一方面是對三種失穩判據的適用范圍和內在關系進行研究，提出聯合多種方法來判別邊坡是否失穩，如Jiang等[18]采用聯合特征點處位移突變和塑性區貫通作為失穩判據；另一方面就是不斷提出新方法，如Chang等[19]定義了強度參數滑移系數，并將該系數取值連線是否貫通作為邊坡失穩判據，施建勇等[20]提出以潛在滑動區域能量積分變化作為判據，吳春秋等[21]以滑坡體加速度是否為零判斷邊坡是否穩定。 由于本書提出的方法不是對已有失穩判據的改進，因此這里只選擇代表性的論文對邊坡失穩判據相關問題進行簡略的闡述。對已有失穩判據更多方法的詳細總結與評述見文獻[22]、[23]。總的來說，如何在不斷降低巖土體強度參數的過程中判斷邊坡是否達到臨界破壞狀態一直是比較棘手的問題[24]，不同的失穩判據會使對同一問題的計算結果不同，從而影響了這一方法在邊坡工程實踐中的使用。因此，研究邊坡穩定分析強度折減法失穩判據的客觀標準十分必要[25]。 在式（1.1）中，強度參數黏聚力c和內摩擦角正切值tanφ采用單折減系數Fi使邊坡達到極限狀態，即所謂的單折減系數強度折減法。不論是工程實踐[26]還是試驗觀察[27，28]都表明邊坡破壞時強度參數具有不同的安全儲備。因此，對c和tanφ采用式（1.2）的不同折減系數的雙折減系數強度折減法更加合理[29-38]， （1.2） 式中，為黏聚力折減系數；為摩擦角折減系數。 采用雙折減系數強度折減法評價邊坡穩定性時，除了需要研究上述的失穩判據以外，還需要解決兩個問題[39-41]：**個是c的折減系數F2i和tanφ的折減系數F1i的比例取值原則，即如何確定配套系數k=F2i/F1i；第二個是邊坡達到極限平衡狀態時，存在兩個折減系數F2i和F1i，即如何確定邊坡綜合安全系數。對于**個問題，Isakov等[42]提出的強度折減*短路徑法可以求得配套系數，而且符合潘家錚原理，因此更加合理和具有實用性；對于第二個問題，目前綜合安全系數求解公式尚無統一的認識。 強度折減*短路徑法先假設不同的配套系數，采用強度折減概念計算每個假設的配套系數對應的極限狀態雙折減系數，在此過程中，每個假設配套系數都需要一次強度折減法的計算，*后構建臨界狀態曲線求解*優配套系數和綜合安全系數，因此臨界曲線的構建對計算結果具有重要影響。當配套系數k=1時，即為單折減系數強度折減法，即F2i=F1i，因此單折減系數強度折減法只是雙折減系數強度折減法的一種特例。 1.2失穩判據在邊坡優化設計中的應用 邊坡優化設計在工程實踐中具有重要的研究意義，尤其是在露天礦工程中，邊坡優化設計得到的*終邊坡角對礦山的生產安全和經濟效益產生重大影響[43]。研究表明，數值模擬方法和極限平衡方法相結合是進行邊坡優化的一條合理有效途徑，該方法可為礦山提出安全、經濟、切實可行的邊坡設計方案。文獻[44]采用有限差分法、離散單元法和極限平衡分析法相結合的方法，進行礦山高陡邊坡穩定性的系統分析研究和邊坡優化設計，使總體邊坡角增大。基于邊坡實例樣本統計的人工神經網絡理論[45]在預測露天礦邊坡優化設計中也得到了應用，取得了良好的效果。 朱乃龍等[46]基于彈性力學原理推導出的邊坡處于臨界下滑狀態時深度與邊坡水平曲率半徑之間的微分方程表達式[47]，可以得到深凹邊坡的極限邊坡角與巖體的內摩擦角、內黏聚力、容重及邊坡的水平半徑之間的聯系關系式，該式表明了深凹邊坡的穩定性邊坡角可隨著開挖深度增加而增大的空間力學原理，為采用減少深凹露天礦底部廢石剝離量的凸曲線形邊坡奠定了理論基礎，而凸曲線形邊坡的采用將減少廢石剝離量，會帶來巨大的經濟效益。空間力學原理為確定其邊坡的合理形狀提供了初步方法，該理論[48]包含了傳統邊坡穩定性分析的原理。文獻[49]介紹了確定深凹露天礦邊幫合理形狀的烏茲別克斯坦共和國的專利，限于篇幅，更多的國內外相關技術方法介紹讀者可參見文獻[50]～[62]。總的來說，問題的關鍵還是如何判斷邊坡處于極限狀態[63]。這與上節所述的失穩判據問題的研究是一致的，也就是說，強度折減法中的失穩判據方法可以用來優化邊坡設計，確定露天礦邊坡的極限坡角。 1.3本書提出的失穩判據 滑移線場理論[64，65]可以求得邊坡極限平衡狀態下的坡面曲線（本書簡稱極限坡面曲線）。本書作者在應用滑移線場理論分析邊坡穩定性時，發現極限坡面曲線與邊坡坡面線的相對位置關系可用來判斷邊坡穩定性，表現為當安全系數FOS＜1時，即邊坡破壞時，邊坡坡面線與極限坡面曲線相交，反之當FOS＞1時，即邊坡穩定時，邊坡坡面線與極限坡面曲線相離。基于這一客觀規律作者提出了邊坡穩定性極限曲線法，見圖1.1和圖1.2，并分別于2014年、2015年、2017年發表了相關學術成果[66-68]。極限曲線法的核心思想是失穩變形破壞準則：通過極限坡面曲線（即圖1.1和圖1.2中的極限穩定坡面）與原坡面的相對位置關系判斷邊坡穩定性，由極限坡面曲線與邊坡坡底交點橫坐標x11的正負判斷兩者位置關系，當極限坡面曲線與原坡面在坡底不相交時，即x11>0時，判斷邊坡為穩定狀態，當兩者相交時，即x110或x11Su3>Su2>Su1，隨著Su的增大，不排水條件下計算的極限坡面曲線的坡度越來越大（圖中由編號①②③④表示對應的極限坡面曲線）。當由排水條件下計算的極限坡面曲線坡度大于極限坡面曲線①② ③坡度時，排水條件下的極限坡面曲線處于不穩定狀態，反之，當由排水條件下計算的極限坡面曲線坡度小于極限坡面曲線④坡度時，排水條件下的極限坡面曲線處于穩定狀態。 本書作者對臨界坡面概念做了簡化和推廣，也推導出了極限曲線法中的失穩變形破壞準則，并發表了相關學術論文[75，76]，見圖1.7和圖1.8。在圖1.7中，極限坡面曲線與邊坡坡面相交于坡腳時，既可以表示兩者具有相同的安全系數，也可以表示某個強度折減系數下邊坡處于極限狀態，此時強度折減系數等于安全系數。圖1.8中虛線表示圖1.7中的極限坡面曲線，而由式（1.1）或式（1.2）計算的c1和φ1確定的極限坡面曲線③坡度大于虛線，表示虛線對應的邊坡處于穩定狀態，由式（1.1）或式（1.2）計算的c1和φ1確定的極限坡面曲線①和②坡度小于虛線，表示虛線對應的邊坡處于破壞狀態。
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