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    重庆时时彩代理费多少: 一种基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法.pdf

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    一种 基于 正交 应变 土层 稳定性 测定 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201610055587.5

    申请日:

    2016.01.27

    公开号:

    CN105606063A

    公开日:

    2016.05.25

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||著录事项变更IPC(主分类):G01B 21/32变更事项:发明人变更前:贺可强 郭璐 王菲变更后:贺可强 郭璐 王菲 梁运培 张拥军 贺桐|||实质审查的生效IPC(主分类):G01B 21/32申请日:20160127|||公开
    IPC分类号: G01B21/32; G06F19/00(2011.01)I 主分类号: G01B21/32
    申请人: 青岛理工大学
    发明人: 贺可强; 郭璐; 王菲
    地址: 266000 山东省青岛市市北区抚顺路11号
    优先权:
    专利代理机构: 青岛中天汇智知识产权代理有限公司 37241 代理人: 万桂斌
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610055587.5

    授权公告号:

    |||||||||

    法律状态公告日:

    2018.03.30|||2018.03.06|||2016.06.22|||2016.05.25

    法律状态类型:

    授权|||著录事项变更|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明涉及一种基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法,包括如下步骤:步骤一:边坡最危险滑移面的确定;步骤二:边坡正交应变监测网格的布置;步骤三:各监测网格结点处垂直与水平应变的监测与数据记录;步骤四:边坡监测网格正交应变比参数的确定;步骤五:边坡正交应变比稳定性判据与滑移塑性区的测定;步骤六:边坡坡体损伤变量及损伤变量临界值的确定;步骤七:边坡整体稳定性分析与评价;步骤八:边坡整体滑移面的确定。本方法可准确确定边坡塑性区及评价边坡稳定性,在边坡稳定性和滑坡地质灾害监测预警与防治中具有重要的工程应用价值。

    权利要求书

    1.一种基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法,其特征在于,包括如下步骤:
    步骤一:边坡最危险滑移面的确定;
    步骤二:边坡正交应变监测网格的布置;
    步骤三:各监测网格结点处垂直与水平应变的监测与数据记录;
    步骤四:边坡监测网格正交应变比参数的确定;
    步骤五:边坡正交应变比稳定性判据与滑移塑性区的测定;
    步骤六:边坡坡体损伤变量及损伤变量临界值的确定;
    步骤七:边坡整体稳定性分析与评价;
    步骤八:边坡整体滑移面的确定。
    2.根据权利要求1所述的基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法,其特征在于,步
    骤一的具体方式为:对待评价边坡进行初步勘察与测绘,确定边坡分布范围与几何尺寸特
    征,根据Fellenuis法,假定其边坡滑移面形状为圆弧滑移面,确定出边坡内部可能发生滑
    移的多个潜在滑移面及相应滑移面的稳定性系数FS;对比各确定的稳定性系数FS,并取其最
    小值作为边坡的整体稳定性系数,其相应的圆弧线即为最危险滑移面。
    3.根据权利要求2所述的基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法,其特征在于,对
    均质粘性土坡:当内摩擦角时,其最危险滑移面通过坡脚;当时,其最危险滑移面
    通过或不通过坡脚。
    4.根据权利要求1所述的基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法,其特征在于,步
    骤二的具体方式为:
    (1)在边坡主滑区确定一代表性坡体横断面,并以此确定最危险滑移面与边坡顶面交
    点;
    (2)沿该边坡横断面从坡顶至坡脚以间距0.5m-1m布置m根沿水平方向均匀分布的多点
    应变计或分布式应变计;
    (3)在边坡顶与最危险滑移面的边坡顶面交点之间,沿上述坡体横断面1.5d-2d横向距
    离的另一横断面以间距0.5m-1m垂直布置n根竖向均匀分布的多点应变计或分布式应变计,
    所述d为水平方向所选用的应变计的埋设孔径直径;在最危险滑移面的边坡顶面交点外侧
    以间距1m-3m垂直布置1~3根竖向多点应变计或分布式应变计,以此构成m×[n+(1~3)]的
    正交多点应变计或分布式应变计监测网,并保证水平应变计与竖向应变计之间互不干扰;
    (4)在应变计与边坡坡体接触表面埋设传感器装置与数据采集系统,且保证埋设的传
    感器不改变边坡自身稳定状态,从而形成水平与垂直方向交叉分布的应变监测网格。
    5.根据权利要求1所述的基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法,其特征在于,步
    骤三的具体方式为:将第i行与第j列应变计交点处的结点命名为结点Ji-j,其中i=1、2、…
    m,j=1、2、…n,并以k天为时间间隔同步同周期分别对监测网格各结点Ji-j的边坡垂直与水
    平应变进行实时监测,应变计的监测数据通过数据采集系统读出,并根据监测数据采集系
    统分别记录下不同时刻监测网格各结点Ji-j处水平应变值εx与垂直应变值εy,并将整理好的
    数据详细录入Excel表格,进行数据记录。
    6.根据权利要求1所述的基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法,其特征在于,步
    骤四的具体方式为:将某一时刻边坡监测结点处垂直应变与水平应变的比值定义为边坡该
    正交结点的正交应变比,即:其中εy,εx分别为监测点的垂直应变和水平应变;根据
    边坡各网格结点处的不同监测时间间隔的垂直应变与水平应变值数据以及上述公式,确定
    各监测网格结点处不同时刻的边坡正交应变比λk。
    7.根据权利要求1所述的基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法,其特征在于,步
    骤五的具体方式为:边坡稳定性演化与滑移塑性区判据为正交应变比时间序列均值与1~3
    倍均方差之和:
    λ = λ ± ( 1 ~ 3 ) σ ]]>
    其中:为正交应变比时间序列均值, λ = 1 n Σ i = 1 n λ i ; ]]>σ为均方差, σ 2 = 1 n Σ i = 1 n ( λ i - λ ) 2 ; ]]>
    (1)当坡顶到坡底各层的网格监测线结点处λ值为一定值,或以某一定值上下波动,即
    时,则判定边坡无潜在塑性区出现;
    (2)当网格监测结点处的λ值出现增大,即或时,则
    判定边坡该范围内的坡体已形成初步滑移塑性区,且其初步滑移塑性区将不断扩展与增
    大;
    (3)当网格监测结点处的λ值继续增大并发生突变,即出现或时,
    表明突变范围内的坡体已形成整体滑移塑性区。
    8.根据权利要求1所述的基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法,其特征在于,步
    骤六的具体方式为:
    (1)根据步骤五塑性区形成判据,对最危险滑移面内各水平层塑性区发展情况进行判
    定,当该层未出现潜在塑性区时,记为X1;当出现初步滑移塑性区时,记为X2;当出现滑移塑
    性区时记为X3;分别统计X1,X2,X3的个数C1,C2,C3。
    (2)根据下列公式确定边坡坡体的损伤变量D:
    D = C 2 × 0.5 + C 3 C 1 + C 2 + C 3 ]]>
    (3)根据边坡的重要等级参照相关边坡工程规范为边坡设定一个安全系数K,进而确定
    边坡坡体损伤变量临界值:
    D c r = 1 K ]]>
    Dcr即为运用安全系数所确定的边坡整体稳定性判据。
    9.根据权利要求1或8所述的基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法,其特征在
    于,步骤七的具体方式为:根据边坡整体稳定性判据,对边坡的稳定性进行以下分析与评
    价:当边坡坡体损伤变量D<Dcr时,表明边坡整体处于相对稳定状态;当边坡坡体损伤变量D
    ≥Dcr时,表明边坡整体处于不稳定状态,其中Dcr为运用安全系数所确定的边坡整体稳定性
    判据。
    10.根据权利要求1或7或8所述的基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法,其特征
    在于,步骤八的具体方式为:当边坡坡体损伤变量D≥Dcr时,依据步骤五判断边坡出现初步
    滑移塑性区及滑移塑性区对应的层位,取每层各监测网格结点的正交应变比λ的极值点;若
    某层两监测结点处λ出现双高值点,则找到两个λ值最高的结点,然后将这两个结点连线,取
    连线的中点作为极值点;根据上述极值点的取法,分别确定每层监测线正交应变比极值点;
    将出现塑性区的的各层正交应变比极值点对应的结点从上至下依次用平滑曲线进行连线,
    所得到的曲线便为边坡整体滑移面。

    说明书

    一种基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法

    技术领域

    本发明涉及边坡稳定性评价与滑坡地质灾害监测预警技术领域,具体涉及一种基
    于岩土体正交应变比参数的土层边坡稳定性评价方法。

    背景技术

    我国是世界上滑坡灾害最严重的国家之一,其滑坡灾害具有分布范围广、发生频
    率高的特点,长期以来对我国工农业生产以及人民生命财产造成巨大损失,有的甚至是毁
    灭性的灾难。随着近年来社会经济的迅速发展,越来越多大型工程进行修建,致使滑坡灾害
    的发生规模与频率呈现逐渐增强的趋势,已成为对人类社会安全有极大威胁与影响的地质
    环境灾害之一。由于受到边坡几何形状、土体参数,以及地质条件差异等综合因素的影响,
    边坡稳定性评价与监测预警及其防治技术至今没有很好的满足工程建设的安全与减灾防
    灾的要求,其中最突出的问题就是边坡稳定性的位移监测定量判据及滑坡滑移面的确定问
    题。因此,如何科学、准确地对边坡稳定性进行超前分析与判定,是边坡稳定性评价与滑坡
    灾害防治领域中亟待解决的课题之一。

    目前在边坡工程稳定性评价领域,运用最为广泛和实用的方法是极限平衡法、有
    限元数值分析法与位移时序法等。其中极限平衡法如Fellenuis(费伦纽斯)法、Terzaghi
    法、Bishop法、Janbu法等,均是以刚体极限平衡理论为基础,将滑坡坡体进行简化,将滑坡
    坡体视为刚体并假设滑移面为圆弧形滑移面,分析其沿滑移面的力学平衡状态,进而分析
    和确定边坡的稳定性。由于此类方法不考虑材料的应力应变关系,因而无法考虑变形与稳
    定的关系,且该类方法对滑坡边界条件及坡体物理力学参数的要求极为苛刻,建立力学评
    价模型为不含时间因素的静态评价模型,因此也无法评价边坡稳定性随时间的变化规律。
    此外,该方法假设边坡滑移面为圆弧滑移面也存在一定的局限性,因为对于非均质土层边
    坡,其地质条件复杂性与应力分布的不均匀性,边坡通常并不是沿单一均匀的圆弧滑移面
    破坏,滑面形状实际上往往呈非圆弧任意形状,这种情况下极限平衡法仍将滑面简化为圆
    弧滑移面,很难真实反映边坡稳定性状态,由此导致错误的评价结果。以有限元为代表的数
    值计算方法,在边坡稳定性分析中也发挥着十分重要的作用,这类方法考虑了边坡岩土体
    本身的变形对边坡稳定性的影响,而且能给出边坡岩土体中应力应变分布情况及分析边坡
    破坏的发生及发展过程等。然而这类方法很难给出一个明确的稳定性安全系数,很难给出
    一个明确的滑移面,此外该类方法计算复杂,不易被技术人员掌握,因此在一定程度上也限
    制了其在工程中的应用。与极限平衡法与有限元法相比,位移时序预测方法以边坡位移监
    测为基础、以位移参数及其变化作为边坡稳定与否和稳定程度的预测参数与评价准则。其
    位移监测以其精度高、易实施,且反映边坡稳定性状态综合直观等优点,所以该类方法在某
    种程度上克服了极限平衡法与有限元法的不足与局限,并已在我国重大工程边坡稳定性监
    测与滑坡防治领域得到了广泛的应用且发挥了重要作用。然而该方法所采用的位移预测参
    数是一个极易受外界因素干扰而出现振荡及多期加速阶梯状振荡变化的监测评价参数,且
    这种位移加速阶梯状振荡变化并不一定能代表边坡的稳定性降低或滑坡的整体失稳,此外
    该类方法的位移预测参数没有统一失稳判据,其临界失稳位移值随边坡的规模、岩土体类
    型等因素变化而不同,因而无法依据其临界失稳判据对滑坡灾害的发生时间做出准确判别
    与预测。此外,该类方法主要通过监测钻孔深部位移的变化,根据位移的突变随时监测边坡
    滑移面的出现,然而位移的突变并不一定预示坡体一定出现塑性区,因动力(如降雨、库水
    位)的突变也可引发其位移的突变,所以单纯依靠位移参数确定边坡滑移面存在一定的或
    然性和不确定性。

    发明内容

    针对上述传统土层边坡稳定性评价方法的局限与不足,本发明研究和确定了基于
    正交应变比参数的边坡稳定性评价方法,该方法在用极限平衡法确定边坡最危险滑移面的
    基础上,采用多点应变计或分布式应变计传感器组成监测网格监测边坡坡体内水平横向与
    垂直竖向应变,以此为基础确定正交应变比参数,并根据正交应变比参数的变化规律可确
    定边坡的塑性区范围。同时,依据损伤变量原理确定边坡损伤变量及其稳定性判据,进而对
    边坡稳定性进行评价,以达到对边坡进行科学、有效、及时预警及治理的目的。

    本发明的基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法,是通过下述方案实现的,
    包括如下步骤:

    步骤一:边坡最危险滑移面的确定;

    步骤二:边坡正交应变监测网格的布置;

    步骤三:各监测网格结点处垂直与水平应变的监测与数据记录;

    步骤四:边坡监测网格正交应变比参数的确定;

    步骤五:边坡正交应变比稳定性判据与滑移塑性区的测定;

    步骤六:边坡坡体损伤变量及损伤变量临界值的确定;

    步骤七:边坡整体稳定性分析与评价;

    步骤八:边坡整体滑移面的确定。

    进一步地,各步骤的具体方法如下:

    步骤一:边坡最危险滑移面的确定

    对待评价边坡进行初步勘察与测绘,确定边坡分布范围与几何尺寸特征,根据
    Fellenuis法,假定其边坡滑移面形状为圆弧滑移面,确定出边坡内部可能发生滑移的多个
    潜在滑移面及相应滑移面的稳定性系数FS;对比各确定的稳定性系数FS,并取其最小值作为
    边坡的整体稳定性系数,其相应的圆弧线即为最危险滑移面。(所述的Fellenuis法及稳定
    性系数FS的确定均是本领域公知常识及常规技术手段。)

    对均质粘性土坡:当内摩擦角时,其最危险滑移面通过坡脚;当时,其最危
    险滑移面通过或不通过坡脚,这取决于土坡坡脚和坡底下卧硬土层埋藏深度(见原理1)。

    步骤二:边坡正交应变监测网格的布置

    (1)在边坡主滑区确定一代表性坡体横断面,并以此确定最危险滑移面与边坡顶
    面交点;

    (2)沿该边坡横断面从坡顶至坡脚以间距0.5m-1m布置m根沿水平方向均匀分布的
    多点应变计或分布式应变计;其中m>1;

    (3)在边坡顶与最危险滑移面的边坡顶面交点之间,沿上述坡体横断面1.5d-2d横
    向距离的另一横断面以间距0.5m-1m垂直布置n根竖向均匀分布的多点应变计或分布式应
    变计,所述d为水平方向所选用的应变计的埋设孔径直径;在最危险滑移面的边坡顶面交点
    外侧以间距1m-3m垂直布置1~3根竖向多点应变计或分布式应变计,以此构成m×[n+(1~
    3)]的的正交多点应变计或分布式应变计监测网,并保证水平应变计与竖向应变计之间互
    不干扰;其中n>1;

    (4)在应变计与边坡坡体接触表面埋设传感器装置与数据采集系统,且保证埋设
    的传感器不改变边坡自身稳定状态,从而形成水平与垂直方向交叉分布的应变监测网格。

    步骤三:各监测网格结点处垂直与水平应变的监测与数据记录

    将第i行与第j列应变计交点处的结点命名为结点Ji-j,其中i=1、2、...m,j=1、
    2、...n,并以k天为时间间隔同步同周期分别对监测网格各结点Ji-j的边坡垂直与水平应变
    进行实时监测,应变计的监测数据通过数据采集系统读出,并根据监测数据采集系统分别
    记录下不同时刻监测网格各结点Ji-j处水平应变值εx与垂直应变值εy,并将整理好的数据详
    细录入Excel表格,进行数据记录。其中k≥1。

    步骤四:边坡监测网格正交应变比参数的确定

    将某一时刻边坡监测结点处垂直应变与水平应变的比值定义为边坡该正交结点
    的正交应变比,即:

    λ = ϵ y ϵ x - - - ( 1 ) ]]>

    其中εy,εx分别为监测点的垂直应变和水平应变;

    根据边坡各网格结点处的不同监测时间间隔的垂直应变与水平应变值数据以及
    式(1),确定各监测网格结点处不同时刻的边坡正交应变比λk。

    步骤五:边坡正交应变比稳定性判据与滑移塑性区的测定

    根据数理统计均方差理论的基本原理,将正交应变比时间序列均值作为边坡监测
    结点整体稳定性水平基本评价参数,将正交应变比时间序列的均方差作为边坡监测结点稳
    定性降低演变的统计评价参数,因此可将正交应变比时间序列均值与(1~3)倍均方差之和
    作为边坡塑性区形成与演化程度的评价判据,依此可建立边坡稳定性演化与滑移塑性区判
    据如下:

    λ = λ ± ( 1 ~ 3 ) σ - - - ( 2 ) ]]>

    其中:为正交应变比时间序列均值,σ为均方差,

    (1)当坡顶到坡底各层的网格监测线结点处λ值为一定值,或以某一定值上下波
    动,即时,则判定边坡无潜在塑性区出现;

    (2)当网格监测结点处的λ值出现增大,即或
    时,则判定边坡该范围内的坡体已形成初步滑移塑性区,且其初步滑移塑性区将不断扩展
    与增大;

    (3)当网格监测结点处的λ值继续增大并发生突变,即出现或
    时,表明突变范围内的坡体已形成整体滑移塑性区。

    步骤六:边坡坡体损伤变量及损伤变量临界值的确定

    (1)根据步骤五塑性区形成判据,对最危险滑移面内各水平层塑性区发展情况进
    行判定,当该层未出现潜在塑性区时,记为X1;当出现初步滑移塑性区时,记为X2;当出现滑
    移塑性区时记为X3;分别统计X1,X2,X3的个数C1,C2,C3。

    (2)根据式(3)确定边坡坡体的损伤变量(见原理3):

    D = C 2 × 0.5 + C 3 C 1 + C 2 + C 3 - - - ( 3 ) ]]>

    (3)考虑到边坡工程的重要性、参数的不确定性,为边坡设定一个安全系数K作为
    其稳定性安全储备,安全系数K可根据边坡的重要等级参照相关边坡工程规范(如《建筑边
    坡工程技术规范》(GB50330-2013)、《地质灾害防治工程勘察规范》(DB50/143-2003)等)确
    定(安全系数K的确定为本领域常规技术手段),进而根据式(4)确定边坡坡体损伤变量临界
    值:

    D c r = 1 K - - - ( 4 ) ]]>

    Dcr即为运用安全系数所确定的边坡整体稳定性判据。

    步骤七:边坡整体稳定性分析与评价

    根据边坡整体稳定性判据,对边坡的稳定性进行以下分析与评价:当边坡坡体损
    伤变量D<Dcr时,表明边坡整体处于相对稳定状态;当边坡坡体损伤变量D≥Dcr时,表明边坡
    整体处于不稳定状态。

    步骤八:边坡整体滑移面的确定

    当边坡坡体损伤变量D≥Dcr时,依据步骤五判断边坡出现初步滑移塑性区及滑移
    塑性区对应的层位,取每层各监测网格结点的正交应变比λ的极值点;若某层两监测结点处
    λ出现双高值点,则找到两个λ值最高的结点,然后将这两个结点连线,取连线的中点作为极
    值点;根据上述极值点的取法,分别确定每层监测线正交应变比极值点;将出现塑性区的的
    各层正交应变比极值点对应的结点从上至下依次用平滑曲线进行连线,所得到的曲线便为
    边坡整体滑移面。

    本发明方法的基本原理与依据如下:

    原理1:

    根据现有技术中费伦纽斯法的大量计算结果发现,内摩擦角的简单土坡的最
    危险滑移面为通过坡脚的圆弧,其圆心位于图2中AO与BO两线的交点,图2中β1、β2坡角或坡
    度的关系见表1。

    表1β1、β2的确定


    对的土坡,最危险滑弧圆心位置如图3所示:

    ①首先按法确定O点

    ②后作E点,E点的位置距坡脚B点水平距离4.5H(H为坡高),距坡顶A点垂直距离
    2H,位置关系如图3所示,最危险滑动圆弧圆心位置即在EO连线的延长线上。

    ③在EO的延长线上取圆心O1、O2、O3……等,分别算出相应的Fs1、Fs2、Fs3……等,通
    过O1、O2、O3……等分别以垂直OE的不同大小线段代表Fs1、Fs2、Fs3……值,连其端点,则曲线
    上最小的Fs值对应的Om点即是最危险滑弧圆心。通过最危险滑弧圆心位置即可确定出潜在
    滑移面的位置。

    原理2:

    当坡体处于弹性压缩变形阶段时,在坡体的线弹性变形范围内,根据弹性力学中
    平面问题的物理方程:

    ξ x = 1 E ( σ x - μσ y ) ξ y = 1 E ( σ y - μσ x ) - - - ( 5 ) ]]>

    将σx:σy=1:B2即σy=B2σx带入式(5)得:

    ξ x = 1 - B 2 μ E σ x ξ y = B 2 - μ E σ x - - - ( 6 ) ]]>

    ξ y ξ x = B 2 - μ 1 - B 2 μ - - - ( 7 ) ]]>

    此时坡体水平、垂直方向的变形量分别为:

    Dx=ξxl(8)

    Dy=ξyh(9)

    根据正交应变比的定义得:

    η = D y D x = ξ y h ξ x l = h l ξ y ξ x = h l B 2 - μ ( 1 - B 2 μ ) - - - ( 10 ) ]]>

    式(5)-(10)中,ξx、ξy、σx、σy、E、μ、B2、h、l分别代表水平应变、垂直应变、水平应力、
    垂直应力、弹性模量、泊松比、应力比例常数、坡体长度、坡体厚度。

    从式(10)可以看出,坡体的正交应变比大小只与坡体的泊松比和应力比例常数B2
    有关。对于弹性状态和应力比例常数B2为定值的边坡,其坡体泊松比始终保持不变,因此,
    弹性稳定变形状态下其坡体的正交应变比是一个相对稳定的常量。

    边坡在压缩弹性变形阶段结束后,随着其应力的调整与变化,将在坡体内部不同
    部位形成应力集中区。当集中区的剪应力大于或等于坡体的抗剪强度时便在边坡内部形成
    塑性区。随着塑性区的不断扩大,不同塑性区将连接贯通进而形成完整的塑性滑移区,此时
    坡体将出现不连续非线性的塑性变形和位移,同时坡体将转入塑性变形阶段,预示着将向
    整体失稳方向发展。

    设均匀各向同性体堆积层边坡倾角为θ。以平行坡面和垂直坡面方向建立X′、Y′直
    角坐标系。其坡体内某点的有效主应力σ1′与X′轴的夹角为α;通过该点的两条滑移特征线
    为β-和β+;为每个特征线通过该点的位移速率分量;其合成速率量为和
    (图5)。

    根据塑性力学分析原理,设坡体塑性主应变率和与塑性屈服函数f(σ1′,
    σ2′,σ3′)切线斜率成正比,则


    其中:σ1′、σ2′、σ3′分别代表塑性主应力、c代表有效粘聚力、代表有效内摩擦角。

    根据塑性流动规则,将上式对σ1′,σ2′,σ3′求导,可得:


    ϵ · 2 = 0 - - - ( 13 ) ]]>


    式中:代表塑性主应变率,χ为一确定比例系数。

    由式(12)和式(14)可得到平均主应变率和最大剪应变率分别为:


    ϵ · 1 - ϵ · 2 2 = χ 2 - - - ( 16 ) ]]>

    从式(15)和式(16)消去χ,可得边坡变形连续方程为


    令U和V分别为坡体在X和Y方向的位移速率分量,且压缩变形速率为正,为此可定
    义变形速率如下:

    ϵ · x = - U x - - - ( 18 ) ]]>

    ϵ · y = - V y - - - ( 19 ) ]]>

    利用变形速率转换方程,根据式(18)和(19),可得:



    α为坡体内某点的有效主应力σ1′与X′轴的夹角,为水平方向应变,为垂直方
    向应变。

    根据式(20)和式(21)及坡体变形连续条件,可得塑性变形阶段边坡正交应变比
    为:


    由式(22)可以得出以下认识:

    根据库伦破坏准则,当坡体由压缩弹性变形进入塑性变形时,随着坡体塑性区扩
    展与增大及应力的调整,其有效主应力σ1′与X′轴的夹角α将逐渐降低或增大并趋于
    这个塑性稳定性降低过程比引起坡体正交应变比的增大;当坡体塑性区扩展并完
    全贯通时,其坡体滑带的α值将等于此时由公式(22)可以看出边坡的正交应变比将
    趋近无穷大。该结果表明坡体出现塑性滑移面时,其深部屈服部位塑性正交应变比将出现
    突变,这种突变必然会引起边坡正交应变比的突变。

    由原理2可知,当边坡正交应变比基本为稳定值或以某一定值为基准上下波动时,
    表明边坡处于弹性稳定状态,其塑性破坏区并未出现;当边坡正交应变比逐渐增大或减小,
    其增大或减小幅度或变化速率与不同坡体滑移变形性质和滑带塑性区发展的规模有关,表
    明边坡由弹性稳定状态向塑性阶段发展,其坡体塑性区开始出现并不断扩展与增大;当边
    坡正交应变比出现突变,表明边坡进入整体滑移阶段,其滑带塑性破坏区完全贯通。上述边
    坡正交应变比演化规律表明正交应变比参数与边坡稳定性状态存在一一对应关系,因此可
    以根据各层监测网格结点处正交应变比参数变化规律判断边坡的塑性区及其稳定性。

    原理3:

    从损伤力学的角度看,滑坡的孕育过程就是潜在滑带岩土体的损伤演化过程。根
    据损伤力学基本原理,损伤过程与损伤程度可以运用损伤变量(Dt)来描述与刻画。由损伤
    变量的定义,损伤变量可表示为:

    D t = 1 - E t E 0 - - - ( 23 ) ]]>

    式中:Dt为土体损伤变量,E0为土体初始弹模,Et为发生损伤后变形模量。

    由式(23)可知,当边坡未受损伤时,Et=E0,Dt=0,当边坡处于完全损伤破坏状态
    时,Et=0,Dt=1。

    本发明根据边坡潜在滑移面内各水平层塑性区发展情况进行判定,当该层未出现
    潜在塑性区时,记为X1,当出现初步滑移塑性区时,记为X2,当出现滑移塑性区时记为X3。分
    别统计X1,X2,X3的个数C1,C2,C3,其总数为q。在此基础上定义损伤变量为:

    D = C 2 × 0.5 + C 3 C 1 + C 2 + C 3 - - - ( 24 ) ]]>

    由式(24)可知当边坡未受损伤时,C1=q,C2=C3=0,D=0,当边坡完全损伤时,C3
    =q,C1=C2=0,D=1。

    因此式(23)和式(24)在描述和评价边坡损伤变形规律时具有等效性,运用该式来
    定义损伤变量是可行的和有效的,从而可运用该损伤变量公式对任何变形阶段的滑坡稳定
    性进行分析与评价。

    本发明根据“全息信息论”的基本原理,提出一种基于土层边坡坡体内部横向与竖
    向应变耦合监测参数确定边坡塑性区与稳定性评价的方法,该边坡稳定性评价方法可克服
    传统极限平衡法无法监测和分析边坡稳定性随时间的变化规律的局限及有限元法计算复
    杂的问题,同时又可克服传统位移监测法无明确的定量稳定性与失稳判据以及无法判定边
    坡变形性质的弊端,运用该参数及其稳定性失稳判据可准确确定边坡塑性区及评价边坡稳
    定性。上述特点均体现了该方法在边坡稳定性和滑坡地质灾害监测预警与防治中具有重要
    的工程应用价值。

    附图说明

    图1为本发明流程图;

    图2为内摩擦角时,最危险滑移面图;

    图3为内摩擦角时,最危险滑移面图;

    图4为正交应变监测网格布置图;

    图5为倾角为θ的均匀滑坡位移速率直角坐标示意图。

    具体实施方式

    为了更好地阐述本发明,下面以某长江沿岸堆积层滑坡为例进行详细说明。具体
    的实施步骤如下:

    步骤一:边坡最危险滑移面的确定

    对待该评价边坡进行初步勘察与测绘,确定边坡分布范围与尺寸如图4,根据瑞典
    圆弧费伦纽斯法,假定其边坡滑动面形状为圆弧,确定出边坡内部可能发生滑移的多个潜
    在滑移面及相应滑动面的稳定性系数FS。对比其稳定性系数FS,并取其最小值作为边坡的整
    体稳定性系数,其相应的圆弧线即为最危险滑动面,如图4。

    步骤二:边坡正交应变监测网格的布置

    1)在边坡主滑区确定某一代表性坡体横断面,并以此确定最危险滑移面与边坡顶
    面交点B;

    2)沿该边坡横断面从坡顶至坡脚(图4中CA)以0.5m间距布置12根沿水平方向均匀
    分布的多点应变计;

    3)在边坡顶与最危险滑移面的边坡顶面交点(图4中BC)之间,沿上述坡体横断面
    120mm横向距离的另一横断面(d为60mm)以0.8m间距垂直布置10根沿竖向均匀分布的多点
    应变计;在最危险滑移面的边坡顶面交点外侧适当放大间距以1.6m间距布置2根竖向多点
    应变计,以此构成12×12的正交多点应变计监测网,并保证水平应变计与竖向应变计之间
    互不干扰(应变计布置如图4);

    4)在应变计与边坡坡体接触表面埋设传感器装置与数据采集系统,且保证埋设的
    传感器不改变边坡自身稳定状态,从而形成水平与垂直方向交叉分布的应变监测网格。

    步骤三:各监测点垂直应变与水平应变的监测与记录

    将第i行与第j列应变计交点处的结点命名为结点Ji-j(i=1、2、...12,j=
    12...12),以5天为时间间隔同步同周期分别对边坡网格各结点Ji-j处垂直应变与水平应变
    进行实时监测,监测数据通过数据采集系统读出,并分别记录下监测网格各结点Ji-j处水平
    应变与垂直应变值(εx,εy),并将数据整理形成有竖向应变和水平应变数据详细录入Excel
    表格,如表2。

    表2各监测网格结点垂直与水平应变监测数据



    步骤四:边坡正交应变比的确定

    将某一时刻边坡监测点垂直应变与水平应变的比值定义为边坡的正交应变比,
    即:

    λ = ϵ y ϵ x - - - ( 1 ) ]]>

    其中εy,εx分别为监测点的垂直应变和水平应变;

    根据各监测网格结点的不同监测时间间隔(5天、10天、15天……55天)的垂直与水
    平应变值数据,根据式(1)确定各监测网格结点不同时间间隔的滑坡正交应变比λk,如表3。

    表3各监测网格结点不同时间间隔的滑坡正交应变比λk。



    步骤五:边坡正交应变比稳定性判据与滑移塑性区的测定

    根据边坡稳定性演化与滑移塑性区判据:

    λ = λ ± ( 1 ~ 3 ) σ - - - ( 2 ) ]]>

    其中:为正交应变比时间序列均值,σ为均方差,

    依据表3中各层监测网格结点处正交应变比参数λ变化规律判断边坡的塑性区及
    其稳定性。

    以点J1-3为例,在前50天正交应变比在左右波动,表明边坡无潜
    在塑性区出现,边坡处于基本稳定状态;边坡在55天时,σ=3.24,表明
    第1层出现滑移塑性区。

    同理根据其他层位监测结点判定该边坡在55天时边坡部分层位(6,7,8,9,10,11,
    12)结点出现表明边坡这部分结点所在区域出现初步滑移塑性区,另一
    部分层位(1,2,3,4,5)正交应变比发生突变,出现表明边坡这部分结点所在区
    域出现滑移塑性区。

    步骤六:边坡损伤变量及损伤变量临界值的确定

    1)根据步骤五塑性区的判据对各水平层塑性区发展情况进行判定,当边坡监测到
    第55天时,所有层位都出现塑性区,第6,7,8,9,10,11,12层出现初步滑移塑性区,记为X2,
    第1,2,3,4,5层出现滑移塑性区,记为X3。分别统计X1,X2,X3的个数C1,C2,C3为0,7,5。

    2)根据式(3)确定边坡的损伤变量:

    D = C 2 × 0.5 + C 3 C 1 + C 2 + C 3 = 7 × 0.5 + 5 12 = 0.708 - - - ( 3 ) ]]>

    3)考虑到边坡工程的重要性、参数的不确定性,根据《地质灾害防治工程勘察规
    范》(DB50/143-2003)等)确定K=1.25,进而根据式(4)确定边坡损伤变量临界值。

    D c r = 1 K = 0.8 - - - ( 4 ) ]]>

    Dcr即为运用滑坡安全系数所确定的边坡整体稳定性判据。

    步骤七:边坡整体稳定性分析与评价

    根据边坡整体稳定性判据,损伤变量D=0.708<Dcr=0.80,因此判断边坡整体处于
    基本稳定状态。

    关于本文
    本文标题:一种基于正交应变比的土层边坡稳定性测定方法.pdf
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