CN106227904B - 一种基于边坡力分布特征的防护措施设计方法 - Google Patents

一种基于边坡力分布特征的防护措施设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于边坡力分布特征的防护措施设计方法，明确指明了三种防护措施的设计位置、防护工程各种工况下下滑力及矢量和的计算，并提出了以力设计为主，结合防护工程所处的位置，通过计算防护工程所产生的位移值，结合防护工程所在位置能够承受的变形大小，辅以一定的预应力综合控制防护工程的力和位移大小，并指明了位移的计算方法和控制标准。

Description

一种基于边坡力分布特征的防护措施设计方法
技术领域
本发明涉及土木工程和地质灾害防治技术领域，具体的说是一种基于边坡力分布特征的防护措施设计方法。
背景技术
边坡和基坑的稳定性评价均是建立在极限平衡状态的假设上，其广泛采用的方法为：瑞典法、简化Bishop法、Janbu法、传递系数法、Sarma法、楔形体法、Fellenius法、有限元强度折减法等十几种边坡稳定性计算方法。其潜在滑动面的决定也是建立在临界应力状态理论之上，然而现场边坡破坏是渐进的，滑面部分处于临界应力状态，部分处于破坏后区或峰值前应力状态区，现行的极限平衡状态法难以获得沿滑面的真实应力场和位移场，采用强度折减后，其力的分布不具有真实性。迄今为止，选取边坡及基坑的防护工程设计位置没有明确的方法，强度折减计算所得力的大小可以说是没有根据的。鉴于此，本发明提出了一种基于边坡力分布特征的防护措施设计方法，该方法使防护工程设计向实践推进了一大步。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于边坡力分布特征的防护措施设计方法，基于边坡和基坑破坏是渐进的，沿着滑动面可以划分为不稳定区、临界状态、欠稳定区和稳定区，根据边坡或基坑的重要性，决定防护措施是临时或永久稳定，相对应地可以选取防护工程处于临界状态、欠稳定区或稳定区，并确定相对应的安全系数。基于边坡渐进破坏理论研究的进展，根据滑面应力分布特征，提出刚性、柔性和刚柔设计理念，实施边坡力分布特征的防护措施设计。
本发明一种基于边坡力分布特征的防护措施设计方法，包括如下步骤：
(1)对滑体、滑面材料实施剪应力--剪应变全过程曲线试验，试验获得峰值应力、应变和全过程曲线；
(2)通过峰值应力决定凝聚力C、滑面摩擦角值，以峰值应变决定常系数a1,a2,a3大小，初始变化曲线特征决定剪切模量G、临界法向应力σn crit、常系数ξ、α、kn；
(3)建立数值计算模型，在考虑剪破坏分布的同时，同时考虑拉破坏分布区；
(4)在考虑应变软化本构模型数值计算的基础上，计算现状边坡每点的破坏率、破坏比和破坏面积比，以组合的方式提出不同的可能破坏路径；
(5)对于可能施加的荷载或位移工况，分步施加相应的工况，对在不同工况下可能破坏模式进行搜寻，决定可能的破坏面或现场决定滑动面；
(6)对于具有软化和硬化特征的滑面剪应力--剪应变满足如下本构方程
τ＝Gγ[1+γq/p]ξ (1)
式中：τ、γ分别为剪应力和剪应变，G为剪切模量，p、q、ξ为在不同法向应力下的常系数，τ、G的单位为MPa或kPa或Pa，p、q、ξ为无单位参数；
(7)对边坡进行可靠的现场和力学数值分析，从而决定可能的滑动面和沿滑面的力学状态(破坏区、临界状态、弹塑性状态和弹性状态)，并根据工程的重要性，决定防护工程的位置；对于基坑，根据工程的重要程度，决定对应防护工程设计处于何种应力状态(如：比例极限、峰值或比例极限与峰值之间应力状态)；
(8)在步骤(1)至步骤(7)的基础上，确定支护措施所在位置，根据可能的破坏模式分析，计算防护工程在各种工况下相对应的剩余下滑力及计算其矢量和；
(9)选取边坡的不同位置进行防护措施设计。
(9.1)针对推移式和牵引式边坡，在临界状态应力位置布设防护措施，此时计算防护范围内在各种工况下所对应的剩余下滑力矢量和，假设剩余下滑力矢量和在防护工程位置以一定的特征分布，在一定安全系数条件下决定该防护工程在该位置所需抗滑力的大小，按照力的大小，并考虑预应力计算防护工程的位移值，由于该防护设计为刚性设计，计算相对应的预应力大小，使包含有预应力的防护工程所产生的位移值等于在一定安全系数条件下防护工程在该位置按照力的大小计算的位移值；对于基坑，计算防护工程所在位置所对应比例极限应力的位移值，在一定安全系数条件下，计算防护工程所在位置的抗滑力的大小，并假设满足一定分布，从而获得防护工程所产生的位移值，比较防护工程在比例极限的位移值大小，从而决定相应的预应力大小，设计采用各种组合方式，使防护工程的力和位移满足在该位置处于比例极限应力状态的设计要求。
(9.2)针对推移式和牵引式边坡，在比例极限应力状态位置布设防护措施，计算该位置发展到峰值应力状态时在各种工况下相应的剩余下滑力矢量和，假设剩余下滑力矢量和在防护工程位置以一定的特征分布，在一定安全系数条件下决定该防护工程在该位置所需抗滑力的大小，按照力的大小计算防护工程在该位置所能承受的最大位移值(即：该比例极限应力达到峰值应力状态时的位移值)，由于该防护设计为柔性设计，如果变形满足要求则不一定需要施加预应力，否则计算相对应的预应力大小，使拥有预应力的防护工程所产生的位移值等于在一定安全系数条件下防护工程在该位置按照力的大小计算的位移值；对于基坑，计算防护工程所在位置所对应峰值应力状态的位移值，在一定安全系数条件下，计算防护工程所需抗滑力的大小，并假设满足一定分布，从而获得防护工程所产生的位移值，比较防护工程位移和在峰值应力状态的位移值大小，从而决定相应的预应力大小，设计采用各种组合方式，使防护工程的力和位移满足在一定安全系数下该位置处于峰值应力状态的设计要求。
(9.3)针对推移式和牵引式边坡，在比例极限应力和峰值应力状态之间位置布设防护措施，此时计算该位置发展到峰值应力状态时在各种工况下相应的剩余下滑力矢量和，假设剩余下滑力矢量和在防护工程位置以一定的特征分布，在一定安全系数条件下决定该防护工程在该位置所需抗滑力的大小，按照力的大小计算防护工程在该位置所能承受的最大位移值(即：该位置达到峰值应力状态时的位移值)，由于该防护设计为刚柔性设计，如果变形满足要求则不需施加预应力，否则计算相对应的预应力大小，使拥有预应力的防护工程所产生的位移值等于在一定安全系数条件下防护工程在该位置按照力的大小计算的位移值；对于基坑，计算防护工程所在位置所对应峰值或比例极限应力状态的位移值，在一定安全系数条件下，计算防护工程所需抗滑力的大小，并假设满足一定分布，从而获得防护工程在该位置所产生的位移值，比较防护工程的位移和在该位置的位移值大小，从而决定相应的预应力大小，设计采用各种组合方式，使防护工程的力和位移满足在一定安全系数下在该位置的应力设计要求。
所述剩余下滑力矢量和在防护工程位置的分布状态包含但不限于三角形分布、矩形分布或抛物线型分布。
步骤(9.1)、步骤(9.2)和步骤(9.3)中，存在两个安全系数，抗剪安全系数Fsh和抗弯安全系数Fm，表达式如下：
Fsh＝Qmax/Q，Fm＝Mmax/M (2)
式中，Fsh为某一断面相对不同工况下的抗剪安全系数，Qmax为该断面在不同工况下的防护工程横截面所具有的最大抗剪力，Q为该断面在不同工况下的防护工程横截面所承受的抗剪力；Fm为相对不同工况下的抗弯矩安全系数，Mmax为防护工程在不同工况下的稳定力相对转动点的总力矩，M为防护工程在不同工况下的倾覆力相对转动点的总力矩。
本发明一种基于边坡力分布特征的防护措施设计方法的有益效果在于：现行边坡和基坑防护工程设计均是建立在极限平衡状态的假设上，其极限平衡状态法难以获得沿滑面的真实应力场和位移场，采用强度折减后，其力的分布不具有真实性，当然位移场也是不真实的。其抗滑措施位置的决定是基于不平衡推力的大小，其不平衡推力是没有根据的，而且也没有具体指明防护措施的设置位置，其防护措施的永许位移值大小也没有指明具体的计算方法和标准；
本发明方法明确指明了三种防护措施的设计位置、防护工程各种工况下下滑力及矢量和的计算，并提出了以力设计为主，结合防护工程所处的位置，通过计算防护工程所产生的位移值，结合防护工程所在位置能够承受的变形大小，辅以一定的预应力综合控制防护工程的力和位移大小，并指明了位移的计算方法和控制标准。
附图说明
图1为推移式边坡在不同位置设置防护工程的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明。如图1所示，一种基于边坡力分布特征的防护措施设计方法，具体步骤如下：
(1)对滑体、滑面材料实施剪应力--剪应变全过程曲线试验，试验获得峰值应力、应变和全过程曲线；
(2)通过峰值应力决定凝聚力C、滑面摩擦角值，以峰值应变决定常系数a1,a2,a3大小，初始变化曲线特征决定剪切模量G、临界法向应力σn crit、常系数ξ、α、kn；
(3)按现行方法建立可行的数值计算模型，在考虑剪破坏分布的同时，同时考虑拉破坏分布区；
(4)在考虑应变软化本构模型数值计算的基础上，计算现状边坡每点的破坏率、破坏比和破坏面积比，以组合的方式提出不同的可能破坏路径；
(5)对于可能施加的荷载或位移工况，分步施加相应的工况，对在不同工况下可能破坏模式进行搜寻，决定可能的破坏面或现场决定滑动面；
(6)对于具有软化和硬化特征的滑面剪应力--剪应变满足如下本构方程(见发明专利：2015106588806一种边坡渐进破坏潜在滑动面的计算方法)
τ＝Gγ[1+γq/p]ξ (1)
式中：τ、γ分别为剪应力和剪应变，G为剪切模量，p、q、ξ为在不同法向应力下的常系数，τ、G的单位为MPa或kPa或Pa，p、q、ξ为无单位参数；
(7)对边坡进行可靠的现场和力学数值分析，从而决定可能的滑动面和沿滑面的力学状态(破坏区、临界状态、弹塑性状态和弹性状态)，并根据工程的重要性，决定防护工程的位置；对于基坑，根据工程的重要程度，决定对应防护工程设计处于何种应力状态(如：比例极限、峰值或比例极限与峰值之间应力状态)；
(8)在步骤(1)至步骤(7)的基础上，确定支护措施所在位置，根据可能的破坏模式分析，计算防护工程在各种工况下相对应的剩余下滑力及计算其矢量和；
(9)选取边坡的不同位置进行防护措施设计。
(9.1)对于方法一：针对推移式和牵引式边坡，在临界状态应力位置布设防护措施，此时计算防护范围内在各种工况下所对应的剩余下滑力矢量和，假设剩余下滑力矢量和在防护工程位置以一定的特征分布(如：三角形分布、矩形分布和抛物线型分布)，在一定安全系数条件下决定该防护工程在该位置所需抗滑力的大小，按照力的大小，并考虑预应力计算防护工程的位移值，由于该防护设计为刚性设计，计算相对应的预应力大小，使包含有预应力的防护工程所产生的位移值等于在一定安全系数条件下防护工程在该位置按照力的大小计算的位移值；对于基坑，计算防护工程所在位置所对应比例极限应力的位移值，在一定安全系数条件下，计算防护工程所在位置的抗滑力的大小，并假设满足一定分布(如：三角形分布、矩形分布和抛物线型分布)，从而获得防护工程所产生的位移值，比较防护工程在比例极限的位移值大小，从而决定相应的预应力大小，设计采用各种组合方式，使防护工程的力和位移满足在该位置处于比例极限应力状态的设计要求。
(9.2)对于方法二：针对推移式和牵引式边坡，在比例极限应力状态位置布设防护措施，计算该位置发展到峰值应力状态时在各种工况下相应的剩余下滑力矢量和，假设剩余下滑力矢量和在防护工程位置以一定的特征分布(如：三角形分布、矩形分布和抛物线型分布)，在一定安全系数条件下决定该防护工程在该位置所需抗滑力的大小，按照力的大小计算防护工程在该位置所能承受的最大位移值(即：该比例极限应力达到峰值应力状态时的位移值)，由于该防护设计为柔性设计，如果变形满足要求则不一定需要施加预应力，否则计算相对应的预应力大小，使拥有预应力的防护工程所产生的位移值等于在一定安全系数条件下防护工程在该位置按照力的大小计算的位移值；对于基坑，计算防护工程所在位置所对应峰值应力状态的位移值，在一定安全系数条件下，计算防护工程所需抗滑力的大小，并假设满足一定分布(如：三角形分布、矩形分布和抛物线型分布)，从而获得防护工程所产生的位移值，比较防护工程位移和在峰值应力状态的位移值大小，从而决定相应的预应力大小，设计采用各种组合方式，使防护工程的力和位移满足在一定安全系数下该位置处于峰值应力状态的设计要求。
(9.3)对于方法三：针对推移式和牵引式边坡，在比例极限应力和峰值应力状态之间位置布设防护措施，此时计算该位置发展到峰值应力状态时在各种工况下相应的剩余下滑力矢量和，假设剩余下滑力矢量和在防护工程位置以一定的特征分布(如：三角形分布、矩形分布和抛物线型分布)，在一定安全系数条件下决定该防护工程在该位置所需抗滑力的大小，按照力的大小计算防护工程在该位置所能承受的最大位移值(即：该位置达到峰值应力状态时的位移值)，由于该防护设计为刚柔性设计，如果变形满足要求则不需施加预应力，否则计算相对应的预应力大小，使拥有预应力的防护工程所产生的位移值等于在一定安全系数条件下防护工程在该位置按照力的大小计算的位移值；对于基坑，计算防护工程所在位置所对应峰值或比例极限应力状态的位移值，在一定安全系数条件下，计算防护工程所需抗滑力的大小，并假设满足一定分布(如：三角形分布、矩形分布和抛物线型分布)，从而获得防护工程在该位置所产生的位移值，比较防护工程的位移和在该位置的位移值大小，从而决定相应的预应力大小，设计采用各种组合方式，使防护工程的力和位移满足在一定安全系数下在该位置的应力设计要求。
所述剩余下滑力矢量和在防护工程位置的分布状态包含但不限于三角形分布、矩形分布或抛物线型分布。
步骤(9.1)、步骤(9.2)和步骤(9.3)中，存在两个安全系数，抗剪安全系数Fsh和抗弯安全系数Fm，表达式如下：
Fsh＝Qmax/Q，Fm＝Mmax/M (2)
式中，Fsh为某一断面相对不同工况下的抗剪安全系数，Qmax为该断面在不同工况下的防护工程横截面所具有的最大抗剪力，Q为该断面在不同工况下的防护工程横截面所承受的抗剪力；Fm为相对不同工况下的抗弯矩安全系数，Mmax为防护工程在不同工况下的稳定力相对转动点的总力矩，M为防护工程在不同工况下的倾覆力相对转动点的总力矩。

Claims (3)

1.一种基于边坡力分布特征的防护措施设计方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)对滑体、滑面材料实施剪应力--剪应变全过程曲线试验，试验获得峰值应力、应变和全过程曲线；
(2)通过峰值应力决定凝聚力C、滑面摩擦角值，以峰值应变决定常系数a1,a2,a3大小，全过程曲线特征决定剪切模量G；
(3)建立应变软化本构方程，考虑破坏分布区特征；
(4)在考虑应变软化本构方程数值计算的基础上，计算现状边坡每点的破坏率、破坏比和破坏面积比，以组合的方式提出不同的破坏模式；
(5)对于施加的荷载或位移工况，分步施加相应的工况，对在不同工况下破坏模式进行搜寻，决定破坏面或现场决定滑动面；
(6)对于具有软化和硬化特征的滑动面剪应力--剪应变满足如下本构方程
τ＝Gγ[1+γq/p]ξ (1)
式中：τ、γ分别为剪应力和剪应变，G为剪切模量，p、q、ξ为在不同法向应力下的常系数，τ、G的单位为MPa或kPa或Pa，p、q、ξ为无单位参数；
(7)对边坡进行可靠的现场和力学数值分析，从而决定滑动面和沿滑动面的破坏区、临界状态、弹塑性状态和弹性状态，并根据工程的重要性，决定防护措施的位置；对于基坑，根据工程的重要程度，决定对应防护措施设计处于何种应力状态，所述应力状态为比例极限、峰值或比例极限与峰值之间应力状态；
(8)在步骤(1)至步骤(7)的基础上，确定防护措施所在位置，根据破坏模式分析，计算防护措施在各种工况下相对应的剩余下滑力及计算其矢量和；
(9)选取边坡的不同位置进行防护措施设计，具体为临界状态应力位置、比例极限应力状态位置以及比例极限应力和峰值应力状态之间位置；所述步骤(9)包括下列子步骤：
(9.1)针对推移式和牵引式边坡，在临界状态应力位置布设防护措施，此时计算防护范围内在各种工况下所对应的剩余下滑力矢量和，剩余下滑力矢量和在防护措施位置以一定的特征分布，在一定安全系数条件下决定该防护措施在该位置所需抗滑力的大小，按照力的大小，并考虑预应力计算防护措施的位移值，由于该防护设计为刚性设计，计算相对应的预应力大小，使包含有预应力的防护措施所产生的位移值等于在一定安全系数条件下防护措施在该位置按照力的大小计算的位移值；对于基坑，计算防护措施所在位置所对应比例极限应力的位移值，在一定安全系数条件下，计算防护措施所在位置的抗滑力的大小，并满足一定分布，从而获得防护措施所产生的位移值，比较防护措施在比例极限的位移值大小，从而决定相应的预应力大小，设计采用多种组合方式，使防护措施的力和位移满足在该位置处于比例极限应力状态的设计要求；
(9.2)针对推移式和牵引式边坡，在比例极限应力状态位置布设防护措施，计算该位置发展到峰值应力状态时在各种工况下相应的剩余下滑力矢量和，剩余下滑力矢量和在防护措施位置以一定的特征分布，在一定安全系数条件下决定该防护措施在该位置所需抗滑力的大小，按照力的大小计算防护措施在该位置所能承受的最大位移值，由于该防护设计为柔性设计，变形不满足要求则施加预应力，并计算相对应的预应力大小，使拥有预应力的防护措施所产生的位移值等于在一定安全系数条件下防护措施在该位置按照力的大小计算的位移值；对于基坑，计算防护措施所在位置所对应峰值应力状态的位移值，在一定安全系数条件下，计算防护措施所需抗滑力的大小，并满足一定分布，从而获得防护措施所产生的位移值，比较防护措施位移和在峰值应力状态的位移值大小，从而决定相应的预应力大小，设计采用多种组合方式，使防护措施的力和位移满足在一定安全系数下该位置处于峰值应力状态的设计要求；
(9.3)针对推移式和牵引式边坡，在比例极限应力和峰值应力状态之间位置布设防护措施，此时计算该位置发展到峰值应力状态时在各种工况下相应的剩余下滑力矢量和，剩余下滑力矢量和在防护措施位置以一定的特征分布，在一定安全系数条件下决定该防护措施在该位置所需抗滑力的大小，按照力的大小计算防护措施在该位置所能承受的最大位移值，由于该防护设计为刚柔性设计，变形满足要求则不需施加预应力，否则计算相对应的预应力大小，使拥有预应力的防护措施所产生的位移值等于在一定安全系数条件下防护措施在该位置按照力的大小计算的位移值；对于基坑，计算防护措施所在位置所对应峰值或比例极限应力状态的位移值，在一定安全系数条件下，计算防护措施所需抗滑力的大小，并满足一定分布，从而获得防护措施在该位置所产生的位移值，比较防护措施的位移和在该位置的位移值大小，从而决定相应的预应力大小，设计采用多种组合方式，使防护措施的力和位移满足在一定安全系数下在该位置的应力设计要求。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述剩余下滑力矢量和在防护措施位置的分布状态包含但不限于三角形分布、矩形分布或抛物线型分布。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：存在两个安全系数，抗剪安全系数Fsh和抗弯安全系数Fm，表达式如下：
Fsh＝Qmax/Q，Fm＝Mmax/M (2)
式中，Fsh为某一断面相对不同工况下的抗剪安全系数，Qmax为该断面在不同工况下的防护措施横截面所具有的最大抗剪力，Q为该断面在不同工况下的防护措施横截面所承受的抗剪力；Fm为相对不同工况下的抗弯安全系数，Mmax为防护措施在不同工况下的稳定力相对转动点的总力矩，M为防护措施在不同工况下的倾覆力相对转动点的总力矩。
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