CN108627137A - 一种滑坡变形预测计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑坡变形预测计算方法，包括：步骤1，进行全应变应力试验和蠕变试验，通过岩土体超过峰值点后的变形相等作为基准，将全应力应变试验曲线和蠕变试验曲线建立联系，得到岩土体力学参数随时间变化的曲线；步骤2，将试验得到的岩土体力学参数通过有限元强度折减法得到不同岩土体力学参数的滑坡变形随时间变化的曲线；步骤3，边坡有限元计算模型在应力状态下，根据发生滑坡时的土体力学参数，预测在该参数时的滑坡变形值。本发明的有益效果：采用岩土全应力应变试验、蠕变试验和有限元强度折减法的结合对滑坡变形进行计算分析，计算准确，只需做全应力应变和蠕变试验，无需建立新的本构模型，机理清晰，花费周期少，经济效果好。

Description

一种滑坡变形预测计算方法

技术领域

本发明涉及滑坡预测技术领域，具体而言，涉及一种滑坡变形预测计算方法。

背景技术

滑坡是是常见地质灾害之一，发生时其危害巨大，往往造成巨大人员伤亡、财产损失和重大社会影响。滑坡变形是判断滑坡状态，进行防治对策的主要依据，事实上，滑坡变形是一个蠕变变形破坏的时效过程，分为初始蠕变变形阶段、稳态蠕变变形阶段、加速蠕变变形阶段。对于滑坡变形的预测方法通常分为经验模型法、元件模型法、黏弹塑性模型法。

经验模型法主要有幂次关系、对数关系、分数-线性关系及其组合形式。最早的经验模型由Taylor提出的，此后Mesri、Godlewshi、Singh、Mitchell、Kavazanjian相继提出了多种经验蠕变模型，S.R.Meschyan通过对原状的Kiev黏土和重塑的Novomikhailovsk黏土的直剪蠕变试验，发现应变-时间符合指数关系，应力-应变符合双曲线关系，并首次建立了同时考虑垂向的应力和剪应力的经验蠕变模型；肖树芳等对构造泥化夹层进行了恒温、饱水剪切蠕变试验，并得出蠕变各阶段的经验方程，结果表明在初始蠕变阶段为幂函数及负指数函数形式，等速蠕变阶段为线性函数；加速蠕变阶段为复杂的对数函数形式；赖晓玲等以三峡库区某大型滑坡滑动带土为研究对象，开展了一系列非饱和三轴蠕变试验，建立了各级吸力水平下滑动带土的Mesri蠕变模型，并构建了滑动带土的应力-吸力-应变-时间模型。经验模型描述岩土变形-时间曲线全过程的蠕变方程一般为：ε＝ε_e+ε(t)+At+ε_T(t)，式中，ε为总应变，ε_e为弹性应变，ε(t)是描述初始蠕变的函数，A为常数，At描述等速蠕变，ε_T(t)描述加速蠕变。综合来说，经验模型法计算准确，但其需要大量试验、监测数据，花费周期长，经济效果差。

元件模型法是用牛顿体N、虎克体H、圣维南体S这三类模型元件的串并联组合来模拟岩土体的蠕变特性，主要根据室内蠕变试验得到应力一应变一时间曲线，建立由各个元件串联或并联而成的本构模型，模拟实际岩土体的蠕变特性。较常用的元件模型主要有Maxwell体、Kelvin体、Poyting-Thomson体、Burgers体、Bingham体、西原模型等。韩爱果等采用“陈氏加载法”对某大型滑坡滑带土进行了不同固结压力下的直剪蠕变试验，建立了相应的Burgers本构模型，拟合度较高；严绍军等对大岩淌滑坡滑带土采用Burger模型来模拟流变过程；唐亮等选择广义Kelvin模型和时间硬化经验蠕变公式来描述北京地区粉质粘土的流变特性，并建立了相应的理论和经验模型。根据三种基本原件组合而成的流变模型是一维线性模型，其本构方程可用下列通式来表示：式中，σ、ε、σ_s分别为应力、应变和屈服强度，A、p_i、q_i为材料物性参数。综合来说，元件模型法计算结果准确度一般，参数多，需要做大量试验确定，花费周期长，经济效果差。

粘弹塑性模型法是在经典塑性力学的基础上，采用势函数对土的三维蠕变性质进行描述，主要有过应力理论模型和非稳态流动面模型两种。Adachi和Okano建立了具体的过应力函数，来描述正常固结粘土的蠕变特性；袁静等总结并比较了各种不同模型中的屈服准则；詹美礼等通过对软粘土的流变试验，提出了一个带双屈服面的粘弹塑性流变模型，该模型可以同时反映土的弹性、粘弹性、粘塑性、剪胀、剪缩特性；李兴照等基于准前期固结压力的概念并引入边界面理论，建立了一个以引入形状参数的修正剑桥模型为边界面的弹黏塑性本构模型，该模型可以模拟正常固结土和超固结土的流变特性。综合来说，粘弹塑性模型法计算精度差，采用有限元模拟计算，花费少。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种滑坡变形预测计算方法，采用岩土全应力应变试验、蠕变试验和有限元强度折减法的有机结合对滑坡的变形进行计算分析。

本发明提供了一种滑坡变形预测计算方法，包括：

步骤1，进行全应变应力试验和蠕变试验，通过岩土体超过峰值点后的变形相等作为基准，将全应力应变试验曲线和蠕变试验曲线建立联系，得到岩土体力学参数随时间变化的曲线；

步骤2，将采用试验得到的岩土体力学参数通过有限元强度折减法得到不同岩土体力学参数的滑坡蠕变变形随时间变化的曲线；

步骤3，边坡有限元计算模型在应力状态下，根据发生滑坡时的土体力学参数，预测在该参数时的滑坡变形值。

作为本发明进一步的改进，步骤1具体包括：

步骤101，采用全应力应变试验得到全应力应变试验曲线，即岩土体在峰值强度之后的应变与强度之间的关系曲线；

步骤102，采用蠕变试验得到蠕变试验曲线，即岩土体在某一应力状态下，岩土体的应变与时间之间的关系曲线；

步骤103，将全应力应变试验曲线和蠕变试验曲线绘制在同一图里，拟合得到岩土体力学参数粘聚力C、内摩擦角随时间的拟合关系式；

步骤104，通过统计回归分析，得到岩土体学参数粘聚力C、内摩擦角与施加应力及时间之间的关系。

作为本发明进一步的改进，步骤101中，岩土体在峰值强度后强度随应变增加而降低：将岩土体的峰值强度点记为A，其峰值强度为σ_A，峰值应变为ε_A，当岩土体变形过了峰值强度时，随着应变的增加，岩土体的强度开始下降，到达B点时，强度减小为σ_B，应变增加为ε_B；

步骤102中，岩土体在某一应力状态下，岩土体应变随时间逐渐增大：时间由T_A增加到T_B时，岩土体的应变由ε_A增加ε_B；

步骤103中，全应力应变试验曲线中，点A的粘聚力为C_A、内摩擦角为应变为ε_A，蠕变试验曲线中，当岩土体在某级荷载下的点D的应变ε_D等于ε_A时，点D为临界点，超过该点后，岩土体的强度逐渐降低，当蠕变试验曲线的变形的应变为ε_E时，对应的全应力应变试验曲线的点F的应变为ε_F，ε_E＝ε_F，此时，从全应力应变试验曲线上得到点F的粘聚力为C_F、内摩擦角为应变为ε_F，从应变ε_D变形到应变ε_E的过程中，变化的时间为ΔT₁＝t₂-t₁，即可获得粘聚力为C_A、内摩擦角为粘聚力为C_F、内摩擦角为随时间变化的数据；

全应力应变试验曲线中，点B的粘聚力为C_B、内摩擦角为应变为ε_B，蠕变试验曲线中，当岩土体在某级荷载下的点H的应变ε_H等于ε_B时，点H为临界点，超过该点后，岩土体的强度逐渐升高，当蠕变试验曲线的变形的应变为ε_G时，对应的全应力应变试验曲线的点C的应变为ε_C，ε_G＝ε_C，此时，从全应力应变试验曲线上得到点C的粘聚力为C_C、内摩擦角为应变为ε_C，从应变ε_H变形到应变ε_G的过程中，变化的时间为ΔT₂＝t₄-t₃，即可获得粘聚力为C_B、内摩擦角为粘聚力为C_C、内摩擦角为随时间变化的数据。

作为本发明进一步的改进，步骤2具体包括：

步骤201，将采用试验得到的岩土体力学参数粘聚力C和内摩擦角的初始峰值同时除以一个折减系数，得到一组新的粘聚力C′和内摩擦角

步骤202，将新的粘聚力C′和内摩擦角赋值给边坡有限元计算模型，重新进行计算；

步骤203，重复步骤202，对采用试验得到岩土体力学参数的峰值进行不断折减，当折减后的抗剪强度与岩土体的剪应力相等时，边坡达到极限平衡状态，此时的折减系数就是安全系数，所形成的滑动面为边坡最危险的滑动面，从而得到滑坡体蠕变变形随时间的变化曲线。

本发明的有益效果为：

采用岩土全应力应变试验、蠕变试验和有限元强度折减法的有机结合对滑坡的变形进行计算分析，计算准确，只需要做全应力应变和蠕变试验，无需建立新的本构模型，机理清晰，花费周期少，经济效果好。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种滑坡变形预测计算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所述的岩土体全应力应变试验曲线图；

图3为本发明实施例所述的岩土体蠕变试验曲线图；

图4为本发明实施例所述的全应变-蠕变曲线综合确定力学参数原理图；

图5为本发明实施例所述的粘聚力C与施加应力及时间之间的关系曲线图；

图6为本发明实施例所述的内摩擦角与施加应力及时间之间的关系曲线图；

图7为具体使用时的全应力应变关系曲线图；

图8为具体使用时的蠕变试验曲线图；

图9为具体使用时的弹性模量随时间变化曲线图；

图10为滑坡体蠕变10天后滑坡位移云图；

图11为图10的纵剖面图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明实施例的一种滑坡变形预测计算方法，包括：

步骤1，进行全应变应力试验和蠕变试验，通过岩土体超过峰值点后的变形相等作为基准，将全应力应变试验曲线和蠕变试验曲线建立联系，得到岩土体力学参数随时间变化的曲线。

岩土体蠕变变形在超过峰值强度的变形值后，其强度随着变形是不断降低的。可以采用全应力应变试验得到岩土体在峰值强度后的变形与强度降低曲线，该实验测得岩土体的应力和应变的对应关系，也就是强度和变形的关系。步骤1具体包括：

步骤101，采用全应力应变试验得到全应力应变试验曲线，即岩土体在峰值强度之后的应变与强度之间的关系曲线。如图2所示，岩土体在峰值强度后强度随应变增加而降低，将岩土体的峰值强度点记为A，其峰值强度为σ_A，峰值应变为ε_A，当岩土体变形过了峰值强度时，随着应变的增加，岩土体的强度开始下降，到达B点时，强度减小为σ_B，应变增加为ε_B，试验可以得到一系列的强度和变形的试验点。

步骤102，采用蠕变试验得到蠕变试验曲线，即岩土体在某一应力状态下，岩土体的应变与时间之间的关系曲线。如图3所示，岩土体在某一应力状态下，岩土体应变随时间逐渐增大，时间由T_A增加到T_B时，岩土体的应变由ε_A增加ε_B。

步骤103，将全应力应变试验曲线和蠕变试验曲线绘制在同一图里，拟合得到岩土体力学参数粘聚力C、内摩擦角随时间的拟合关系式。上述步骤基于的原理是，岩土体是一种应变软化材料，过了峰值强度以后，土体内部结构开始破坏，随着变形的发展，强度开始降低，某种应力状态，对于同一变形值，土体强度是一样的。如图4所示，全应力应变试验曲线中，点A(即峰值强度点)的粘聚力为C_A、内摩擦角为应变为ε_A，蠕变试验曲线中，当岩土体在某级荷载下的点D的应变ε_D等于ε_A时，点D为临界点，超过该点后，岩土体的强度逐渐降低，当蠕变试验曲线的变形的应变为ε_E时，对应的全应力应变试验曲线的点F的应变为ε_F，ε_E＝ε_F，此时，从全应力应变试验曲线上得到点F的粘聚力为C_F、内摩擦角为应变为ε_F，从应变ε_D变形到应变ε_E的过程中，变化的时间为ΔT₁＝t₂-t₁，即可获得粘聚力为C_A、内摩擦角为粘聚力为C_F、内摩擦角为随时间变化的数据；全应力应变试验曲线中，点B(残余强度点)的粘聚力为C_B、内摩擦角为应变为ε_B，蠕变试验曲线中，当岩土体在某级荷载下的点H的应变ε_H等于ε_B时，点H为临界点，超过该点后，岩土体的强度逐渐升高，当蠕变试验曲线的变形的应变为ε_G时，对应的全应力应变试验曲线的点C的应变为ε_C，ε_G＝ε_C，此时，从全应力应变试验曲线上得到点C的粘聚力为C_C、内摩擦角为应变为ε_C，从应变ε_H变形到应变ε_G的过程中，变化的时间为ΔT₂＝t₄-t₃，即可获得粘聚力为C_B、内摩擦角为粘聚力为C_C、内摩擦角为随时间变化的数据。

步骤104，将上述粘聚力、内摩擦角随时间变化得数据通过统计回归分析，得到岩土体学参数粘聚力C、内摩擦角与施加应力及时间之间的关系，得到拟合关系式。得到典型的粘聚力C与施加应力及时间之间的关系曲线如图5所示，典型的内摩擦角与施加应力及时间之间的关系曲线如图6所示。

步骤2，将采用试验得到的岩土体力学参数通过有限元强度折减法得到不同岩土体力学参数的滑坡蠕变变形随时间变化的曲线。具体包括：

步骤201，将采用试验得到的岩土体力学参数粘聚力C和内摩擦角的初始峰值同时除以一个折减系数，得到一组新的粘聚力C′和内摩擦角一般来说，折减系数是大于1且不断增大的。

步骤202，将新的粘聚力C′和内摩擦角赋值给边坡有限元计算模型，重新进行计算。

步骤203，重复步骤202，对采用试验得到岩土体力学参数的峰值进行不断折减，当折减后的抗剪强度与岩土体的剪应力相等时，边坡达到极限平衡状态，此时的折减系数就是安全系数，所形成的滑动面为边坡最危险的滑动面，从而得到滑坡体蠕变变形随时间的变化曲线。

步骤3，边坡有限元计算模型在应力状态下，根据发生滑坡时的土体力学参数，预测在该参数时的滑坡变形值。

具体使用时，以某管线滑坡工程为例，该段管道长度约370m，横坡敷设，基本与X320县道平行，总体走向接近南北向，局部走向呈“几”字形敷设。2016年9月至10月，管道所在的山体斜坡、附近房屋陆续产生裂缝；2017年4月28日，斜坡和附近房屋裂缝产生强烈变形加宽加长，管道后部的公路沿线及房屋新产生多条贯通拉张裂缝、侧缘羽状剪切裂缝发育，并伴有明显的下错和因滑坡变形导致的较大面积的塌陷现象，中贵天然气管道穿越公路段上方的天然气管道通讯光缆被拉断。

经现场取土样进行测全应力试验、蠕变试验和有限元数值模拟计算，得到全应力应变关系曲线、蠕变试验曲线、弹性模量(岩土体力学参数)随时间变化曲线如图7-9所示。

如图10和11所示，蠕变发生10天后滑坡体位移分析：滑坡体在重力作用下，滑坡体发生蠕变，蠕变发生10天后坡体最大位移发生坡体中部坡脚处，最大位移为0.15m。管道受滑坡体蠕变影响，坡体蠕变发生10天时，管道中部为最大位置位移，最大位移为0.11m。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种滑坡变形预测计算方法，其特征在于，包括：

步骤1，进行全应变应力试验和蠕变试验，通过岩土体超过峰值点后的变形相等作为基准，将全应力应变试验曲线和蠕变试验曲线建立联系，得到岩土体力学参数随时间变化的曲线；

步骤2，将采用试验得到的岩土体力学参数通过有限元强度折减法得到不同岩土体力学参数的滑坡蠕变变形随时间变化的曲线；

步骤3，边坡有限元计算模型在应力状态下，根据发生滑坡时的土体力学参数，预测在该参数时的滑坡变形值。

2.根据权利要求1所述的滑坡变形预测计算方法，其特征在于，步骤1具体包括：

步骤101，采用全应力应变试验得到全应力应变试验曲线，即岩土体在峰值强度之后的应变与强度之间的关系曲线；

步骤102，采用蠕变试验得到蠕变试验曲线，即岩土体在某一应力状态下，岩土体的应变与时间之间的关系曲线；

步骤103，将全应力应变试验曲线和蠕变试验曲线绘制在同一图里，拟合得到岩土体力学参数粘聚力C、内摩擦角随时间的拟合关系式；

步骤104，通过统计回归分析，得到岩土体学参数粘聚力C、内摩擦角与施加应力及时间之间的关系。

3.根据权利要求2所述的滑坡变形预测计算方法，其特征在于，步骤101中，岩土体在峰值强度后强度随应变增加而降低：将岩土体的峰值强度点记为A，其峰值强度为σ_A，峰值应变为ε_A，当岩土体变形过了峰值强度时，随着应变的增加，岩土体的强度开始下降，到达B点时，强度减小为σ_B，应变增加为ε_B；

步骤102中，岩土体在某一应力状态下，岩土体应变随时间逐渐增大：时间由T_A增加到T_B时，岩土体的应变由ε_A增加ε_B；

步骤103中，全应力应变试验曲线中，点A的粘聚力为C_A、内摩擦角为应变为ε_A，蠕变试验曲线中，当岩土体在某级荷载下的点D的应变ε_D等于ε_A时，点D为临界点，超过该点后，岩土体的强度逐渐降低，当蠕变试验曲线的变形的应变为ε_E时，对应的全应力应变试验曲线的点F的应变为ε_F，ε_E＝ε_F，此时，从全应力应变试验曲线上得到点F的粘聚力为C_F、内摩擦角为应变为ε_F，从应变ε_D变形到应变ε_E的过程中，变化的时间为ΔT₁＝t₂-t₁，即可获得粘聚力为C_A、内摩擦角为粘聚力为C_F、内摩擦角为随时间变化的数据；

全应力应变试验曲线中，点B的粘聚力为C_B、内摩擦角为应变为ε_B，蠕变试验曲线中，当岩土体在某级荷载下的点H的应变ε_H等于ε_B时，点H为临界点，超过该点后，岩土体的强度逐渐升高，当蠕变试验曲线的变形的应变为ε_G时，对应的全应力应变试验曲线的点C的应变为ε_C，ε_G＝ε_C，此时，从全应力应变试验曲线上得到点C的粘聚力为C_C、内摩擦角为应变为ε_C，从应变ε_H变形到应变ε_G的过程中，变化的时间为ΔT₂＝t₄-t₃，即可获得粘聚力为C_B、内摩擦角为粘聚力为C_C、内摩擦角为随时间变化的数据。

4.根据权利要求1所述的滑坡变形预测计算方法，其特征在于，步骤2具体包括：

步骤201，将采用试验得到的岩土体力学参数粘聚力C和内摩擦角的初始峰值同时除以一个折减系数，得到一组新的粘聚力C′和内摩擦角

步骤202，将新的粘聚力C′和内摩擦角赋值给边坡有限元计算模型，重新进行计算；

步骤203，重复步骤202，对采用试验得到岩土体力学参数的峰值进行不断折减，当折减后的抗剪强度与岩土体的剪应力相等时，边坡达到极限平衡状态，此时的折减系数就是安全系数，所形成的滑动面为边坡最危险的滑动面，从而得到滑坡体蠕变变形随时间的变化曲线。