CN110378056A - 一种用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于边坡稳定性评价技术领域，公开了一种用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法及应用，该方法建立的安全系数表达式能反映超载和降强这两个因素，是一种多因素法，更符合工程实际。根据抬升失稳破坏原理推导出了超载法安全系数Ksp的表达式；同时根据边坡结构面的力学参数的弱化原理得到了边坡强度储备系数Kss的表达式，Kss与结构面力学参数弱化程度有关；推导出了综合法试验安全系数表达式Ksc＝Ksp×Kss。同时根据变形过程控制理论提出了以边坡在超载和降强时，边坡变形初始损伤特征点和边坡滑动面贯穿特征点作为边坡综合法模型试验的两个控制性特征点，并作为计算综合法安全系数的基础依据。
Description
技术领域
本发明属于边坡稳定性检测技术领域，尤其涉及一种用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法及应用。
背景技术
目前，最接近的现有技术：岩质高边坡稳定性研究的核心内容主要包括两个方面：一是基于力学原理建立的各种算式或者模型，并求出边坡稳定的最小安全系数；二是确定相应最小安全系数所对应的关键块体或者滑裂面位置。针对上述两个核心内容，经过广大学者及科研机构的不懈努力，已经初步建立了以“变形过程控制理论”为基础的基本理论。特别是近年来伴随着计算机技术、现代力学和现代数值分析理论的进步，以及基于相似理论的物理模拟技术的相应发展，各种数值计算及模型试验方法应用至边坡稳定性分析中，大大促进了边坡科学的发展。目前的岩质高边坡稳定性分析的主要方法有：工程地质类比法、极限分析法、刚体极限平衡分析法、应力应变分析法、可靠度分析方法、模型试验法等几大类。
边坡物理模拟方法主要以地质力学模型试验为主，依据相似理论，通过物理模型对边坡实体的真实再现，能同时考虑多种因素，模拟多种复杂的地质构造，避开了数学和力学上的困难，能将模型从弹性阶段发展到塑性阶段直到最终破坏。因此，许多研究机构通过物理模拟的方法来研究边坡的整体稳定问题、开挖过程中的边坡变形问题、多种应力条件下的厂房边坡稳定问题以及结构面力学参数弱化情况下的边坡破坏机理问题等，为重大工程技术问题的分析论证和工程实际的加固方案提供了可靠的依据。从边坡物理模型的加载方式来看主要有三种：离心加载模型、倾斜钢架加载模型和千斤顶加载模型。
离心加载模型是以离心机为基础，通过旋转增大了边坡岩体的重力加速度g来增加高边坡岩体的容重，从而达到边坡模型破坏的效果。清华大学的李明、李焯芬等，以土工离心机为基础，开发了一种离心机运转过程中的边坡模型开挖模拟技术，并进行了土坡开挖的离心模型试验，测量了开挖过程中边坡的位移场变化，得到了边坡的破坏过程和破坏机理；同时，南京水利科学研究院的高长胜、陈生水等，同样以离心机为基础加载措施，对抗滑桩加固边坡的破坏特征开展了模型试验的研究工作，试验中边坡模型的坡顶、坡脚表面沉降和桩头水平位移变化通过激光位移传感器来进行监测，而土体变形测量则通过在表面设置的变形测量网格来进行，通过离心模型试验，获得了在相同破坏荷载作用下，各抗滑桩的加固方式、桩头固定与否的情况下，土质边坡的变形效果，为加固措施的设计提供了理论依据。
倾斜钢架加载模型是通过旋转模型的基础钢架，改变边坡岩体的下滑力和阻滑力，最终实现边坡模型的整体失稳。如长江科学院的姜小兰等，针对三峡库区千将坪滑坡的工程实例，建立符合千将坪地质条件的模型，通过倾斜钢架来改变边坡模型的自重应力场，来揭示降雨、水库水位上升及其耦合作用引起斜坡破坏的机制和发展过程，同时利用微震量测手段监测斜坡岩体破裂及能量释放过程，在模型试验上实现了滑坡变形破坏机制的滑坡监测手段。杨强、杨若琼等，利用倾斜钢架加载模型的方法来研究锦屏一级岩质边坡的整体稳定问题，通过在三维钢架上进行边坡实体的真实再现，并利用钢架底部抬升装置的启动，倾斜模型改变其自重应力场，模拟了结构面及附近岩体的破坏机理，对大面积锚固加固措施进行了评价，获得了边坡的整体稳定安全系数。
千斤顶加载模型是以千斤顶推力来模拟边坡岩体自重的增加或者周边围压的增大来最终实现边坡模型的破坏。在试验过程中，千斤顶加载模型主要应用于小范围的岩质边坡模型和公路土质边坡的破坏机理研究。如刘斌、马时强等，研究地震工况下锦屏一级左岸煌斑岩脉的深部卸荷的稳定问题，开展千斤顶加载模型，通过千斤顶在边坡上部模拟岩体自重，然后稳定压力，以调节变压器控制振动器的震动幅度来模拟爆破施工时震动波对边坡的影响，最后通过千斤顶加载，实现边坡的破坏失稳。为研究公路土质边坡的变形稳定，研制了新型边坡多场作用模型箱，该模型箱由钢化玻璃组成，其加载系统包括工字反力梁、千斤顶和传压板，模型箱左、右两侧各设置一个水箱，用于边坡内水位线的控制，试验中以水箱控制边坡内水位线，采用千斤顶在坡顶进行局部加载来增大岩体自重，实现模型边坡失稳，达到其研究目的。
综上所述，现有技术存在的问题是：用离心机作加荷工具的方法只适合于小尺寸的模型，对于地质结构较复杂的大型模型来说则受到模型加工精度、粘贴应变片及安装位移计数量的限制而未能广泛应用。
(1)现有技术的超载安全系数表达式不统一、评价方法有一定差异。
(2)现有的超载法仅考虑了超载因素，没有考虑实际工程中边坡在降雨、地下水等因素的作用下，岩体软弱结构面力学参数的降低对边坡稳定性的不利影响。传统的模型材料的共同特征是模型材料一旦配制好后，材料力学参数就固定不变，因而不能模拟岩石及软弱结构面力学性能降低的现象，如要实现强度储备法(降强法)试验，则只能用一个材料参数对应一个模型，这需做多个模型才能获得强度储备系数，而导致试验的工作量大、投资高和周期长，并且不同模型不能保持同等精度，难以满足试验研究的要求。
解决上述技术问题的难度：
(1)缺乏边坡地质力学模型综合法试验的理论依据和稳定性评价方法
(2)缺乏能在一个物理模型中模拟岩体中软弱结构可能出现的强度弱化行为，其关键技术是研制出能降低材料力学参数的模型材料，且过程可控。
解决上述技术问题的意义：
(1)建立岩质高边坡稳定地质力学模型综合法试验安全系数表达式和变形失稳评价依据，为岩质高边坡稳定性评价综合法地质力学模型试验提供理论依据，为岩质高边坡的稳定性评价提供了新的思路。
(2)该方法和理论更能反映工程实际，较目前的一些研究方法(离心加载模型、倾斜钢架加载模型和千斤顶加载模型)有其创新性和优势。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法及应用。
本发明是这样实现的，一种用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法，所述用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法包括以下步骤：
第一步，根据抬升失稳破坏原理得到超载或抬升法安全系数Ksp的表达式，Ksp与边坡结构面初始角度θ和抬升角度有关；
第二步，根据边坡结构面的力学参数的弱化原理得到边坡强度储备系数Kss的表达式，Kss与结构面力学参数弱化程度有关；得到综合法试验安全系数表达式Ksc＝Ksp×Kss；
第三步，根据变形过程控制理论在以边坡在超载和降强时，边坡变形初始损伤特征点和边坡滑动面贯穿特征点作为边坡综合法模型试验的两个控制性特征点，并作为计算综合法安全系数的基础依据。
进一步，所述用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法的结构面力学参数弱化系数称为强度储备系数Kss，其中，结构面力学参数以莫尔库仑理论确定的抗剪断强度τ＝f'σ+c'控制，下滑力Nx＝Nsinθ，阻滑力Ny＝Ncosθ；
根据抗剪断公式，边坡稳定安全系数K表示为阻滑力和下滑力之比：
在强度折减法中，通过模型降强材料改变结构面力学参数中f'和c'的值，当力学参数f'和c'降低Ks倍时，边坡出现失稳，此时边坡的安全系数表示为：
得到边坡的强度储备系数Kss为，天然边坡安全系数与破坏时安全系数之比：
Kss＝Ks；
边坡的强度储备系数Kss就等于结构面f'和c'的弱化系数Ks，因此边坡的强度储备系数与边坡结构面力学参数的弱化程度相关；Ks表示结构面弱化系数；f'表示抗剪断强度摩擦系数；c'表示抗剪断强度凝聚力；θ表示边坡初始角度；N表示边坡块体自重；A表示接触面积。
进一步，所述用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法的边坡抬升法主要模拟边坡坡体下滑力增加的情况下对边坡稳定的不利影响。在抬升法试验中，主要通过模型钢架的旋转抬升，改变边坡岩体的下滑力和阻滑力直至边坡失稳破坏，由此得到的超载系数称为边坡超载安全系数Ksp；
在边坡超载或抬升后，通过边坡模型钢架的旋转抬升改变边坡岩体的下滑力和阻滑力，此时下滑力阻滑力当边坡抬升至角后，边坡出现滑动失稳，此时边坡的安全系数表示为：
得到边坡抬升失稳时的超载安全系数，天然边坡安全系数与破坏时安全系数之比：
在边坡地质力学模型中，软弱结构面中的凝聚力c'通常很小，再通过相似关系换算为模型的c'更小，近似为0，式中近似为0；通过简化上式为：
抬升法中边坡的超载系数Ksp就等于与边坡的初始角度θ和抬升角度相关；Ks表示结构面弱化系数或降强系数；Ksp表示超载安全系数；Kss表示强度储备系数；θ表示边坡初始角度；表示边坡模型抬升角度；f'表示抗剪断强度摩擦系数；c'表示抗剪断强度凝聚力；N表示边坡块体自重；A表示接触面积。
进一步，所述用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法的考虑结构面降强和边坡超载的综合法，首先通过模型降强材料实现结构面力学参数的弱化，再通过模型钢架的旋转抬升改变边坡坡体的下滑力和阻滑力直至边坡的失稳破坏，得到的综合安全系数称为边坡综合法安全系数Ksc；
边坡在结构面力学参数f'和c'降低Ks倍后，又超载或抬升角时，边坡出现失稳破坏，综合法系数的表达式为：
得到边坡综合法安全系数，天然边坡安全系数与破坏时安全系数之比：
由此可知，综合法中边坡的安全系数与结构面的f'和c'的弱化系数Ks和边坡的初始角度θ和抬升角度有关；K表示安全系数；Ks表示结构面弱化系数或降强系数；Ksc表示综合法安全系数；θ表示边坡初始角度；表示边坡模型抬升角度；f'表示抗剪断强度摩擦系数；c'表示抗剪断强度凝聚力；N表示边坡块体自重；A表示接触面积。
进一步，所述用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法的综合法试验安全系数判定依据，在综合法模型试验中，边坡的破坏失稳主要体现在边坡的整体变形上，而边坡模型的变形则受到三种因素变量的影响；对于边坡破坏失稳的判定则主要依据边坡的变形来反应；通过测试获得不同的弱化系数K's以及不同的边坡模型抬升角度对应的变位值，并可绘制变形值—超载系数关系曲线，通过变位曲线的特征点所对应的参数确定边坡综合法试验的安全系数。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法的岩质高边坡稳定性检测系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法的信息数据处理终端。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供的坡模型综合法试验是超载法(抬升法)和降强法的结合，安全系数表达式中应反映超载和降强这两个因素。根据抬升失稳破坏原理推导出了超载(抬升)法安全系数Ksp的表达式，其Ksp与边坡初始角度θ和抬升角度有关；同时根据边坡结构面的力学参数的弱化原理得到了边坡强度储备系数Kss的表达式，其Kss主要与结构面力学参数弱化程度有关；在此基础上推导出了综合法试验安全系数表达式Ksc＝Ksp×Kss。同时根据“变形过程控制理论”提出了以边坡在超载和降强时，边坡变形初始损伤特征点和边坡滑动面贯穿特征点作为边坡综合法模型试验的两个控制性特征点，并作为计算综合法安全系数的基础依据。
本发明所提供的基于升温降强和抬升超载的岩质边坡地质力学模型稳定性评价方法已经应用于白鹤滩高拱坝左岸高边坡的整体稳定性评价中，为该评价提供理论支撑。获得了边坡稳定综合法试验安全系数：初裂安全系数K初裂＝1.030～1.058；极限安全系数K极限＝1.417～1.579。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法流程图。
图2是本发明实施例提供的应力－应变曲线的相似图。
图3是本发明实施例提供的强度包络线的相似图。
图4是本发明实施例提供的边坡自然状态下示意图。
图5是本发明实施提供的边坡块体力学分析(降强)图。
图6是本发明实施提供的边坡抬升状态下示意图。
图7是本发明实施提供的边坡块体力学分析(抬升)图。
图8是本发明实施提供的边坡变形破坏过程图。
图9是本发明实施提供的边坡位移与综合法安全系数Ksc关系曲线图。
图10是本发明实施提供的边坡模型监测点变位与试验步/综合法系数关系曲线示意图；
图中：(a)破表监测点水平变位关系曲线；(b)C3-1上盘监测点水平变位关系曲线。
图11是本发明实施提供的在白鹤滩高拱坝的左岸高边坡中进行应用效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法包括以下步骤：
S101：根据抬升失稳破坏原理得到超载或抬升法安全系数Ksp的表达式，Ksp与边坡结构面初始角度θ和抬升角度有关；
S102：根据边坡结构面的力学参数的弱化原理得到了边坡强度储备系数Kss的表达式，其Kss主要与结构面力学参数弱化程度有关；在此基础上推导出了综合法试验安全系数表达式Ksc＝Ksp×Kss；
S103：根据变形过程控制理论提出了以边坡在超载和降强时，边坡变形初始损伤特征点和边坡滑动面贯穿特征点作为边坡综合法模型试验的两个控制性特征点，并作为计算综合法安全系数的基础依据。
本发明实施例提供的用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法具体包括以下步骤：
第一步，结合具体的边坡工程，通过地质分析，确定影响边坡稳定的主要软弱结构面，以及可能失稳的关键滑移块体，形成这些关键滑移块体的软弱结构面是重点关注和模拟研究的对象；
第二步，确定形成关键滑移块体的软弱结构面的初始角度θ；
第三步，采用地质力学模型综合法试验开展该研究边坡的降强法和超载法(抬升法)相结合的破坏试验；
第四步，根据试验获得的关键块体的在不同试验阶段(降强阶段和超载抬升阶段)的变形，绘制变形测点的变形与各试验步的关系曲线(以试验步为纵坐标，变形值为横坐标)；
第五步，根据绘制的大量测点变形曲线的波动、拐点、增长幅度、转向等特征，也即(根据变形过程控制理论在以边坡在超载和降强时，边坡变形初始损伤特征点和边坡滑动面贯穿特征点作为边坡综合法模型试验的两个控制性特征点，并作为计算综合法安全系数的基础依据。)，获得相应的试验步，从而获得该试验步所对应的降强系数和抬升角度
第六步，根据抬升失稳破坏原理得到超载或抬升法安全系数Ksp的表达式，Ksp与边坡初始角度θ和抬升角度有关。根据具体试验中获得的各主要结构面的初始角度θ和抬升角度计算得到每个结构面的安全系数Ksp；
第七步，根据边坡结构面的力学参数的弱化原理得到边坡强度储备系数Kss的表达式，Kss与结构面力学参数弱化程度有关，根据具体试验中每个软弱结构面弱化的程度，得到每个结构面的强度储备系数Kss；得到综合法试验安全系数表达式Ksc＝Ksp×Kss，将上面获得的值代入该式，从而得到每个结构面对应的综合法试验安全系数；
第八步，根据每个结构面的综合法试验安全系数，综合评价整个边坡工程的稳定安全性。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
1边坡稳定地质力学模型综合法试验理论
边坡地质力学模型综合法试验是指在同一地质力学模型试验中，同时考虑边坡岩体自重应力场的改变、相关结构面力学参数弱化、边坡表层的削坡减载、岩体结构面的加固措施等多因素变量，来共同研究边坡的稳定性问题。因此，综合法试验安全系数的评价必须包含上述多种不利因素对边坡稳定的影响。本章以物理模型相似理论以及刚体极限平衡法为基础，试图建立和推导综合法安全系数评价表达式，使其能全面的反映综合法试验中的多因素变量，同时引入边坡“变形过程控制理论”，拟定符合边坡综合法试验的安全系数评定标准，为综合法试验建立理论基础。
1.1模型试验相似理论
地质力学模型试验是将发生在原型上的物理现象，按相似关系经缩小(或放大)后在模型上进行模拟，并能将模型中测到的物理量按照相似关系换算为原型物理量，借模型研究原型。而原、模型之间的相似关系则是遵循模型试验的相似理论建立起来的，相似理论是研究自然界相似现象的性质和鉴别相似现象的一门科学，它提供了确定相似关系的方法，将模型与原型联系起来，是指导模型设计、加载量测、数据整理，并将试验结果转换为原型数值的基本理论，是模型试验的理论基础。
地质力学模型试验需满足的主要相似关系如下：
当Cγ＝1时，则有：
CE＝CL，CF＝CL 3
以上弹性和塑性阶段的相似关系是相互关联的，地质力学模型要完全满足所有的相似关系是十分困难的。在模型试验中只能根据研究内容的重点和特点，满足主要的相似关系，使模型与原型达到基本相似。
1.2边坡地质力学模型破坏试验理论
边坡地质力学模型试验中，现行的主要试验理论有两种，即超载法试验理论和强度折减法试验理论。超载法试验理论是指考虑边坡坡体的上部容重增加或边坡岩体下滑力和阻滑力发生变化情况下边坡的失稳破坏研究，在试验中通常采用离心机、倾斜钢架、千斤顶加载等方式模拟边坡出现超载的情况，揭示降雨、水库水位上升、工程荷载及其耦合作用引起工程边坡破坏的机制和发展过程，获得边坡在超载失稳机制下的稳定安全系数，评价边坡的稳定性；强度折减法试验理论是指在试验中通过材料强度的多组配制、水对岩质边坡模型材料的侵蚀、模型材料开挖或抽取来实现模型局部力学参数的降低，来研究模型可能产生的破坏形态等。但在实际的边坡工程中，其失稳破坏是受制于多因素的影响下综合影响所致，而现行的模型试验理论却都只考虑单因素的影响。综合法试验理论是在同一边坡模型中实现超载法和强度折减法两个理论的统一，使边坡模型破坏试验更加符合工程实际。
1.2.1超载法试验
超载法是考虑到工程建设和运行过程中，由于上部建筑物的增加或者突发降雨条件下岩体自重的增大，从而导致的边坡变形破坏的情况。在试验中保持岩体及结构面力学参数不变的前提下，逐步增加边坡岩体荷载(自重)直至边坡整体失稳破坏，由此得到的超载倍数为超载安全系数Ksp。由于超载法在模型试验中较为容易实现，是当前地质力学模型试验中最常用的一种试验方法。
超载法的超载方式有三种：离心机超载(增加重力加速度g)、倾斜钢架加载(增加岩体下滑力)和千斤顶加载(增大岩体上部重量)。在实际的模型试验中，离心机加载所要求的试验设备较高，不仅需要稳定、可靠的离心加载设备，同时对于离心加载过程中的变形监测设备也需要进行专门的定制，因此对于模型试验来讲存在成本过高，监测系统不能重复利用的缺点；而千斤顶加载只适用于局部微观模型或者验证性模型，对于边坡整体模型尚不能精确的模拟其上部岩体自重的增幅。目前，在边坡超载试验中一般采用倾斜钢架进行边坡岩体超载，即抬升法。
抬升法是指通过模型钢架的抬升来改变边坡岩体的下滑力，最终实现边坡的失稳破坏。虽然抬升法只考虑了岩体下滑力超载的因素，但作为一种单因素法，抬升法可用来专门研究岩体下滑力增大对边坡的变形和整体稳定的影响，发现边坡变形过程中存在的薄弱部位，并与其它方法相结合，共同分析、验证，为工程的设计和施工提供依据。
1.2.2强度折减法试验
强度折减法(降强法)是考虑到工程长期运行中岩体及结构面力学参数逐步降低对边坡稳定不利的影响。在模型试验中，保持边坡荷载(自重)不变条件下，逐步降低岩体结构面的力学参数直至边坡变形失稳，由此得到的降强倍数称为强度储备系数Kss。
强度折减法是对边坡岩体及结构面力学参数弱化模拟的一种方法，其关键在于能可控的改变局部材料参数。在模型试验中通常一组材料参数对应一个模型，就需要制作多个模型才能获得边坡的强度储备系数Kss，但这样就会造成试验工作量大、投资高、实际可行性较差的问题。所以，强度折减法在传统的边坡地质力学模型中几乎很少应用。而在有限元数值计算中，则可以通过计算参数的改变实现强度折减法，因此利用强度折减法原理，通过有限元数值计算方法已成功应用于锦屏一级边坡、小湾左岸山梁、三峡船闸边坡、千将坪滑坡等工程的计算模型中，取得了良好的效果。
1.2.3综合法试验
综合法试验理论就是抬升法试验理论和强度折减法试验理论在同一物理模型中的统一，它既考虑了实际工程中边坡岩体可能产生的重量增加情况，又考虑了工程长期运行中结构面力学参数存在的弱化可能，反映了多因素对边坡稳定的影响，更为符合实际工程的情况。在综合法试验中，一般是先保持岩体荷载(自重)不变，逐步降低结构面力学参数到一定程度，最后通过抬升模型钢架的方式直至模型破坏。其综合法安全系数Ksc的评价标准和表达式还需要进一步的推导论证。
2综合法试验安全系数评价表达式
综合法试验中考虑了边坡超载(抬升)后重力的改变和结构面力学参数降低的影响，因此对于综合法安全系数表达式的推导，需要以抬升法和强度折减法(降强法)的评价表达式为基础，进行推导和建立。以下推导论述中，涉及到的符号定义如下：
K表示安全系数；Ks表示结构面弱化系数(降强系数)；Ksp表示超载安全系数；Kss表示强度储备系数；Ksc表示综合法安全系数；θ表示边坡初始角度；表示边坡模型抬升角度；f'表示抗剪断强度摩擦系数；c'表示抗剪断强度凝聚力；N表示边坡块体自重；A表示接触面积。
2.1考虑结构面力学参数弱化的强度折减法
强度折减法主要模拟的是在工程长期运行中软弱结构面力学参数逐步降低对边坡稳定的不利影响。因而在降强法模型试验中，通过模型降强材料逐步降低软弱结构面的力学参数直至边坡整体失稳，由此得到的结构面力学参数弱化系数称为强度储备系数Kss。
其中，结构面力学参数以莫尔库仑理论确定的抗剪断强度τ＝f'σ+c'来控制，如图4和图5所示，其中下滑力Nx＝Nsinθ，阻滑力Ny＝Ncosθ。
根据抗剪断公式，边坡稳定安全系数K可表示为阻滑力和下滑力之比：
在强度折减法中，主要通过模型降强材料改变结构面力学参数中f'和c'的值，假设当力学参数f'和c'降低Ks倍时，边坡出现失稳，此时边坡的安全系数表示为：
由此得到边坡的强度储备系数Kss为，天然边坡安全系数与破坏时安全系数之比：
Kss＝Ks
由此可见，边坡的强度储备系数Kss就等于结构面f'和c'的弱化系数Ks，因此边坡的强度储备系数与边坡结构面力学参数的弱化程度相关。
2.2考虑边坡坡体超载的抬升法
边坡抬升法主要模拟边坡坡体下滑力增加的情况下对边坡稳定的不利影响。在抬升法试验中，主要通过模型钢架的旋转抬升，改变边坡岩体的下滑力和阻滑力直至边坡失稳破坏，由此得到的超载系数称为边坡超载安全系数Ksp。
由刚体极限平衡法得知，边坡在自然状态下的安全系数K为阻滑力和下滑力之比：
在边坡超载(抬升)后，如图6和图7所示，通过边坡模型钢架的旋转抬升改变了边坡岩体的下滑力和阻滑力，此时下滑力阻滑力假设当边坡抬升至角后，边坡出现滑动失稳，此时边坡的安全系数可表示为：
由此可得到边坡抬升失稳时的超载安全系数为，天然边坡安全系数与破坏时安全系数之比：
在边坡地质力学模型中，软弱结构面中的凝聚力c'通常很小，再通过相似关系换算为模型的c'更小，近似为0，因此上式中近似为0。通过简化上式为：
由此可知，抬升法中边坡的超载系数Ksp就等于与边坡结构面的初始角度θ和抬升角度相关。
2.3考虑结构面降强和边坡超载的综合法
综合法模拟了边坡结构面降强和坡体下滑力增加的双因素变量条件下对边坡稳定的不利影响，在综合法试验过程中，首先通过模型降强材料实现结构面力学参数的弱化，再通过模型钢架的旋转抬升改变边坡坡体的下滑力和阻滑力直至边坡的失稳破坏，由此得到的综合安全系数称为边坡综合法安全系数Ksc。
假设边坡在结构面力学参数f'和c'降低Ks倍后，又超载(抬升)角时，边坡出现失稳破坏，此时综合法系数的表达式为：
由此可得到边坡综合法安全系数为，天然边坡安全系数与破坏时安全系数之比：
由此可知，综合法中边坡的安全系数与结构面的f'和c'的弱化系数Ks和边坡结构面的初始角度θ和抬升角度有关。
2.4综合法试验安全系数判定依据
在综合法模型试验中，边坡的破坏失稳主要体现在边坡的整体变形上，而边坡模型的变形则受到了三种因素变量的影响。因此，对于边坡破坏失稳的判定则主要依据边坡的变形来反应。在试验时，通过测试可获得不同的弱化系数K's以及不同的边坡模型抬升角度对应的变位值，并可绘制变形值—超载系数关系曲线，一般通过变位曲线的特征点所对应的 参数来确定边坡综合法试验的安全系数。因此需要研究如何确定变位曲线的特征点。
2.4.1基于突变理论的边坡变形分析
在工程实际中，影响边坡稳定的因素有很多，如边坡坡体重量、结构面力学参数、突发性降雨、施工扰动以及地震等，并且这些因素具有复杂多变性、不确定性和不可预见性等特征，因此常规分析方法难以对边坡稳定性做出准确的评价。而边坡的失稳破坏往往是由这些因素共同作用下所导致的，同时边坡破坏往往也是突发性的，用传统的线性理论就无法解释这种变化。因此，针对边坡失稳的突然性特点，本发明提出采用突变理论对边坡模型综合法试验进行判定。
突变理论是用拓扑学、奇点理论为数学工具，对不连续现象作定性研究的一个数学分支，可以解决传统方法无法解决的未知问题，因而在物理、化学、生物以及社会科学等多种学科中得到了广泛的应用。而对于边坡工程而言，在自然状态下边坡是稳定的，但是随着外界多因素的影响发生作用，边坡就有可能失稳甚至发生破坏。而这种破坏是一个渐变的过程，当此渐变过程发展到一定程度时就会产生突然破坏—突变。边坡变形破坏过程如图8所示。
在自然状态下边坡是趋于稳定，当外界的环境发生不利于边坡稳定的改变时，将导致边坡的坡体重量、结构面力学参数等多因素的改变，将打破边坡自然状态下的稳定条件，边坡的失稳破坏过程如图8所示，在初始阶段边坡发生蠕变，位移逐渐增大，出现损伤；当影响边坡稳定的结构面在多因素作用下贯穿时，边坡位移出现突变，表明边坡已进入了滑移破坏阶段，整体失稳破坏。所以，利用突变理论对边坡稳定进行判定，主要就是关注边坡位移的突变点，以此作为边坡变形分析的特征点。
2.4.2综合法安全系数评价依据
通过上述基于突变理论的边坡变形分析表明，其核心思想就是要阐明边坡变形破坏的过程和机制，并从边坡变形破坏的量变和质变的角度进行刻画。因此，综合法安全系数判定依据就是要以“变形过程控制理论”为基础，通过边坡变形全过程特征来反应边坡的破坏失稳，同时以综合法安全系数Kc来确定边坡综合法安全系数，如图9所示。
图9中为边坡位移与综合法安全系数关系曲线，根据突变理论，曲线中可找到两个特征点：一是边坡初裂特征点，二是边坡滑动面贯穿特征点，这两个特征点所对应的综合法安全系数为初裂安全系数K初裂和极限安全系数K极限，这两个安全系数作为综合法试验的评价依据。
根据边坡综合法安全系数的表达式Ksc＝Kss·Ksp可知，综合法试验中影响边坡稳定的两个主要因素为：结构面抗剪断强度τ(f',c')和边坡模型钢架的旋转抬升角度在模型试验过程中，通过边坡变形曲线和破坏形态的现场记录，确定边坡变形初始损伤特征点和结构面形成滑移通道特征点，以变形特征点所对应的来确定各特征点所对应的综合法安全系数K初裂和K极限，并作为计算综合法安全系数的基础依据。
本发明所设计的基于升温降强和抬升超载的岩质边坡地质力学模型稳定性评价方法在白鹤滩高拱坝的左岸高边坡中进行了应用，如图11所示：本次模型试验在第3～5试验步时，即降强系数Ks＝1.030～1.058，边坡发生初裂；在第25～30试验步时，即降强系数Ks＝1.20，角度抬升3.5°～6.0°，边坡滑动面贯穿，出现大变形，变位曲线产生拐点，表明边坡达到稳定极限状态、出现整体失稳趋势。所以根据第二章所建立的综合法试验安全系数表达式和变形失稳评价依据，计算白鹤滩水电站左岸高边坡综合法安全系数Ksc为：
初裂安全系数：
极限安全系数：
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法，其特征在于，所述用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法包括以下步骤：
第一步，根据抬升失稳破坏原理得到超载或抬升法安全系数Ksp的表达式，Ksp与边坡结构面初始角度θ和抬升角度有关；
第二步，根据边坡结构面的力学参数的弱化原理得到边坡强度储备系数Kss的表达式，Kss与结构面力学参数弱化程度有关；得到综合法试验安全系数表达式Ksc＝Ksp×Kss；
第三步，根据变形过程控制理论在以边坡在超载和降强时，边坡变形初始损伤特征点和边坡滑动面贯穿特征点作为边坡综合法模型试验的两个控制性特征点，并作为计算综合法安全系数的基础依据。
2.如权利要求1所述的用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法，其特征在于，所述用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法的结构面力学参数弱化系数称为强度储备系数Kss，其中，结构面力学参数以莫尔库仑理论确定的抗剪断强度τ＝f'σ+c'控制，下滑力Nx＝N sinθ，阻滑力Ny＝N cosθ；
根据抗剪断公式，边坡稳定安全系数K表示为阻滑力和下滑力之比：
在强度折减法中，通过模型降强材料改变结构面力学参数中f'和c'的值，当力学参数f'和c'降低Ks倍时，边坡出现失稳，此时边坡的安全系数表示为：
得到边坡的强度储备系数Kss为，天然边坡安全系数与破坏时安全系数之比：
Kss＝Ks；
边坡的强度储备系数Kss就等于结构面f'和c'的弱化系数Ks，因此边坡的强度储备系数与边坡结构面力学参数的弱化程度相关；Ks表示结构面弱化系数；f'表示抗剪断强度摩擦系数；c'表示抗剪断强度凝聚力；θ表示边坡初始角度；N表示边坡块体自重；A表示接触面积。
3.如权利要求1所述的用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法，其特征在于，所述用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法的边坡抬升法主要模拟边坡坡体下滑力增加的情况下对边坡稳定的不利影响；在抬升法试验中，主要通过模型钢架的旋转抬升，改变边坡岩体的下滑力和阻滑力直至边坡失稳破坏，由此得到的超载系数称为边坡超载安全系数Ksp；
在边坡超载或抬升后，通过边坡模型钢架的旋转抬升改变边坡岩体的下滑力和阻滑力，此时下滑力阻滑力当边坡抬升至角后，边坡出现滑动失稳，此时边坡的安全系数表示为：
得到边坡抬升失稳时的超载安全系数，天然边坡安全系数与破坏时安全系数之比：
在边坡地质力学模型中，软弱结构面中的凝聚力c'通常很小，再通过相似关系换算为模型的c'更小，近似为0，式中近似为0；通过简化上式为：
抬升法中边坡的超载系数Ksp就等于与边坡的初始角度θ和抬升角度相关；Ks表示结构面弱化系数或降强系数；Ksp表示超载安全系数；Kss表示强度储备系数；θ表示边坡初始角度；表示边坡模型抬升角度；f'表示抗剪断强度摩擦系数；c'表示抗剪断强度凝聚力；N表示边坡块体自重；A表示接触面积。
4.如权利要求1所述的用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法，其特征在于，所述用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法的考虑结构面降强和边坡超载的综合法，首先通过模型降强材料实现结构面力学参数的弱化，再通过模型钢架的旋转抬升改变边坡坡体的下滑力和阻滑力直至边坡的失稳破坏，得到的综合安全系数称为边坡综合法安全系数Ksc；
边坡在结构面力学参数f'和c'降低Ks倍后，又超载或抬升角时，边坡出现失稳破坏，综合法系数的表达式为：
得到边坡综合法安全系数，天然边坡安全系数与破坏时安全系数之比：
由此可知，综合法中边坡的安全系数与结构面的f'和c'的弱化系数Ks和边坡结构面的初始角度θ和抬升角度有关；K表示安全系数；Ks表示结构面弱化系数或降强系数；Ksc表示综合法安全系数；θ表示边坡初始角度；表示边坡模型抬升角度；f'表示抗剪断强度摩擦系数；c'表示抗剪断强度凝聚力；N表示边坡块体自重；A表示接触面积。
5.如权利要求1所述的用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法，其特征在于，所述用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法的综合法试验安全系数判定依据，在综合法模型试验中，边坡的破坏失稳主要体现在边坡的整体变形上，而边坡模型的变形则受到三种因素变量的影响；对于边坡破坏失稳的判定则主要依据边坡的变形来反应；通过测试获得不同的弱化系数Ks'以及不同的边坡模型抬升角度对应的变位值，并可绘制变形值—超载系数关系曲线，通过变位曲线的特征点所对应的参数确定边坡综合法试验的安全系数。
6.一种应用权利要求1～5任意一项所述用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法的岩质高边坡稳定性检测系统。
7.一种应用权利要求1～5任意一项所述用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法的信息数据处理终端。
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| CN110378056A (zh) | 一种用于边坡地质力学模型的边坡稳定性测定方法及应用 | |
| Wang et al. | Numerical investigation of the monotonic drained lateral behaviour of large-diameter rigid piles in medium-dense uniform sand | |
| Ng et al. | Performance of existing piled raft and pile group due to adjacent multipropped excavation: 3D centrifuge and numerical modeling | |
| Liu | Stability analysis of geotechnical slope based on strength reduction method | |
| Xie et al. | Model test of interaction between load-caused landslide and double-row anti-slide piles by transparent soil material | |
| Yang et al. | Seismic stability of earth-rock dams using finite element limit analysis | |
| Chuanliang et al. | Borehole stability analysis in deepwater shallow sediments | |
| Yang et al. | MPM simulation of uplift resistance of enlarged base piles in sand | |
| Zaid et al. | Effect of joint orientation and weathering on static stability of rock slope having transmission tower | |
| Rahaman et al. | Seismic bearing capacity of a strip footing on rock media | |
| Wei | Influence of foundation pit excavation and precipitation on settlement of surrounding buildings | |
| Tran et al. | An eXtreme Gradient Boosting prediction of uplift capacity factors for 3D rectangular anchors in natural clays | |
| Zou et al. | Lateral bearing behavior and failure mechanism of monopile-bucket hybrid foundations on sand deposit | |
| Tao et al. | Failure and stability analysis of Jinping-I arch dam based on geomechanical model test and nonlinear numerical analysis | |
| Zhu et al. | The application of MsPSO in the rockfill parameter inversion of CFRD | |
| Zhou et al. | Investigation of the load–settlement response of piles in sand using an interface constitutive model | |
| Chen et al. | Cyclic response and modeling of saturated silty clay due to fluctuations in reservoir water level of the Three Gorges Dam, China | |
| Lu et al. | Centrifuge study of p–y curves for vertical–horizontal static loading of piles in sand | |
| Moayedi | Two novel predictive networks for slope stability analysis using a combination of genetic programming and artificial neural network techniques | |
| Zhao et al. | The behavior analysis of a cofferdam constructed by double sheet pile wall above muck | |
| Li et al. | Numerical study on residual rate of fluidized solidified slurry in pumping for scour repair around monopile | |
| Maarouf et al. | Prediction of surrounding effects in soft soil deposits due to piling-A study of comparing different prediction methods | |
| Trandafir et al. | Undrained cyclic shear response evaluation of sand based on undrained monotonic ring shear tests | |
| CN117074180B (zh) | 一种建筑物地下土体压力变化测量方法 | |
| Wang et al. | Study on the weakening of soil-structure interaction under long-term lateral load for monopile-supported offshore turbines |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191025 |