基于边坡变形破坏机理的临界位移预测预警方法

技术领域

本发明涉及边坡预测预警技术领域，特别涉及一种基于边坡变形破坏机理的临界位移预测预警方法。

背景技术

边坡预测预警是一个迄今还没有得到很好解决的科学难题，变形破坏的临界位移决定方法还不完善；另外，边坡破坏时，各处的位移值均不相同。对于不同的边坡，其变形机理也不相同。现行的边坡预测预报的临界位移、临界变形速率等，没有指出边坡何处的临界位移及临界变形速率等。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于边坡变形破坏机理的临界位移预测预警方法，针对推移式边坡稳定变形机理、关键块划分、岩土体力学特性与滑面的变形关系以及滑面不同点的演化特征分析的基础上，提出了滑面位移、基于位移现状稳定系数的计算及边坡坡面位移的决定方法，从而实施预测预报。

本发明基于边坡变形破坏机理的临界位移预测预警方法，包括如下步骤：

1、分析边坡的基本形态、特征，试验获得滑面、滑体的基本物理力学参数G、S、m、ρ、C、φ、a₁,a₂,a₃,ξ_N，计算相对应的位移场和应力场，通过应力场决定相对应的稳定系数；

2、将步骤1得到的参数代入公式τ＝Gγ[1+γ^m/S]^ρ，式中τ、γ分别表示材料的剪应力和剪应变，τ、G的单位为MPa或kPa或Pa，S、m和ρ为无单位参数，且-1＜ρ≤0和1+mρ≠0；

临界应力空间τ^peak采用摩尔库伦准则τ^peak＝C+σ_ntanφ，式中C为凝聚力，σ_n为法向应力，C和σ_n的单位为MPa或kPa或Pa，φ为滑面摩擦角；

临界应变空间γ_peak采用公式(γ_peak/a₃)²-((σ_n-a₂)/a₁)^ξN＝1，式中σ_n为法向应力，单位为MPa或kPa或Pa；

临界应力空间与临界应变空间的关系为τ^peak/γ_peak＝G[1-1/(1+mρ)]^ρ，临界应变空间符合公式S+(1+mρ)γ^m_peak＝0；

参数ρ=ρ₀/（1+(ρ₀/ρ_c-1)(σ_n/σ_n^c)^ζ)，式中ρ₀为法向应力σ_n为零值的ρ值，ρ_c为σ_n等于σ_n^c时的ρ值，ζ为常系数；

3、经步骤2获得滑面各点的临界应变空间，计算出滑面各点的位移；

4、经步骤3得到的滑面各点位移，计算出对应应变变化产生的滑面、坡体应力场；至计算出边坡破坏时相对应的应变场和应力场，从而获得滑面破坏时位移值，即边坡破坏时滑面上不同点的位移值；利用滑体的物理力学参数，计算获得坡体、坡面的不同位移值。

利用本发明步骤1提出的稳定系数计算现状稳定系数F_s，其计算方法为边坡发生整体破坏时的位移矢量和S_c-t除以现状临界状态点的位移矢量和S_p-t；存在三个不同方向的稳定系数，X、Y、Z轴三方向的稳定系数分别为F_s-x＝S_c-t^x/S_p-t^x、F_s-y＝S_c-t^y/S_p-t^y、F_s-z＝S_c-t^z/S_p-t^z。

所述坡体和坡面位移的具体计算方法为利用现场实测数据，获取从滑面位移自坡面位移S_m变化关系，这种关系采用与高度h相关的抛物线关系式S_m＝S_i+b₂h+b₃h²加以描述，从而获取坡体和坡面位移。

本发明方法可利用坡体和坡面的测量数据，进行反算，获得坡面不同点的破坏位移值，从而实施反馈预测预报。

本发明基于边坡变形破坏机理的临界位移预测预警方法的有益效果是：

1）可以决定边坡破坏时滑面、坡体及坡面上不同点的变形值；

2）可以实施边坡渐渐破坏变形及力的过程描述；

3）结合现行的边坡监测值，可以实施边坡在不同变形状态下的稳定性分析及计算稳定系数大小；

4）结合变形历史，针对边坡的防护措施可以实施耐久性评价。

附图说明

图1为边坡渐进破坏演化过程图。

图2a为滑面上不同点在某时段内的演化特征曲线；

图2b为边坡滑面的荷载-位移、力学分类及稳定状态类型曲线；

图2c为同一时刻不同点的变形曲线；

图2d为边坡渐进破坏某时刻的演化曲线。

图3为滑面点的时间曲线特征图。

图4为滑面不同点在临近破坏时的时间曲线特征图。

图5为二维滑面位移关系图。

图中：T：荷载，T^peak：峰值荷载，T^yield：比例极限荷载，T^resid：残余荷载，P^peak：峰值荷载点，P^yield：比例极限荷载点，P^resid：残余荷载点，P_a、P_b、P_c：表示不同荷载点；S：位移，S^peak：峰值点位移，S^yield：比例极限点位移，S^resid：残余点位移，H：高度，t：时间。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明。

关于推移式边坡稳定的变形机理。推移式边坡往往在后缘首先发生开裂破坏，随着时间的推移，雨水的冲刷、岩土体强度的演化，其开裂面逐步由上向下移动，达到一定变形累计时，表现出中部隆起、鼓胀等现象，在一定的时间内，边坡前缘发生破坏，伴随着发生整体破坏。在整个演化过程中，边坡在二维平面（或三维曲面）内，滑面内只有一点（或一条曲线）是处于峰值应力状态（亦即临界应力状态），其余则处于残余应力状态或峰值应力之前状态。边坡渐进破坏演化过程见图1。

边坡不同状态的块体划分。对于边坡，其滑面的物理力学特性遵守岩土体的荷载与位移的曲线特征，鉴于此，对于处于不同阶段的边坡条块进行稳定性分类是必须的：当边坡条块荷载—位移关系曲线处于Ⅰ型状态时，如果条块处于比例极限荷载之前的状态，可以定义该条块稳定；如果条块处于比例极限荷载和峰值荷载之间的状态，定义该条块为欠稳定；如果条块处于峰值荷载之后的状态，定义该条块为不稳定。当条块荷载—位移关系曲线处于Ⅲ型状态时，定义该条块为稳定。边坡条块稳定性划分见图2d。按此边坡条块稳定性划分，关键块体为：处于比例极限荷载状态之前的和边坡条块荷载—位移关系曲线呈现Ⅲ型特征的条块。现场边坡关键块体为：处于抗滑段发生变形很小的块体以及边坡前缘反翘段条块等。

时间与变形特征曲线的划分。上述条块划分很明显地表示：条块的力学性质不仅相关于条块所在的应力状态，而且也相关于条块的变形状态。因此边坡的变形与力的传递两者紧密相关，不可分离。对于边坡滑面上每一个点，其时间与位移的关系曲线应遵守图3的模式，当滑面点处于Ⅰ型状态，且经历了Ⅰ型的稳定状态、欠稳定状态和不稳定状态，那么该点将呈现出Ⅰ型非稳定曲线特征；当滑面点处于Ⅰ型状态，且只经历了Ⅰ型的稳定状态，那么该点将呈现出Ⅰ型稳定曲线特征；当滑面点处于Ⅲ型状态，那么该点将呈现出Ⅲ型稳定曲线特征。这些特征均相关于岩土体的荷载-位移曲线特征。

边坡不同点的时间与位移演化特征。对于边坡而言，滑面上不同的点都将遵守图3的某一时间曲线特征，因而整个滑面也将遵守该时间曲线特征，即滑面上不同点在同一时刻将遵循图2c曲线特征。而在时间t1段内，不同点（如：P_a,P_b,P^peak,P_c,P^resid）将遵守图2a的曲线特征。从图2a曲线可知，边坡在渐近变化过程中，其滑面临界状态点是从上向下加以演化，在边坡破坏过程中，每点均经历临界状态，且滑面存在一点，当此点（或对于三维为曲线）经历临界状态之后，边坡整体将发生破坏，这一点（或曲线）所对应的条块叫关键块，关键块所对应的位移称临界位移。当边坡即将发生破坏时，滑面上不同点的时间曲线将表现出图4的特征。当在不同时刻（如t_i-1、t_i、t_i+1）开始测量时，其时间与位移曲线特征将遵循该时间后时段内的演化特征，如图4。

本发明基于边坡变形机理破坏的临界位移预测预警方法，包括如下步骤：

1、分析边坡的基本形态、特征，试验获得滑面、坡体的基本物理力学参数G、S、m、ρ、C、φ、a₁,a₂,a₃,ξ_N，利用现行方法计算相对应的位移场和应力场，通过应力场利用现行方法决定相对应的稳定系数；

2、将步骤1得到的参数代入公式τ＝Gγ[1+γ^m/S]ρ，式中τ、γ分别表示材料的剪应力和剪应变或“视剪应力”和“视剪应变”，G、S、m和ρ分别表示材料的力学特征参数，τ、G的单位为MPa或kPa或Pa，其它为无单位参数，且-1＜ρ≤0和1+mρ≠0；

临界应力（τ^peak）空间采用传统的摩尔库伦准则（τ^peak＝C+σ_ntanφ，式中C为凝聚力，单位为MPa或kPa或Pa，φ为滑面摩擦角）或其它准则；

临界应变（γ_peak）空间为(γ_peak/a₃)²-((σ_n-a₂)/a₁)^ξN＝1，式中a₁,a₂,a₃,ξ_N为常数，σ_n为法向应力，单位为MPa或kPa或Pa；

临界应力空间与临界应变空间的关系为τ^peak/γ_peak＝G[1-1/(1+mρ)]^ρ，临界应变空间符合公式S+(1+mρ)γ^m_peak＝0；

参数ρ=ρ₀/（1+(ρ₀/ρ_c-1)(σ_n/σ_n^c)^ζ)，式中ρ₀为法向应力σ_n为零值的ρ值，ρ_c为σ_n等于σ_n^c时的ρ值，ζ为常系数，通过实验可以决定四个参数的大小；

3、经步骤2可决定滑面各点的临界应变，相对应地可决定各点的位移；

4、经步骤3得到的各点临界位移，可计算出对应应变变化的应力场。这种计算可以直至边坡破坏时相对应的应变场和应力场，利用本发明提出的稳定系数可以计算现状稳定系数，从而获得滑面的破坏位移值（即边坡破坏时滑面上不同点的位移值），同时，利用滑体的物理力学参数，可以计算获得坡体、坡面的不同位移值；也可以利用坡体和坡面的测量数据，计算获得坡面不同点的破坏位移值。

本发明方法可以利用现行边坡测量值进行反算，决定现状的临界单元或临界条块，可以实施反馈预测预报。

所述现状稳定系数F_s为边坡发生整体破坏时的位移矢量和S_c-t除以现状临界状态点的位移矢量和S_p-t；存在三个不同方向的稳定系数，X、Y、Z轴三方向的稳定系数分别为：F_s-x＝S_c-t^x/S_p-t^x、F_s-y＝S_c-t^y/S_p-t^y、F_s-z＝S_c-t^z/S_p-t^z。

对于边坡体及坡面的位移决定方法，可以采用现行的各种数值分析，特别是发明人卢应发提出的滑面边界法加以分析决定；也可以采用现场实测数据分析加以决定，如利用测斜仪，获得从滑面自坡面位移S_m变化关系，这种关系可以用与高度h相关的抛物线关系式S_m＝S_i+b₂h+b₃h²加以描述。