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基于位移实时监测的季节冰冻区土质边坡稳定性分析方法研究

姜屏  
【摘要】:在国民经济基础设施建设中,如高速公路建设、隧道和地铁施工、基坑开挖等,形成了各种各样的土质边坡。土质边坡尤其是季节冰冻区土质边坡,在降雨和冻融循环作用下,由于边坡土体的抗剪强度受到损伤而导致滑坡。滑坡灾害的产生是一个逐渐发展的过程,如果能通过监测手段及时掌握土质边坡变形和稳定性的变化规律,是有时间对土质边坡进行加固处理和及时提出预警措施,这样就能有效地防止滑坡的发生和降低滑坡带来的危害。 边坡安全监测主要是通过一定的监测手段获得边坡的位移值、应力应变和地下水位等参数,通过设定警戒值的方式来对边坡的安全状态进行分析。当监测值小于警戒值时,认为边坡处于安全状态;当监测值超过警戒值时,则认为边坡处于危险状态。这种通过设定警戒值的方式来判断边坡的稳定程度具有很大的经验性,往往由于警戒值设定的不合理,使得对边坡稳定性出现错误的判断。 随着边坡稳定性分析方法的发展,目前经常使用的稳定性分析方法包括极限平衡法和强度折减法等。这些计算方法能够准确地计算出边坡的稳定安全系数。但是,边坡土体力学参数的获取,是目前进行边坡稳定性分析的难点所在。毫无疑问,实验室测试和现场试验是解决这一问题的有效方法,但是这两种方法各有其局限性。由于用于室内试验的土样往往都是扰动土,与原状土的力学性质具有很大的区别,并且现场采取的土样具有较大的随意性,代表性差。这就使得通过室内试验获得的土的力学参数与实际的土的力学参数具有较大的偏差;而局部的有限的原位测试获得的少数几个测试结果,并不能代表整个边坡的土体的力学性能,并且原位测试的费用往往是相当昂贵的,因此原位测试技术也不能有效的获得边坡土体的力学参数。因此,要直接通过测试技术获得边坡土体的力学参数而进行边坡稳定性分析,存在很大的困难。 参数反演方法能够根据边坡安全监测结果得到边坡土体的力学参数,进而对边坡的稳定性进行分析。因此,参数反演方法能够有效地将边坡安全监测和稳定分析结合起来,克服了岩土工程中边坡监测和稳定性分析独立发展的缺陷。随着监测技术的发展,边坡位移的实时远程监测已经成为可能,能够实时的掌握边坡变形状态。通过位移参数反演计算能够得到边坡土体力学参数,从而能够计算边坡的稳定性。因此,对边坡位移监测、参数反演算法和边坡稳定性的研究具有重大的理论与现实意义。 为了建立起季节冰冻区边坡变形和稳定性之间的关系,通过边坡位移监测实现对边坡稳定性的分析,本文结合国家高新技术研究发展项目(863项目)“季节冰冻区大范围道路灾害参数监测与辨识预警系统研究”(2009AA11Z104)开展了以下几方面工作: 1、介绍了边坡表面和深部位移监测的主要方法及基本原理,并对各监测方法的适用条件和优缺点进行了总结。对课题组研制的边坡位移远程监测系统进行了介绍,此系统成功应用于长春西客站深基坑的位移监测,取得了良好的效果。 2、根据极限平衡法和强度折减法,得出了边坡的几何因素(边坡高度,边坡角度和坡面形态)和边坡土体的抗剪强度参数(粘聚力和内摩擦角)是边坡稳定性的主要影响因素。针对数值算例,采用有限差分强度折减法计算了各影响因素取不同值时的边坡稳定安全系数,并且介绍了采用强度折减法计算边坡安全系数时,边坡滑动面位置的确定方法。最后采用单因素敏感性分析法,计算了各影响因素对安全系数的敏感性因子。 3、考虑影响土质边坡稳定性的主要外界环境因素为降雨和冻融循环。介绍了土体抗剪强度的基本理论及影响因素,对长春西客站深基坑不同深度的四种土样进行室内试验。研究不同含水量和冻融循环次数对边坡土体抗剪强度参数(粘聚力和内摩擦角)的影响规律,为分析外界环境因素对长春西客站深基坑稳定性影响提供依据。 4、基于强度折减法的基本概念,根据土体的Mohr-Coulomb本构关系,将强度折减系数代入本构矩阵,采用有限元方法计算边坡位移。得出了边坡处于不同稳定状态时的位移值。由于边坡位移是最容易精确获取的参数,采用神经网络算法拟合强度折减系数与边坡位移之间的函数关系。通过实测边坡位移值就能得到边坡稳定性的折减程度,从而得到边坡的稳定程度,并通过一数值算例对此计算过程进行了说明。 5、为了根据边坡位移获得土体力学参数的变化规律,本文采用遗传神经网络对边坡土体的力学参数进行反演计算。采用遗传算法对神经网络的初始权重和偏置值进行优化,得到最优的神经网络拓扑结构。采用此神经网络建立起边坡位移和土体力学参数之间的关系,并通过一数值算例具体介绍了遗传算法优化神经网络拓扑结构的过程,以及Mohr-Coulomb模型参数反演的计算方法。 6、本文采用有限元方法计算了在外荷载作用下长春西客站深基坑支护结构的变形,并得到了冠梁的作用荷载和内力分布。在外荷载增大,冠梁达到极限承载力时,提出采用碳纤维对冠梁进行加固,并采用ANSYS软件模拟计算了碳纤维加固冠梁的承载力和变形特征。 7、本文对长春西客站深基坑的安全监测方法和监测结果进行了介绍,同时将本文提出的方法运用于基坑土坡的稳定性评价,根据实测位移数据即能实时掌握边坡的稳定状态,从而保障了基坑施工的安全性,为基坑安全监测与稳定性分析提供了实践参考。


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