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复杂岩质高边坡静动力稳定性与深部位移时间序列分析

何巡军  
【摘要】: 滑坡灾害是威胁人类生活最大的自然灾害之一。经济建设的高速发展使我国面临规模宏大、数量众多、地质条件空前复杂的大型岩质高边坡问题。边坡失稳(特别是动力失稳)严重地困扰我国经济发展、威胁人民生命财产安全。因此,对边坡特别是岩质高边坡进行科学、合理地稳定性分析显得尤为重要。由于稳定问题的复杂性,边坡静、动力稳定分析仍有许多问题未得到很好的解决。 本文以某露天矿岩质高边坡为工程背景,详细分析了高边坡稳定分析的几类常见的计算方法,并对研究边坡采用极限平衡法、有限元强度折减法、有限元-无限元耦合计算方法分析了边坡的静、动力稳定性,结合现场深部位移监测成果建立了边坡深部位移变形的时间序列预测模型,取得了以下研究成果: (1)从岩土体本构关系和屈服准则出发,讨论了边坡稳定性计算分析的力学基础和边坡弹塑性的有限元格式。并对边坡岩体进行了室内试验和现场试验获得了边坡岩土参数值,其结果直接作为边坡稳定性计算的主要参数之一。 (2)讨论了几种极限平衡法的简化和适用条件,采用三种极限平衡简化方法对研究边坡稳定性进行计算分析,获得了研究边坡的极限平衡稳定分析结果。 (3)从弹塑性有限元理论入手,根据有限元强度折减法基本原理,通过比较分析前人的工作,总结了有限元强度折减法按塑性区贯通、计算收敛和位移突变3种失稳判据的适用性。比较分析了按塑性区贯通、计算收敛和位移突变作为强度折减失稳判据的边坡安全系数。 (4)结合无限元基本原理和有限元动力计算原理,通过算例边坡证实了无限元边界的适用性和解的稳定性。在国内较早地将无限元方法引入到边坡动力稳定分析中。并借助ABAQUS软件平台,建立了研究边坡的有限元-无限元耦合计算模型,对研究高边坡进行有限元-无限元动力地震稳定性计算。 (5)在水平和竖向地震联合作用下,在塑性区内,边坡位移、速度和加速度3量随着高程的增加不是简单增加的关系,而表现为与多种因素相关。对弹性区内的岩体,边坡位移、速度和加速度3量随着高程的增加由增大的趋势,即存在的“垂直向放大”现象。速度和加速度在坡面随着高程时而增大,时而减小,增大和减小相间,形成一些极值圈闭,并且极大值和极小值相间出现。 (6)通过工程实例计算表明,边坡的动安全系数随着地震动时程是变化的。按照最小安全系数原则获得的边坡动安全系数将在某些时候显得过于保守。计算表明按照面积相等的原则计算边坡的整体安全系数是合适的。 (7)针对研究岩质高边坡深部位移监测数据,建立基于自回归滑动平均(ARMA)模型的深部位移预测模型。现场实测结果和实现序列模型预测结果表明:利用ARMA模型进行边坡深部位移预测是合适的,能较好地逼近原始物理系统。针对这一特定岩质高边坡深部位移变化,ARMA(4,3)模型能较好的预测边坡深部位移变化。当前监测数据和模型预测表明,边坡深部位移变化较为稳定,边坡当前处于稳定状态。 通过本项研究工作,初步建立了一套岩质高边坡稳定性分析的理论体系,尤其是动力稳定性分析,有助于增进边坡稳定分析特别是动力稳定分析的研究,对该类边坡的稳定性分析工作奠定了一定的理论和实践基础。


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