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數學分析方法

數學分析仍處於快速發展階段。常用的方法有極限平衡法、極限平衡狀態假設下的極限分析法、應力應變分析法(如有限元法、接觸摩擦邊界元、隨機有限元、損傷有限元等。),邊界元法和離散元法。由於計算模型的選擇和參數的取值都是不確定的,數學分析的計算結果往往與變形的實際情況有較大差異,因此數學分析方法還沒有達到精確定量分析的階段。

(壹)極限平衡法

1.基本原則

基於塑性極限平衡的概念,用庫侖強度準則求解超靜定問題,用假設法消除多余的未知量,將其轉化為超靜定問題。針對現有接口進行整體力矩平衡計算或力平衡計算,用其比值作為穩定系數來表示其穩定性。由於簡化處理的假設不同,出現了不同的計算方法,如Bishop法(1995)、Janbu法(1954、1973)、Sarma法(1979)。目前二維計算還是比較常見的。

2.極限平衡法的應用特點

巖土的變形存在著非常復雜的應力應變關系,包括從峰值強度到殘余強度的特性、各種巖土材料的各向異性、孔隙水壓力的變化、地震動力響應等。極限平衡法是其顯著優點之壹,它將影響巖土抗剪強度的主要因素概化後納入計算。

確保地質體不在原地產生大規模的崩塌和滑坡破壞,是勘探和防治的主要目標。假設滑坡中的細微變形是不相關的,極限平衡分析是適用的。因為在分析中,不采用實際的應力應變關系,不計算預期變形,通過設置適當的穩定系數來控制其變形,所以在防治工程設計中應用廣泛。

極限平衡法的應用是半經驗的,除了邊坡破壞時穩定系數取值為1.0外,其他情況下不能準確給出。

(2)有限元法

1.基本原則

根據巖體的結構特征,有限元法的力學模型可歸納為線彈性力學模型和非線性力學模型。後者可以模擬巖體的不連續性和強度各向異性,可以用來模擬軟弱層和滑動帶。目前,有限元方法在解決彈塑性和流變、動態和非穩定滲流等時間相關問題以及溫度場、滲流場和應力場耦合等復雜非線性問題方面的有效性,使其成為巖石力學中應用最廣泛的數值分析方法。有限元法的發展非常迅速。接觸摩擦單元、隨機有限元和損傷有限元相繼提出,三維有限元得到應用,表明有限元方法正在日益發展和深化。

2.有限元法的應用特點

有限元法的優點是部分考慮了巖土體的應力應變特性,避免了將邊坡視為剛性塊體和過於簡化邊界條件計算的缺點,可以更接近地描述滑坡的變形破壞機理,計算其變形方向和變形量。由於巖土體的應力應變情況和地質材料力學性質的各向異性極其復雜,有限元法還處於簡單模擬階段,如何在計算分析中體現和深化各種因素仍是今後研究的重要課題。

有限元分析的可靠性和準確性取決於對災害地質體的正確認識和合理反映,取決於對巖土體物理力學性質的認識,取決於參數值的代表性和接近性。坍塌的力學機制和力學參數的取值從探索的角度來看還非常不精確和不確定。因此,任何應力應變分析計算的手段都只能作為定性分析的數學表達。認識到這壹點對於穩定性分析、防治方案論證和工程設計尤為重要。

(3)地質力學模擬試驗

模擬實驗是在實驗室有限的空間和時間內,有規律地探索大範圍的、持久的自然現象和作用,並通過實驗直接求解,遵守量綱和相似原則。

在滑坡穩定性研究中,常用的試驗主要是地質力學模擬試驗(自重力場邊坡結構模擬試驗、離心力模擬試驗、底部摩擦模擬試驗等。).

1.基本原則

利用相似材料按壹定比例制作滑坡的二維或三維物理模型,應用力系統、測量系統(變形測量、壓力測量等。)和攝像系統,建立了地質力學模型。通過對模型施加各種作用和力,觀察其變形破壞,可以觀察和研究滑坡的動力因素、形成機制、變形破壞模式、方位、規模、移動距離和防治工程效果。由於施加力的方式不同,可分為自重力模型(除重力外不施加外力)、底部摩擦模型(利用材料底部與支撐板之間的摩擦力模擬重力等力)、離心機模型(利用機械的離心力對模型進行加載,使模型受到體積力以滿足力學的類似要求)和各種後加載系統的地質力學模型。

2.模型的設計、制造和測試。

(1)確定試驗範圍和模型比例。

模型比例尺壹般控制在1 ∶ 100 ~ 1 ∶ 500,確定試驗的概化地質模型。

由於技術水平和規模的限制,無法實現實驗模型與實際地質體在幾何、物理、力學參數及其變化上的高精度相似。因此,在模型試驗中,需要對滑坡的各種要素進行歸納和簡化,確定其概化地質模型。這種歸納和簡化必須基本符合地質體的實際,包括巖石群的歸納和概括、地層產狀的概括、巖體結構和主要結構面的概括、物理力學參數的概括和取值、地質體幾何參數的概括和取值。

(2)地質條件的模擬

1)自重的模擬可以通過制備與巖石容重相同或相近的模型材料來實現;

2)斷層模擬,通過鋪設C、φ值相近的紙張或其他材料進行模擬;

3)接頭模擬,可采用復合接頭;

4)模擬軟夾層,使用不同摩擦系數的聚乙烯等。

5)地震力和地應力的模擬,平面模型采用拉力和壓力傳感器加載,三維模型采用加力系統加載。

(3)建立測量系統和錄像系統。

測量系統可配備電阻片和電阻應變計、電感式微位移計、百分表、引伸計、白光散斑、微壓箱等。

測試

應根據地質分析,制定試驗方案並進行試驗,註意變形、破壞和防治效果的觀測和研究。

4.提交測試結果

測試結果包括測量數據和宏觀變形數據,應提交相關的圖件、曲線、單項測量結果分析和變形場綜合分析報告,並提交相關的照片和視頻資料。