斜坡失稳的非线性过程与物理预报讲义讲稿.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,斜坡失稳的非线性过程与物理预报,常用稳定性评价方法,方法：,1、,工程地质类比法,2、,数值方法,3、,刚体极限平衡方法,评价：,1、,数值方法,：,用于评价斜坡演化规律性，定量使用，定性评价，存在许多问题；,2、,极限平衡法：,（1）不能考虑斜坡的滑动位移；,（2）不能解释安全系数1的发生了滑坡这样的事实；,（3）不能回答在暴雨条件下，即使两个斜坡的各种条件相同或相近，为何一个发生了滑坡，而另一个处于稳定状态的问题 。,结论：,以上方法不能反映在失稳时的滑坡不连续行为，评价结论常带有主观人为性。,需要发展新的稳定性分析方法。,对水的作用认识,物理作用：,静水压力，动水压力；降低力学参数。,化学腐蚀作用。,有没有新的作用？水的本质作用是什么？,常用滑坡预报方法,经验方法,统计预报,缺乏物理基础，不仅所用参数的物理意义不明确，而且预报结果与选用不同蠕变阶段的数据有关，常带有很大的主观随意性。正如Rat指出的：,统计预报方法一般是很不可靠的，常常是有“诡计”的。,成功之路：,滑坡时间预报研究要取得重大进展，必须从统计预报 转向,物理预报,。,预报指标的选择,常用位移或位移速率,1、多大的位移或速率(降雨)可以表明发生滑坡，因坡而易。,2、其物理意义不明确。,结论：,需要明确物理意义的新指标。,位移,时间,降雨,对斜坡演化非线性特征的认识,对快速滑坡，存在从蠕变到,突变,的不连续行为；,某些滑坡演化存在者混沌特征，滑坡预报必须有,可预报时间尺度,限制；,是一种从无序到有序行为。,斜坡演化过程混沌的研究,以往的混沌研究是依据滑坡监测数据，进行统计研究,未解决：,1、混沌产生的物理机制与模型？,2、导致混沌的条件和道路是什么？,3、混沌与哪些力学参数有关？,滑动过程的抗剪性能（岩桥）,1、裂纹贯通，岩桥断裂,2、,剪切阶段：,台阶型或锯齿型滑面，滑动、滚动摩擦,3、,滑动阶段：,受岩粉颗粒控制,刚体极限平衡方法的适用性,适用于滑动面介质为单一介质；,或适用于多种介质同时达到峰值强度；,而实际滑动面可能由多种介质组成，如弹脆性，弹塑性，应变软化，应变硬化等。也不可能同时达到峰值强度。,f,1,f,2,u,f,1,f,2,u,滑面由两种介质组成的平面滑动斜坡,斜坡平面滑动失稳本构模型,滑动面简化为两种介质；,介质1是弹脆性的或是应变硬化的，介质2是应变软化介质。,介质2,介质1,H,u,u,b,u,2,位移,u,u,1,介质2,介质 1,剪应力,图 2 软弱夹层两种不同介质的本构曲线,图1 斜坡平面滑动失稳的力学模型,斜坡平面滑动失稳本构模型,介质1（弹脆性）本构方程：,式中，,u,b 为对应于岩块被剪断时的临界位移；,u,2 是当不规则的不连续面被磨平时的位移；,G,e1 和,G,e2 分别是对应于,u,u,b 和,u,b,u,u,2 的剪切模量。,介质2（应变软化）本构方程用Weibull分布模式 描述：,式中，,Gs,是初始剪切模量；,u0,为平均应变的测度；,m,称为均匀性指标。,m,越大，材料的均匀性及脆性程度越大,，其应变软化性质越明显，我们也可称,m,为,脆性指标,。,图 不同,m,值的应变软化介质的本构曲线,斜坡平面滑动失稳突变模型,失稳必要条件：,参数,k,为滑面介质弹脆性区段的刚度,ke=Gele/h,与应变软化性质区段介质峰后刚度的绝对值,ks=mGsls,exp-(,m,+1)/,m,/h,之比，称之为,刚度比,。,位移,u,介质2,介质 1,剪应力在其它参数不变的情况下，,k,随,m,的增大而减小,。,m,值越大,（刚度比越小），,即材料的均匀性或脆性程度越高，越易引发突变,。,斜坡平面滑动失稳突变模型,失稳充要条件是分叉集方程满足：,b,a,x,路径,A,突变,b,2,b,1,平衡曲面,路径 B,O,1,B,B,A,A,分叉集,控制平面,斜坡失稳与,刚度比k,和,材料均匀性指标m,有重要相关性。,斜坡平面滑动失稳水的新作用机制,图 围压6.9Mpa时，孔隙水压力对石灰岩脆性延性转移的影响,从图看出，随岩石含水量的增加，峰后曲线斜率变陡，峰后刚度增大，即,m,增大与刚度比,k,减小，这将易于发生突变发生滑坡。,这说明水还有一种更重要的作用增大材料均匀性（脆性）和降低刚度比的作用。,孔隙水压力(MPa)：,69,62.1,55.2,41.4,27.6,0,138,69,变形,差应力(Mpa),失稳有序的本质!,斜坡平面滑动失稳分叉集与蠕变三阶段,时间,t,减速阶段,匀速阶段,加速阶段,蠕滑位移,u,失稳,b,0,b0,a,b,I,II,演化路径,斜坡平面滑动失稳与刚体极限平衡法的比较,斜坡稳定性评价安全系数,快速滑坡临界安全,系数只与k和m有关,临界安全系数不是固定值1,，例如当k=0.2,m=1时，Kc0.91也是稳定的。,斜坡平面滑动失稳非线性动力学模型,对应变软化段介质2，如果考虑其,粘滞,或,蠕变,属性，可得到：,vs,图 考虑粘滞力的剪应力模型,失稳判据：,D,=4,a,3,+27,b,2,=0,该式是一个各参数具有明确意义的非线性动力学模型或物理预报模型，只要根据室内实验和现场调查确定了各力学与几何参数，就能对滑坡的变形规律作出预测。,斜坡平面滑动失稳非线性动力学模型的反演,1、因为实测的序列为（,u,t,），所以必须把(,x,t,)序列转换为（,u,t,）序列。,2、反演方法,可用我们提出的改进Backus广义线性反演理论求解。求解后，可算出,a,b,值，进行预测。再根据,D,值的变化判断斜坡的稳定性。,根据观测位移数据可反演力学参数,模型,方法,鸡鸣寺滑坡背景知识,1991年6月29日凌晨，湖北省秭归县鸡鸣寺发生了滑坡，体积60万m,3,。由于滑坡预报及时准确，避免了重大的人员伤亡和财产损失。,鸡鸣寺滑坡为一人类活动诱发的岩质顺层滑坡，滑坡体岩性为坚硬石灰岩夹软弱泥质灰岩组成，岩层倾角基本与坡角一致，约为35,。坡顶高程1296m，坡脚处采石场堆石平台面高程250m，其中坡脚高程300-310m以下岩层被水泥厂开采。滑动面为软弱泥灰岩夹层，在长期采石爆破震动和降雨的条件下，坡体开始变形。,鸡鸣寺滑坡地质剖面,35,55,0,80,160,240,320,400,480,560,640,500,200,300,400,F,4,F,2,F,1,采石场,滑坡体,堆石,高程(m),图例:,石灰岩夹泥质灰岩,断层,水平距离(m),鸡鸣寺滑坡剖面图,鸡鸣寺滑坡突变特征值D的变化,图8 鸡鸣寺滑坡c4测点位移和,值随时间的变化,|,D,|值在,等速蠕变阶段呈现比较稳定的变化,，变幅（|,D,|,3.27）很小；在加速蠕变阶段开始后，|,D,|值,陡增,（增幅分别为：71.48,286.42,9326）出现一峰值点，而后迅速降低，在,临近失稳时，接近于零,。我们可以根据这一特殊现象，判断滑坡的发生。,木城涧矿,图 木城涧矿千军台坑741003工作面顶板沉降观测记录,监测数据无规律性时，,D,值也有类似规律。推荐,D,值可作为判别斜坡稳定性的重要指标,鸡鸣寺滑坡根据位移观测数据反演力学参数的方法,根据反演出的,a,和,b,值，可估算,m,、,k,和,的合理取值范围。下图给出了,k,和,随,m,值的变化。可看出，,k,的合理值范围为,0,k,0.8272,，,的合理值范围为1,1.61，,m,的合理值范围为,0,m,1.4,。,若考虑最不利的情况，即无锁固段的情况（,l,e=0，,k,=0，,m,=1.4，,=1.582），并已知,l,s=237.6m，,u,1=0.928m，,W,g=641520kN，,h,=0.2m，,=35,，,则得到,Gs,=1.17Mpa，,=7.128,1010Pa.s,。可见滑坡发生前，剪切模量参数非常低。,简化的物理预报模型,1、简化的物理预报模型：,斜坡系统演化进入了稳定蠕变阶段，此时有,b,0，得到：,2、分岔,x,x,0,x,0,刚度比k=1是分岔点,简化的物理预报模型,3、混沌判别表达式,在应用式（28）时，应注意,的单位（一般是Pa.s）应当与,物理意义是：当,a,0（,k,1），即系统,有可能失稳时，斜坡演化才可能出现混沌,，而对不可能失稳的斜坡，不会出现混沌，这说明混沌也是斜坡失稳可能性的标志。从上式还可看出，混沌能否出现取决于应变软化段的力学参数（,G,s,，,，,m,）与两段不同介质的刚度比,k,，由斜坡系统内在的物理力学性质所决定。如果斜坡系统不具有混沌特征，可进行确定性的预报；反之，预报必有,可预报时间尺度,的限制,。,显然，,m,越大，,k,越小，系统越易出现混沌,。,通向混沌之路是通过,倍周期分岔,实现的。,简化的物理预报模型,4、预报模型（只适用于斜坡变形的,等速蠕变,阶段）,上式类似于,Logistic,方程。,根据鸡鸣寺等速蠕变阶段的数据估算失稳时间为91.4.26日。,1,=0.1711.3，表明该滑坡无混沌现象，可进行确定性预报。,谢谢大家！,欢迎各位专家提出宝贵意见！,