滑坡災變預測與安全保障新技術(張永興 )

1、2008重慶市工程勘察與地質(zhì)災害防治技術研討會學術報告,滑坡災變預測與安全保障新技術,報告人 張 永 興,2009、1、12 重慶,1、概 論 2、滑坡災變智能預測3、支護結構的健康診斷4、錨固失效對邊坡穩(wěn)定性的影響5、邊坡巖土錨固安全性評價指南,提 綱,1、概 論,造 福,,研究意義,支擋結構失穩(wěn)形成滑坡對城市及基礎設施產(chǎn)生直接威脅,災 難,,研究意義,,研究意義,,技術路線,滑坡災變預測與安全保障新

2、技術,無支護結構的滑坡預測,支護結構的健康診斷和安全保障技術研究,滑坡災變預測模型研究,滑坡災變判據(jù)研究,滑坡災變示范區(qū)災變預測,滑坡－支護結構系統(tǒng)損傷診斷理論研究,滑坡－支護結構系統(tǒng)探傷及質(zhì)量診斷研究,錨固失效對邊坡穩(wěn)定性的影響分析,邊坡綜合處治技術及其在工程的應用,,,,,,,,,,總結與推廣應用,,,2、無支護結構的 滑坡預測,選擇萬州區(qū)吳家灣滑坡為示范區(qū),吳家灣滑坡的穩(wěn)定性也直接影響到三級臺階上的萬州火車西站場地,,,三

3、峽水庫蓄水后滑坡體將有二分之一被庫水淹沒。,圖1　現(xiàn)場剪切試驗,表1　示范區(qū)滑坡力學參數(shù)研究成果表,極限平衡法,計算方案（工況）為：（I） 自重力＋荷載＋暴雨（現(xiàn)狀）；（II）自重力（水下）＋荷載＋暴雨＋175m三峽庫水位；（III）自重力（水下）＋荷載＋暴雨＋175m水位陡降至145m；（IV） 自重力（水下）＋荷載＋暴雨＋175m水位+地震（V） 自重力＋暴雨＋庫水陡降時（按庫水0.82m/d，地下水

4、下降0.10m/d計）動水壓力（庫水位從175m降至145m）＋地震力＋荷載。(基本上不可能出現(xiàn)的情況),I II III IV V VI,吳家灣滑坡隨條件變化其穩(wěn)定系數(shù)的降低曲線,FLAC模擬,有限元模擬,滑坡集成智能預報模型框架,ANN法：滑坡災變預測的神經(jīng)網(wǎng)絡方法　FIS法：滑坡災變預測的模糊邏輯方法　AN－FI

5、S法：自適應神經(jīng)－模糊推理系統(tǒng) 　GA－ANN法：元胞神經(jīng)網(wǎng)絡方法,滑坡預報的計算智能方法,已有滑坡預報方法及判據(jù)一覽,計算智能預報模型采用的判據(jù),綜合信息模糊判據(jù),,各災變因素的權重由系統(tǒng)通過學習或模糊推理自行確定,,,,,,,滑坡災變示范區(qū)及其災變預測,,吳家灣滑坡災變的神經(jīng)網(wǎng)絡預測,萬州城區(qū)具有相似形成條件的22個滑坡作為樣本， 11個輸入變量中，定量指標需要進行歸一化，定性指標進行標準化處理，作為輸入樣本。根據(jù)22個滑坡樣本的

6、穩(wěn)定狀況，對照滑坡災變判據(jù)，得到相應的22個樣本的期望輸出評價矩陣，進行網(wǎng)絡訓練。,訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，即可進行吳家灣滑坡的穩(wěn)態(tài)識別。,,,滑坡災變示范區(qū)及其災變預測,,吳家灣滑坡災變的神經(jīng)網(wǎng)絡預測,神經(jīng)網(wǎng)絡與極限平衡結果對比分析,吳家灣滑坡災變的神經(jīng)網(wǎng)絡預測結果可與極限平衡結果是一致的,3、支護結構的健康診斷,錨桿桿側(cè)膠結體和圍巖共同對錨桿的作用可用沿桿側(cè)分布的彈簧器和阻尼器來等效。,把桿側(cè)分為n段，其彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)分別為,激勵

7、力 沿錨桿縱軸線方向，且均布于錨桿頂部。,基本力學模型,完整錨桿：理想情況，錨桿錨固較好，圍巖較 均質(zhì)，可認為沿桿長的彈性系數(shù)和 阻尼系數(shù) 為不變的常數(shù)。缺陷錨桿：錨桿系統(tǒng)有缺陷的情況，即沿桿長 的彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)沿桿長是變 化的。,,滑

8、坡－支護系統(tǒng)低應變動力學理論研究,完整與損傷錨桿結構系統(tǒng)低應變動力響應理論,結構系統(tǒng)無損探傷理論概述,,振動診斷的三種方法,參數(shù)識別法,直接從測量的輸入輸出信號識別模態(tài)參數(shù)或物理參數(shù)的變化情況，具有很大的方便性。盡管反問題往往不唯一和不確定，但輔以經(jīng)驗判斷，求解結果工程上是認可的，并隨著現(xiàn)代智能數(shù)學手段的發(fā)展和應用，逐漸被人們所接受。,,滑坡－支護結構系統(tǒng)無損探傷及質(zhì)量診斷研究,錨桿系統(tǒng)損傷位置的診斷,,利用小波變換檢測錨桿損傷位置的原

9、理,錨桿系統(tǒng)的損傷通常會導致系統(tǒng)的觀測信號發(fā)生變化，利用小波分解變換檢測觀測信號的奇異點就可以檢測出錨桿損傷位置。,,滑坡－支護結構系統(tǒng)無損探傷及質(zhì)量診斷研究,,錨桿結構系統(tǒng)的識別,所謂錨桿－圍巖結構系統(tǒng)識別就是依據(jù)已測得的動測信號，提取能表征系統(tǒng)狀態(tài)的特征向量，再利用系統(tǒng)辨識手段估計系統(tǒng)的物理參數(shù)，建立特征向量－物理參數(shù)模型，從而達到對系統(tǒng)進行判別、評價的目的。,基于小波包分析的錨桿-圍巖結構系統(tǒng)特征向量的提取,,滑坡－支護結構系統(tǒng)無

10、損探傷及質(zhì)量診斷研究,,錨固質(zhì)量的定量分析方法,錨桿－圍巖結構系統(tǒng)錨固質(zhì)量的定量描述,對于全長錨固的錨桿桿錨固系統(tǒng)而言，其錨固質(zhì)量主要體現(xiàn)在錨桿桿側(cè)膠結體和圍巖共同對錨桿作用的等效特征參數(shù)的大小。,,錨桿錨固度,完全錨固 Q=1 有缺陷 Q<1完全失效 Q=0,,,滑坡－支護結構系統(tǒng)無損探傷及質(zhì)量診斷研究,,,不同圍巖條件下桿側(cè)剛度系數(shù)的擬合曲線,,錨固質(zhì)量的定量分析方法,,滑坡－支護結構系統(tǒng)無損探傷及質(zhì)量診斷研究

11、,,,,錨桿－圍巖結構系統(tǒng)錨固質(zhì)量的定量分析步驟,錨固質(zhì)量的定量分析方法,,滑坡－支護結構系統(tǒng)無損探傷及質(zhì)量診斷研究,,,,錨桿系統(tǒng)無損探傷智能診斷系統(tǒng)的建立,數(shù)字模擬模塊,信號分析模塊,人工智能模塊,根據(jù)錨桿－圍巖結構系統(tǒng)桿頂動測問題的數(shù)學解，對錨桿桿頂?shù)牡蛻儎恿憫M行了數(shù)值模擬。,用小波分析方法對信號進行時譜分析，獲得損傷位置、錨桿長度，并提取表征錨桿結構系統(tǒng)的特征向量；,通過建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡對錨桿－圍巖結構系統(tǒng)進行識別，獲得

12、桿側(cè)剛度系數(shù)的分布情況，并計算錨固度，對錨桿錨固質(zhì)量進行定量評價。,錨桿系統(tǒng)無損探傷智能診斷系統(tǒng)的簡圖,,滑坡－支護結構系統(tǒng)無損探傷及質(zhì)量診斷研究,,工程應用,,,根據(jù)對所測五根錨桿反射波形進行本章所述的方法進行結構識別，得到沿桿長的剛度系數(shù)，并計算得到相應的錨固度。 所測五根錨桿得錨固度在78.5%～88.4%之間，說明錨桿的錨固程度是相應完整錨桿錨固質(zhì)量的2/3以上。,現(xiàn)場測試波形。,,滑坡－支護結構系統(tǒng)無損探傷及

13、質(zhì)量診斷研究,,4、錨固失效對邊坡穩(wěn)定性 的影響,室內(nèi)相似模型試驗單錨失效位置變化、錨力變化對群錨的影響不同位置單錨、群錨失效對邊坡穩(wěn)定性的影響坡面設置格子梁對錨索張力及邊坡穩(wěn)定性的影響不同錨固方式及無錨試件的比較有限元數(shù)值模擬預應力錨索支護下的坡體應力、應變特征錨索受力特征錨索失效后其它錨的荷載重分布規(guī)律,主要研究內(nèi)容,,錨固失效對邊坡穩(wěn)定性的影響,,,,,,,本部分以實體工程作為研究對象，采用室內(nèi)模型試驗，研

14、究不加錨邊坡破壞面形態(tài)；錨失效位置變化、不同位置錨力變化、不同邊坡巖土體變化、邊坡破壞形態(tài)變化等因素對錨固邊坡失穩(wěn)形態(tài)及機理的影響。,工點1 云南保龍高速路邊坡,實體工程工點,,錨固失效對邊坡穩(wěn)定性的影響,,,,,,,工點2 向家坡邊坡,實體工程工點,邊坡巖體中等風化砂巖，裂隙較小，可視為均質(zhì)巖體，巖體單軸抗壓強度σp=22.88MPa，彈性模量Eo=10~20GPa，泊松比μ=0.15~0.34，重度γ=24.42kN/m3

15、，c=2.15MPa，φ=39.96°坡角63°錨索鋼絞線彈性模量Ep=180GPa，抗拉強度 1860MPa，鎖定荷載（預拉荷載）960kN，鎖定拉應力σ=873MPa 中層滑帶c=55kPa，φ=26.0o，塊石土重度γ=24.92 kN/m3，滑帶傾角35o,室內(nèi)模型試驗研究,試驗裝置,測點位置圖,,試驗方案,無錨與有錨對比實驗坡面設置格子梁對錨索張力及邊坡穩(wěn)定性的影響（同一試件）坡面設置格子梁

16、對錨索張力及邊坡穩(wěn)定性的影響（不同試件，不同大小的錨索預應力）錨索無粘結試件的對比試驗錨索錨固端解除約束的對比試驗,錨索失效后坡體承載能力變化,邊坡位移和錨索張力的大小與結構面的特征密切相關，若結構面較光滑，則錨索承擔的下滑力較大，某根錨失效后其它錨間的荷載轉(zhuǎn)移明顯，對邊坡穩(wěn)定性的影響較大，如試件1-2、1-3、3-1。若結構面有一定的粗糙度，則結構面承擔的下滑力較大，單錨失效后群錨間的荷載轉(zhuǎn)移不明顯，錨失效對邊坡穩(wěn)定性的影響也不

17、大，如試件2-1。坡面施加格子梁后，格子梁與群錨形成空間承載體系，調(diào)動更大范圍巖土體發(fā)揮自承能力，某根錨索張力損失后，其承擔的荷載轉(zhuǎn)移至格子梁，只要該三維體系能維持，錨失效對邊坡穩(wěn)定性影響不會太顯著，如試件3-2、3-3。群錨中一旦錨索接連失效導致三維抗力體系變?yōu)槎S體系，邊坡穩(wěn)定性將急劇降低，如試件3-4。若錨固端約束失效引發(fā)錨索滑脫，則錨索張力和邊坡承載力將降低，端錨應力損失和坡面格子梁對穩(wěn)定性的影響甚微，如試件5-1~5-3

18、。錨索最終能提供的錨固力與其初始預應力的大小關系不大，且應與格子梁結構強度相匹配。根據(jù)坡面約束情況的不同，邊坡承載能力由大到小為：坡面設格子梁，縱粱，橫粱，無粱。,模型試驗主要結論,錨索失效對邊坡穩(wěn)定性影響的有限元分析,47,Nov, 2008,Chongqing University, Chongqing Communications Research & Design Institute,沿錨索長度方向的軸力分布,接觸