堆石料弹塑性本构模型参数反演方法研究
筑坝堆石料的本构模型及其参数是合理计算面板堆石坝施工、运行及地震过程中应力与变形的重要基础。目前主要通过级配缩尺后的室内三轴试验确定模型参数,但缩尺效应对参数的影响规律尚不清楚。
一些学者结合室内三轴试验成果,根据大坝施工期变形监测数据进行筑坝材料参数的反演。但由于土石坝施工期、地震反应过程及震后沉降计算分别采用不同的本构模型且模型参数之间的相关性缺乏统计资料,反演得到的模型参数仅能进行所反演问题的验证分析。
如:根据施工期沉降监测反演得到的邓肯EB模型、南水模型或清华K-G模型参数仅能进行大坝的施工填筑及蓄水过程模拟。近年来,随着堆石料本构理论的发展,一些学者开始尝试在弹塑性理论框架内建立能够反应堆石料在静、动力及循环荷载作用下变形与强度特性的弹塑性本构模型。
随着监测手段的不断发展和完善,高土石坝在施工过程中基本能够获取详实、可靠的位移监测数据,结合静、动力统一的弹塑性本构模型,根据施工期监测数据反演堆石料模型参数,进而预测地震荷载作用下大坝的动力响应,对于高土石坝
抗震设计方法和安全评价具有一定的理论意义和工程价值。本文反演分析采用改进的广义塑性模型,该模型将初始孔隙比作为模型输入参数,同时考虑了筑坝堆
石料颗粒破碎,可以描述不同密度的堆石料在单调和循环荷载条件下的变形与强度特性,包括剪胀、剪缩、颗粒破碎、循环滞回、循环密实及循环残余变形,采用一套参数即可完成大坝施工、蓄水及地震反应全过程分析,并直接得到地震残余变形。
论文针对堆石料弹塑性本构模型参数反演方法,开展了下列工作:(1)首先通
过有限元敏感性分析确定待反演参数,进而通过粒子群算法和人工蜂群算法等启发式智能优化算法随机产生待反演的本构模型参数向量,代入到有限元模型中进行计算,并根据计算得到大坝竣工期典型测点沉降与实际测得沉降之间的误差不断优化待反演参数,直至达到设定的收敛准则,然后确定优化后堆石料的模型参数。(2)采用拉丁超立方抽样对敏感参数进行抽样并进行有限元分析,得到敏感参数与大坝典型测点沉降之间的关系样本,通过神经网络建立敏感参数与大坝典型测点沉降的响应面,进而进行敏感参数的反演分析。
该方法降低了有限元数值分析的工作量。(3)针对紫坪铺面板堆石坝施工填筑过程现场监测结果,根据上述方法得到的堆石料参数进行了汶川地震震害模拟,并与实际震害结果进行对比分析。
结果表明:通过反演分析得到的弹塑性模型参数能够较好的模拟紫平铺大坝地震沉降变形。
第一部分参数选取 根据钻探揭露，滑带土为黄褐色粉质亚粘土夹少量砂板岩角砾，位于人工堆积层与下层基岩之间，深度在2-7m不等，厚约0.2-0.3m，断面光滑。 2、滑带土参数的取值 （1）参数反演 滑坡中的滑带土为基覆交界面的亚粘土层，由于野外取样时，所取滑带土样为已经扰动过的土样，因此在进行岩土试验参数统计及经验类比的取值时，滑带土的C、φ值采用滑坡在暴雨工况下，取稳定系数为1.03时反演取值，其反演计算模型，选定H1滑坡的2-2’剖面。反演计算剖面及内容见计算书。 采用反演公式和 经反演，滑坡滑带土在暴雨条件下C、φ值见下表。 （2）工程类比经验：借鉴蜀通公司对H2滑坡所做的勘查工作，天然条件下C 值为6.7KPa，φ为18.5°，暴雨条件下C值为3.3-4.6KPa，φ为12.3°。 （3）试验值： （4）综合取值： 根据滑带土的试验、剖面反演及工程类比的结果，滑带土而天然工况下的取值主要依据试验结果，在暴雨工况下参数取值主要采取加权平均，对试验值、反演值和工程类比值采取加权平均方法从而得出暴雨工况下的滑带土的c、φ值。目前各滑坡处于蠕动变形阶段，因此对试验值取较高的权重。三种取值的权重分别是0.5、0.3、0.2。据此得出暴雨工况下的滑带土的参数值。 滑带土参数取值为天然重度为19.0 kN/m3，饱和重度为20.5kN/m3，天然条件下C值为7.0KPa，φ为18.5°；饱和条件下c值为3.8KPa，φ为13.0°。 一、2-2’反演 滑坡剩余下滑力计算 计算项目： 2-2暴雨 ===================================================================== 原始条件: 滑动体重度= 19.000(kN/m3) 滑动体饱和重度= 20.500(kN/m3) 安全系数= 1.030 不考虑动水压力和浮托力 不考虑承压水的浮托力 不考虑坡面外的静水压力的作用 不考虑地震力 坡面线段数: 41, 起始点标高 0.000(m) 段号投影Dx(m) 投影Dy(m) 附加力数 1 0.144 0.351 0 2 0.386 1.579 0 3 0.279 0.673 0 4 0.541 0.977 0 5 0.232 0.793 0 6 0.601 0.846 0 7 0.475 0.781 0 8 0.266 0.496 0 9 0.353 0.812 0 10 0.518 0.658 0 11 0.110 0.265 0 12 0.102 0.204 0 13 0.197 0.490 0 14 0.234 0.464 0 15 0.197 0.147 0
收稿日期:2005Ο04Ο19 基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2002C B412707) 作者简介:高德军(1970— ),男,山东临朐人,博士研究生,主要从事岩石力学方面的研究.长江三峡大石板滑坡计算参数反分析 高德军1,徐卫亚1,郭其达2 (1.河海大学岩土工程研究所,江苏南京 210098;2.三峡大学土木工程学院,湖北宜昌 443002) 摘要:在研究长江三峡库区大石板滑坡约束条件和某一确定计算状态的基础上,利用极限平衡理论 方法对滑坡的滑带土进行了计算参数反分析,并通过敏感性分析确定了计算参数的取值.结果表明:计算参数c (黏聚力),φ(摩擦角)值的反分析存在解的非唯一性,只有确定了边坡的临界状态并选定相应的评估指标后,才有可能获得准确结果;反分析得到的滑带土c ,φ值与临界状态的滑带赋存条件相对应,当进行其他工况的稳定分析及工程设计时,应根据经验及工程类比结果进行折减. 关键词:长江三峡;大石板;滑坡;反分析;计算参数中图分类号:P642.22 文献标识码:A 文章编号:1000Ο1980(2006)01Ο0074Ο05边坡滑带土的黏聚力(c )和内摩擦角(φ)等力学计算参数的取值正确与否,会直接影响到边坡的稳定计算和工程设计.目前确定c ,φ值的方法有试验、工程类比和反分析3种.试验方法是确定滑带土计算参数的途径之一,但c ,φ值需通过大量试验才能得出.此外,试样的失真、滑带土的非均匀性、试验误差和试验结果的多样性等,也会给试验成果的选用带来识别上的很大困难.工程类比法是一种经验估算方法.由于滑坡的成因、结构条件、边界条件、土体性质及研究者的经验等存在一定的差异,工程类比法也不可能准确地得出滑 带土的计算参数.在工程设计中,常采用反分析方法确定计算参数(等效力学计算参数)[1Ο5] . 目前,边坡稳定分析常用的方法是弹塑性有限元法和刚塑性体极限平衡法[6Ο9] .由于极限平衡法不仅物理概念清晰,求解方便,可同时求出滑坡的不平衡力(剩余下滑力),为滑坡加固提供设计依据,而且滑坡稳定分析与加固设计采用同一理论模型,计算结果更为可靠,因而在工程中得到广泛应用. 本文以长江三峡库区大石板滑坡为例,在研究滑坡体边界条件和计算状态的基础上,利用极限平衡理论方法对滑坡的滑带土进行了计算参数反分析. 1 反分析基本原理 1.1 土体边坡计算参数反分析的定义 边坡反分析就是先根据确定的边界条件和工况状态下的稳定状态评估指标建立数学模型,然后利用此模型反演边坡土体的计算参数c ,φ值.由于反分析c ,φ时是通过1个方程来求解2个未知参数,因而其解具有不确定性.一般情况下,采用反分析方法时需结合试验、经验或敏感性分析等方法才能确定出参数的取值.1.2 反分析过程11211 建模 反分析建模常用的方法是极限平衡分析法.极限平衡分析法的基本假定是:土体为理想刚塑性材料;加荷过程中土体不发生任何变形;达到极限平衡状态时土体将沿某破裂面发生剪切变形. 工程上最常用的平面极限平衡计算方法为条分法.条分法包括毕肖普法、改进瑞典条分法、传递系数法、分块极限平衡法和简布法等[10].在条分法中,稳定状态评估指标(稳定系数)K 的表达式为 K = ∑n i =1 E i ∑n i =1 T i = ∑n i =1 E (x i ,y 1i ,y 2i ,y 3i ,ρg ,ρw g ,c ,φ )∑n i =1 T (x i ,y 1i ,y 2i ,y 3i ,ρg ,ρw g )(1) 第34卷第1期2006年1月河海大学学报(自然科学版)Journal of H ohai University (Natural Sciences )V ol.34N o.1Jan.2006
第30卷 增2 岩石力学与工程学报 V ol.30 Supp.2 2011年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2011 收稿日期：2010–07–26；修回日期：2010–09–20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(40772183)；陕西省自然科学基金资助项目(2009JQ5003)；长安大学教育部重点实验室项目(CHD2009JC048) 作者简介：翟 越(1975–)，男，博士，1999年毕业于西安建筑科技大学结构工程专业，现任副教授，主要从事强度理论及材料动态特性方面的教学与研究工作。E-mail ：zy@https://www.doczj.com/doc/d510364939.html, 岩石类材料损伤黏弹塑性动态本构模型研究 翟 越1，赵均海2，李寻昌1，任建成1 (1. 长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2. 长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710061) 摘要：针对岩石类材料的动态力学特性，基于损伤演化和元件模型理论，将岩石类材料视为由具有损伤特性、弹性特性、塑性特性及黏滞特性的非均质点组成，建立考虑损伤的黏弹塑性动态本构模型，并推导出本构方程的微分表达式。将下山单纯形法嵌入自适应混合遗传算法中，编制反演分析程序，在岩石冲击试验数据的基础上，确定出损伤动态本构方程的待定特征参数。利用确定出来的动态本构方程得到的再生应力–应变曲线与试验曲线之间有很好的一致性，从而可验证该损伤黏弹塑性动态本构方程的适用性。 关键词：岩石力学；岩石类材料；损伤黏弹塑性动态本构模型；元件模型理论；自适应混合遗传算法 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)增2–3820–05 STUDY OF DAMAGE VISCOELASTO-PLASTIC DYNAMIC CONSTITUTIVE MODEL OF ROCK MATERIALS ZHAI Yue 1，ZHAO Junhai 2，LI Xunchang 1，REN Jiancheng 1 (1. School of Geological Engineering and Geomatics ，Chang ′an University ，Xi ′an ，Shaanxi 710054，China ； 2. School of Civil Engineering ，Chang ′an University ，Xi ′an ，Shaanxi 710061，China ) Abstract ：For the dynamic mechanical properties of the rock materials ，based on the statistical damage theory and constitutive model theory ，the rock can be classified as a heterogeneous material which is made up of damage element ，elastic element ，plastic element and viscosity element. Consequently ，based on above theory ，the damage viscoelasto-plastic dynamic constitutive model of rock materials are constructed. Then ，based on the data of dynamic impact test of rock ，the characteristic parameters of dynamic constitutive functions of granite and concrete are ascertained by the inverse analysis method which is programmed by embedding the Nelder-Mead method in basic adaptive genetic algorithms by coding in real number. The result illustrate that stress-strain curve and experiment curve ，which are both come from dynamic constitutive model ，have a great consistency. Consequently ，the applicability of damage viscoelasto-plastic dynamic constitutive model has been verified. Key words ：rock mechanics ；rock materials ；damage viscoelasto-plastic dynamic constitutive model ；constitutive model theory ；adaptive hybrid genetic algorithms 1 引 言 在动荷载作用下，岩石类材料的力学特性不仅表现出弹性和塑性，而且还有与时间相关的黏性， 即率相关性。对包含大量缺陷的脆性材料力学特性进行研究时，其内部损伤及其演化的影响必须考虑，尤其是在冲击加载情况下，损伤软化效应十分明显[1]。因此，如何建立能同时考虑岩石类材料的应变率相关性和损伤演化的本构模型成为工程材料力学性能
第七章 粘弹塑性模型的基本概念 7 . 1 引言 为了描述土体应力一应变关系受时间的影响，需要采用与时间有关的类模型（如粘弹胜模酬、粘塑性模型，粘弹塑隆模型）来描述土的性状。 弹性、塑性和粘性是连续介质的三种基本性质，各在定条件F 独自反映材料本构关系的一个方面的特性。理想弹性模型、理想塑胜模型（或称刚塑性模型）和理想粘性模型是反映这三种性质的理想模型，通常称为简单模型。实际工程材料的本构关系可以用这些简单模型的各种组合来构成。 理想弹性模型又称虎克弹性模型，通常用理想弹簧表示（图 7-1( a )）。其本构方程为虎克定律。一维条件下，如单轴压缩和纯剪清况下，表达式分别为： E σε= （7.1.1） G τγ= （7.1.2） 式中E —— 弹性模量、 G ——剪切模量。 剪切模量与弹性模量和泊松比的关系如下式所示： () 21E G ν=+ （7.1.3） 式中 ν ——泊松比。 三维条件下本构方程可表示为下述形式： m K νσε= （7.1.4） 式中 K ——体积弹性模量。 （a ） （b ） 图7-1 理想弹性模型
体积弹性模量与弹性模量和泊松比的关系如下式所示： () 312E K ν=- （7.1.6） 理想粘性模型又称牛顿粘滞体模型。通常用一粘壶（或称阻尼器）表示（图7-2 ( a ) ）。粘壶内充满粘滞液体和一个可移动的活塞。活塞在粘滞液体中的移动速度与所受阻力成正比关系，反映了粘性介质内一点的应力与该点处应变速率成正比例关系的性质。一维条件如单轴压缩或纯剪情况下，表达式分别为： σ?ε= （7.1.7） τηγ= （7.1.8） 式中 ?、η ——粘滞系数。 由上两式可以看出，从数学表达的形式上与理想弹性体单轴压缩和纯剪时的本构方程相类似。 与理想弹性体的方程相对应，类似式7.1.3，存在下述关系： ()*21? ην=+ （7.1.9） 式中 *ν ——粘性应变速率的横向比值。 （a ） （b ） 图7-2 理想粘性模型 理想粘性体的体积变化与形状变化速率无关， 即不具有体积粘性。因此，*ν应等于0.5 。于是式7.1.9成为： 3?η= （） 这与弹性不可压缩时的E=3G 相对应。 在三维条件下理想粘性体本构方程可表示为：
文章编号：1009-6825（2013）01-0048-02 临界状态滑坡土层参数反演在工程中的应用 收稿日期：2012-10-26作者简介：王树州（1983-），男，硕士，工程师； 刘强（1978-），男，工程师 王树州 刘强 （安徽省交通规划设计研究院有限公司，安徽合肥230008） 摘 要：针对芜湖至铜陵高速K51+354 K51+500段出现的裂缝及下挫现象，分析了其产生变形的原因，通过不平衡推力法算出 滑坡剩余下滑力， 提出了采用抗滑桩结合挡土墙支护边坡的方案，并在工程运用中得到了很好的效果。关键词：滑坡，临界状态，反演，裂缝及下挫，不平衡推力法 中图分类号：TU435 文献标识码：A 0引言 随着国民经济的飞速发展，大量铁路、公路、矿山等设施的修建，特别是丘陵和山区建设中，人类工程活动中开挖和堆填的边坡数量会越来越多， 高度也将越来越大。如北京—福州高速公路福建段200余千米内高度大于30m 的边坡多达150多处。由于地质条件复杂， 加之人类改造自然规模愈来愈大，设计施工方法不当，高边坡开挖后发生变形和造成灾害的事故频繁发生，给工程运营和人身安全带来很大隐患。 芜湖至铜陵高速K51+354 K51+500为开挖路段，右侧挖方较长，坡高较大，最大坡高31m 。该项目已建成运营近三年时间，于2010年4月K51+420 K51+480段右侧一级坡出现裂缝宽2cm 5cm ，一级坡护面墙局部开裂，二级坡裂缝宽10cm 30cm ，二级坡平台下挫20cm 40cm ，估计松动方量4000m 3，坡 脚未出现剪出口。该滑坡体处于蠕动变形阶地， 若遇到暴雨天气，雨水下渗，有可能会加速下滑，危及人的生命安全。 1滑坡区工程地质概况1．1地形地貌 边坡区地貌属低山丘陵区，区内地形较简单，岗凹相间内，岗丘顶部浑圆，坡面平缓，覆盖层主要为残坡积层，凹地上部覆盖第四系全新统冲积层。 1．2地层结构及岩土体特征 滑坡区上部覆盖层为第四系中更新统残坡积层（Q el +dl 2 ）的粗粒土和高液限粘土，粗砾土层厚7．5m 10．7m ，高液限粘土层厚8．0m 12．4m ，工程性质差；下伏基岩为三叠系下统南陵湖组（T 1n ）灰岩。 1．3水文地质特征 滑坡区主要赋存少量残坡积松散层孔隙水，主要来源于大气 降水补给，季节性变化较大，但由于上部的碎石土夹砂砾石及少量细粒土，渗透性较好，降雨时大量的地表水下渗，而中部高液限 粘土及下部基岩为相对不透水层，致使高液限粘土含水量增高， 而高液限粘土遇水后性质变差，形成软弱层，对边坡稳定不利，滑坡区应设置好防渗及排水措施。 2滑坡基本特征及成因分析2．1 滑坡基本特征 滑坡区位于K51+354 K51+500的右侧，整体坡度为36?， 坡形整体呈上缓下陡，只有护面墙护坡，如图1所示。该滑坡分三级台阶，第三级台阶的护面墙已经损坏，可能是导致降雨入渗的主要原因。第一、第二级台阶的护面墙也有拉裂地方。滑坡区右侧一级坡出现裂缝宽2cm 5cm ，二级坡裂缝宽10cm 30cm ，二级坡平台下挫20cm 40cm ，如图2所示。 图1 滑坡区地貌特征 图2第二级台阶开裂下挫 2．2滑坡成因分析 1）雨水下渗。边坡排水沟、截水沟日渐淤积堵塞，护面墙开裂，导致降雨下渗不能及时的排出坡体，使得坡体含水率增高。而第一级、第二级台阶主要分布着高液限粘土，富含高岭土，具有膨胀性，当坡体含水率增高时，坡体内土体膨胀，膨胀力使得护面墙开裂，同时土体的抗剪强度降低。三级坡的粗粒土夹有少量的 砾石， 渗透性较好，又是雨水下渗的良好通道。2）支挡不足。该边坡坡度较高，1?1 1?1．3的坡率只能保证每一级台阶是安全的，整体边坡是欠稳定的。整个边坡缺乏有效的支挡， 仅仅修筑护面墙是不能抵抗坡体变形产生的下滑力櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 。On engineering features of collapsible loess ZHANG Ai-fang （Shanxi Jinzheng Construction Engineering Program Management ，Co．，Ltd ，Hejin 043304，China ） Abstract ：According to the distribution regions ，the horizontal and vertical distribution features of the collapsible loess of Shanxi Aluminum Plant ，the paper illustrates the conditions for the self-weight collapsibility ，features for the moment of the self-weight collapsible deformation after being soaked in water ，as well as the scopes for the deformation ，identifies the deformation features of the natural and compacted foundation un-der the measurement of additional collapsible volume ，and concludes the measured self-weight collapsible volume is less than the one of the in-door test calculation ，and the adopted correction factors in the new regulation is fundamentally consistent．Key words ：collapsibility deformation ，subsidiary stress ，self-weight collapsible volume · 84·第39卷第1期2013年1月 山西 建筑 SHANXI ARCHITECTURE Vol．39No．1Jan．2013
滑坡勘察中几个常用参数及计算方法 [摘要]本文主要结合C与Φ的关系，从参数反演法与经验法或类比法两大方面对计算参数的确定做了详细论述，同时对稳定性系数的确定方法做了简要论述，其中提及传递系数法的显示解与隐式解。 [关键词]滑坡勘察计算参数计算方法 与普通建筑的岩土工程勘察相比较，滑坡勘察具有下列特点：重视地质环境条件的调查，由此探明滑坡的主要作用因素与演化过程；重视滑坡地质结构的调查，由此完成滑坡稳定性的研究；重视变化成因的研究，由此主要成因的特点与强度等。结合滑坡勘察的上述特点，本文主要讨论计算参数的确定，同时分析传递系数法的相关内容。 1计算参数的确定 滑坡勘察方面计算参数的确定方法并不单一，常见的确定方法包括试验法（如原位试验或室内试验）、参数反演法、经验法（或类比法）。本章节主要结合C与Φ的关系，从参数反演法、经验法两大方面展开论述。 1.1C与Φ的关系 滑坡面抗剪强度满足函数表达式： 若滑坡土保持饱水状态，那么C=0，此时滑坡面抗剪强度满足函数表达式： 结合上述函数表达式可知，抗剪强度与作用到滑动面的法向应力呈正相关；内聚力与内摩擦力分别为常数与变量。滑体厚度往往会影响到滑动面的抗剪强度，其中滑体厚度与内摩擦角的作用呈正相关，与内聚力的作用呈负相关。滑体厚度一般以4m为界线，若滑体厚度4m，那么滑坡面的抗剪强度受到内摩擦力的控制。结合抗剪强度相等原则，往往用某定值的综合内摩擦角Φ取代内聚力与内摩擦力，即综合摩擦角或似摩擦角，由此简化计算过程。 1.2参数反演法 参数反演法（或参数反分析法）是指事先恢复已破坏斜坡的滑动后滑坡状态或原始状态，然后再基于滑坡的破坏机理创建极限平衡方程，由此反求出滑动面的C、Φ值。由此可见，参数反演法具有如下特点：明确反映变形破坏机制；尽量简化计算步骤；方便校核。参数反演分析过程应尤其注意如下事项：尽量模拟滑坡蠕滑状态的边界条件，特别要注意地下水位的模拟，若该步骤难以实现，那么必须探明勘探阶段雨季的最高地下水位；主滑剖面与分析剖面必须完全一致；参数反演分析的理论方法与设计阶段采用的推力及稳定性计算方法必须完全一致。
岩体参数的反演方法综述1 费文平，马亢 四川大学水利水电学院，成都 (610065) E-mail：wpfei7206@https://www.doczj.com/doc/d510364939.html, 摘要：岩体参数的反演分析是水电工程的设计与数值计算的基础，直接影响到计算结果的真实性。归纳总结了岩体参数的各种反演方法，分析比较了其优缺点和适用条件，提出了岩体参数反演分析方法的发展趋势。 关键词：岩体，参数，反演方法 1．引言 岩体参数（如弹模、泊松比等）的反演分析是根据少数的已知测点的位移值或应力值等，来反演分析岩体的材料参数的过程，是水电工程的设计与数值计算的基础。岩体力学参数的确定是岩土工程数值计算中的关键问题。由于岩体的参数往往难以确定，对数值计算的结果会造成很大的影响，而实验室内对岩体参数的测定均存在尺度效应问题，且考虑到经济成本，现场取样的数量往往不多，因而无法得到整个工程区的岩体真实参数。采用反演分析的方法可以综合考虑诸多地质因素的影响，更加经济准确地得到岩体的参数[1-3]。 岩体参数反演计算的方法主要有[4-30]：①正反分析法；②逆反分析法；③局部最优化方法；④人工神经网络法；⑤遗传算法；⑥粒子群算法；⑦梯度类方法；⑧混合算法。 2．岩体参数反演分析方法的分类及特点 2.1 正反分析法 正反分析法先假定待反演的岩体参数，通过正演分析得到岩体结构的位移或应力等，然后将其与实际观测值相比较，并按一定方式修改调整待反演参数，逐步逼近实测值，从而确定待反演的岩体参数。正反分析法程序编制简单，计算方法灵活，可适用于线性或非线性的岩体参数反演问题，但需要大量的调整试算。 2.2 逆反分析法 逆反分析法通过求逆直接建立待反演参数与实测值之间的关系式，求解这些关系式组成的方程组就可得到反演计算结果。该法计算原理直观简明，但程序编制复杂，只适用于线性的岩体参数反演分析。 2.3 局部最优化方法 优化分析法致力于寻找使计算结果与观测结果之间的误差为最小的解答。局部最优化方法包括单纯形法、模式搜索法、鲍威尔法、变量轮换法、混合罚函数法、复合形法等，它们对初值的依赖性较强，在选用时应注意参数先验信息的确定，因而需要有一定的工程经验。否则，需采用以下的优化反演分析方法。 2.4 人工神经网络法 人工神经网络法对人类大脑的一种物理结构上的模拟，通过网络训练，调整网络内部权1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20040610095）的资助。
沥青混合料粘弹塑性本构模型的实验研究沥青混凝土路面是近年来高速公路广泛采用的一种结构形式,随着公路运输量日益增长和运输向重型方向发展,路面破坏日趋严重。进行沥青混合料本构模型的研究,对掌握路面变形规律,预测路面结构永久变形大小,预防和抑制路面损害具有十分重要的意义。 文章针对沥青混合料单轴压缩、蠕变和恢复等力学特性,在实验基础上,结合理论和数值拟合分析,建立了沥青混合料不同形式的粘弹塑性本构模型,提出了模型参数确定方法,讨论了加载应力和环境温度对混合料力学行为的影响,并将模型预测结果与实验结果进行了比较,最后还初步分析了集料级配对沥青混合料力学行为的影响。主要内容包括:(1)提出并建立了沥青砂微分型粘弹塑性本构模型。 依据沥青砂蠕变特性,将总变形分解为粘弹性、粘塑性二种分量,采用Burgers模型描述粘弹性变形,采用滑块与粘壶并联模型描述粘塑性变形,然后加以组合,提出了基于二变形分量的粘弹塑性本构模型;进一步细分,将总变形分解为粘弹性、粘塑性和弹塑性三种分量,分别采用不同子模型描述上述分量,然后组合这些子模型,提出了基于三变形分量的粘弹塑性本构模型。基于较优模型,利用实验数据建立了参数与环境温度和加载应力的函数表达式,通过模型预测与实验结果的比较,证实模型可以较好地描述沥青砂三个蠕变阶段的变形特点。 (2)提出并建立了沥青砂、沥青混合料积分型粘弹塑性本构模型。将总变形分解为粘弹性和粘塑性变形,分别采用Schapery非线性模型描述粘弹性变形,采用Uzan模型描述粘塑形变形,提出了改进的Schapery积分模型,建立了积分型的非线性粘弹塑性本构关系,提出了非线性参数的实验确定方法,分别采用蠕变回
滑坡计算参数反演分析的优化算法 1 引言 在滑坡稳定性计算和工程设计中，滑带土的粘聚力（C）和内摩擦角（?）取值正确与否至关重要。目前确定滑带土抗剪强度参数（C、?）值的方法有试验、工程类比和反演分析3种。滑带土剪切试验分为现场或室内两种，受试样和试验条件的限制，滑带土试验数据通常很离散，需要进行分析计算来确定。工程类比法在确定滑带土的抗剪强度参数时具有很强的主观性，在确定类比指标时又受到类比滑坡客观条件的限制。反演分析是确定滑带土抗剪强度参数的一种有效的方法，根据滑坡的宏观变形状况假设滑坡的稳定性系数，再反算滑带土抗剪强度参数。反算是滑坡稳定性计算的逆过程，得到的参数更符合滑坡的变形情况，参数可以作为试验数据选取的参考，若没有试验数据时，可以直接作为稳定性计算、工程设计的参数。 目前，滑带土抗剪强度参数反演分析的方法分为单参数反演和双参数反演两种。前者假定一个参数已知的前提下，反算另外一个参数，通常选择对滑坡稳定性影响较敏感的作为未知参数。后者在反演中有两个未知的参数，通常选择两个距主滑动面等距的剖面建立极限平衡方程求解。本文以三峡库区太山庙滑坡为例，在C、?值未知的情况下，综合采用经验类比和反演分析方法确定滑带土的抗剪强度参数，分析时兼顾了滑坡的区域相似性和个体特性，所得到的结果更为准确、可靠。 2 滑坡概况 欧家湾滑坡位于奉节县白帝镇坪上村2、3组，长江支流石马河左岸，属于三峡库区三期专业监测崩塌滑坡灾害点。滑坡无详细的勘察资料，仅在监测设计阶段做了地面调查。 滑坡自然坡角约25~40°，滑坡前缘临近石马河处零星分布石马河一级阶地，滑坡区属低山丘陵剥蚀地貌。滑坡体的主滑方向为5°，平面形态呈箕形，由后缘向前缘逐渐变宽，滑坡东西宽约350~400m，南北向主轴长约420m。后缘高程约325m，前缘高程约170m，左侧以山脊为界，右侧以冲沟为界，总变形规模约507×104m3。滑体主要由第四系碎块石土夹粘性土组成，滑床为巴东组第三段（T2b3）的泥灰岩，岩层产状为280°∠3°，为斜交坡，图1是滑坡的工程地质剖面图。 图1 欧家湾庙滑坡工程地质剖面图 Fig.1 The engineering geological profile of Oujiawan landslide 滑坡为老滑坡，滑坡区经过过去的剧烈滑动后，在改变了当时的地形地貌后形成了现今的老滑坡体地形。经对现场的调查踏勘发现，滑坡体上树木歪斜，现仍有滑移变形产生。在滑坡中部多户民房附近，近年每逢雨季都有蠕动滑移。从地表调查和发展趋势上看，目前该滑坡处于不稳定状态。 3 滑带土抗剪强度参数统计 对三峡库区二期崩塌滑坡治理工程和三期规前勘（调）察中的崩塌滑坡点的勘察试验资料进行分类统计，得到本区滑带土抗剪强度参数值，可以用于验证和优化反演得到的参数。经统计得到适合该滑坡的抗剪强度参数分布函数如表1，图2是滑带抗剪强度参数统计直方图。 表1 T2b1和T2b3滑带土的抗剪强度参数统计表 Table 1 The shear strength parameters statistic table of sliding zone of T2b1 and T2b3 strata
第二部分弹塑性问题的有限元法 第四章弹塑性体的本构理论 第五章弹塑性体的有限元法 第四章弹塑性体的本构理论 4-1塑性力学的基本内容和地位 塑性力学是有三大部分组成的：1) 塑性本构理论，研究弹塑性体的应力和应变之间的关系；2) 极限分析，研究刚塑性体的应力变形场，包括滑移线理论和上下限法；3) 安定分析，研究弹塑性体在低周交变载荷作用下结构的安定性问题。 塑性力学虽然是建立在实验和假设基础之上的，但其理论本身是优美的，甚至能够以公理化的方法来建立整个塑性力学体系。 塑性力学是最简单的材料非线性学科，有很多其它更复杂的学科，如损伤力学、粘塑性力学等，都是借用塑性本构理论体系而发展起来的。 4-2关于材料性质和变形特性的假定 材料性质的假定 1)材料是连续介质，即材料内部无细观缺陷； 2)非粘性的，即在本构关系中，没有时间效应； 3)材料具有无限韧性，即具有无限变形的可能，不会出现断裂。 常常根据材料在单向应力状态下的σ-ε曲线，将弹塑性材料作以下分类： 硬化弹塑性材料 理想弹塑性材料
弹塑性本构理论研究的是前三种类型的材料，但要注意对于应变软化材料，经典弹塑性理论尚存在不少问题。 变形行为假定 1) 应力空间中存在一初始屈服面，当应力点位于屈服面以内时，应力和应变增量的是线性的；只有当应力点达到屈服面时，材料才可能开始出现屈服，即开始产生塑性变形。因此初始屈服面界定了首次屈服的应力组合，可表示为 ()00=σf (1) 2) 随着塑性变形的产生和积累，屈服面可能在应力空间中发生变化而产生后继屈服面，也称作加载面。对于硬化材料加载面随着塑性变形的积累将不断扩张，对于理想弹塑性材料加载面就是初始屈服面，它始终保持不变，对于软化材料随着塑性变形的积累加载面将不断收缩。因此加载面实际上界定了曾经发生过屈服的物质点的弹性范围，当该点的应力位于加载面之内变化时，不会产生新的塑性变形，应力增量与应变增量的关系是线性的。只有当应力点再次达到该加载面时，才可能产生新的塑性变形。 软化弹塑性材料 刚塑性材料
2003年12月 Rock and Soil Mechanics Dec. 2003 收稿日期：2002-04-25 基金项目：国家自然科学基金项目(编号：50279051)，国家重点基础研究发展规划项目(编号：2002CB412702)和中科院武汉岩土力学研究所领域前沿 基金项目(编号：Q110215)资助。 作者简介：邓建辉，男，1965年生，博士，研究员，现主要从事滑坡灾害机制及其预测控制技术研究工作。 文章编号：1000－7598－(2003) 06―0896―05 基于强度折减概念的滑坡稳定性三维分析方法(I)： 滑带土抗剪强度参数反演分析 邓建辉，魏进兵，闵 弘 （中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学重点实验室， 湖北 武汉 430071） 摘 要：滑带土抗剪强度是滑坡稳定性分析和防治工程设计中十分重要而又难于确定的参数之一。因此，基于临界状态假定的二维反分析方法得到了广泛应用。但是，自然界发生的滑坡基本上呈三维形态，其主滑方向有时变化也较大，使得有必要研究一种滑带土抗剪强度的三维反分析方法和滑坡稳定性的三维评价方法。笔者建议了一种基于强度折减概念的滑带土抗剪强度反分析方法，即通过逐步折减滑动面的强度参数，使滑动面的塑性区完全贯通，此时，塌滑体处于极限状态，所用强度参数即为滑带土的平均抗剪强度参数。从洪家渡水电站１＃塌滑体计算成果来看，反演的滑带土摩擦角较二维反演值低４．１°，反映了滑坡体的三维效应，验证了所建议方法的可行性。 关 键 词：滑坡；滑带土；抗剪强度；反分析；强度折减法 中图分类号：TU 457 文献标识码：A 3D stability analysis of landslides based on strength reduction (I): Back analysis for the shear strength of slip soils DENG Jian-hui, WEI Jin-bin, MIN Hong ( Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China ) Abstract: The shear strength of slip soils is one of the prominent, but hard to be determined parameter in the stability analysis and control design of landslides, so 2-dimensional back analysis method is extensively used, which is based on the critical state assumption of slides. However, basically all the landslides are 3 dimensional in shape, and their major sliding direction changes drastically in some cases, thus making it necessary to develop a method for the 3D back analysis of slip soil strength and for the 3D stability analysis of the slide. A back analysis method, which is based on the strength reduction technique, is proposed. That is, the shear strength is obtained by gradually reducing the strength parameters to make the whole slip surface into plastic state (critical state). A case history, the No.1 landslide of Hongjiadu Hydroelectric Project, is examined by the method, with back-analyzed friction angle 4.1° lower than that from 2D analysis. 3D effect of the landslide is demonstrated and the method is thus proved feasible. Key words: landslide; slip soil; shear strength; back analysis; strength reduction technique 1 前 言 滑带土的抗剪强度是滑坡稳定性分析和防治工程设计中十分重要而又难于确定的参数之一，其取值方法大致有三类[1]：一是根据现场及室内试验资料，结合滑带土的地质条件和物理特征选取；二是根据滑带土强度参数和物理性质的经验关系进行估算；三是假定滑坡体的状态，利用极限平衡法进行 抗剪强度反演。滑带土一般为碎石土，即使是取原状样进行室内直剪或三轴剪切试验，由于试样尺寸较小，试验结果也不具代表性。较为可靠的方法是直接使用现场大型直剪试验成果[2]。但应指出，直剪试验也存在受力不均匀，难以测量剪切面的孔隙水压力变化过程，现场加载过程无法进行伺服控制，试验经费较高等缺陷，以致大量的勘察报告没有提供这类试验成果，或者试验成果的离散性较大，从
降雨型堆积层滑坡抗剪强度参数反演分析 陈骏峰 （华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉 430074） 摘 要：在研究实例工程滑坡约束条件和某一确定计算状态的基础上，利用极限平衡理论方法对滑坡的滑带土进行了计算参数反分析，获得了土层有效应力抗剪强度参数。研究表明：计算参数c(黏聚力)，φ(摩擦角) 值的反分析存在解的非唯一性，只有确定了边坡的临界状态并选定相应的评估指标后，才有可能获得准确结果；反分析得到的滑带土c，φ值与临界状态的滑带赋存条件相对应，当进行其他工况的稳定分析及工程设计时，应根据经验及工程类比结果进行折减。 关键词：堆积层滑坡；强度参数；反分析 中图分类号：TU443文献标识码：A文章编号：1672-7037(2008)04-0249-04 滑坡是一种严重的岩土体失稳现象，是发生 频率最高、危害最大的灾种之一，常给人类生命财产带来重大威胁。 堆积层滑坡是滑坡的一种基本类型，是指第四系地层中除黄土、粘土以及其它软土层以外的松散堆积层(包括人工堆积物)的滑坡，而且重点是指河谷两岸缓坡地带的坡积、洪积成因的堆积层滑坡，它具有与很多其他类型滑坡不同的特点，在我国滑坡类型中占有很大的比例。堆积层边坡的失稳绝大多数是由降雨或地下水位的变化而引起的[1]。这是目前滑坡灾害预测与防治领域亟待研究与解决的难点与关键问题。 边(滑)坡滑带土的黏聚力(c)和内摩擦角(φ)等力学计算参数的取值正确与否，会直接影响到边坡的稳定计算和工程设计。目前确定c，φ值的方法有试验、工程类比和反分析3种。试验是确定滑带土计算参数的途径之一，但c，φ值需通过大量试验才能得出，此外，试样的失真、滑带土的非均匀性、试验误差和试验结果的多样性等，也会给试验成果的选用带来识别上的很大困难。工程类比法是一种经验估算方法，由于滑坡的成因、结构条件、边界条件、土体性质及研究者的经验等存在一定的差异，工程类比法也不可能准确地得出滑带土的计算参数。有鉴于此, 各国学者广泛采用现场监测和反分析相结合的方法来确定地层参数[2~5]。下面结合工程实例，对降雨型堆积层滑坡抗剪强度参数反演分析进行讨论。1抗剪强度参数反演分析方法 1.1土体边坡计算参数反分析的定义 边坡反分析就是先根据确定的边界条件和特定工况状态下的稳定状态评估指标建立数学模型，然后利用此模型反演边坡土体的计算参数c，φ值。由于反分析c，φ是通过1个方程来求解2个未知参数，因而，其解具有不确定性。一般情况下，采用反分析方法时需结合试验、经验或敏感性分析等方法才能确定出参数的取值。 1.2反分析过程 1.2.1建模 反分析建模常用的方法是极限平衡分析法。极限平衡分析法的基本假定是：土体为理想刚塑性材料；加荷过程中土体不发生任何变形;达到极限平衡状态时土体将沿某破裂面发生剪切变形。 工程上最常用的平面极限平衡计算方法为条分法。在条分法中，稳定状态评估指标(稳定系数)K的表达式为 11 n n i i i i K E T == =∑∑(1) 式中，∑ = n i i E 1 为阻滑力(或力矩)；∑ = n i i T 1 为下阻滑 力(或力矩)。 1.2.2确定反分析的状态及稳定状态评估指标 在反分析中强调“状态”概念是十分重要的， 收稿日期：2008-08-30 作者简介：陈骏峰（1974-），男，湖北仙桃人，博士研究生，研究方向为结构工程，junfengc@https://www.doczj.com/doc/d510364939.html,。
滑坡勘查工作——计算部分 一、滑坡滑带参数反演 滑带岩土抗剪强度参数的反算法目前应用很广。它是通过已知稳定系数及滑面等条件情况下反算滑面的岩土抗剪强度参数。显然，当计算的前提十分清晰和准确时，反算的结果是准确的。这种情况下可以反算参数为主，确定滑带抗剪强度。但有些情况下，获得的计算前提并不十分清晰和准确，因而反算结果可信度也低，通常也只作为校验之用。 《滑坡防治工程勘查规范》规定： 12.3.1 滑带抗剪强度参数的反演宜限于中、小型规模，且结构简单的滑坡。 12.3.2 滑带抗剪强度参数可采用试验、经验数据类比与反演相结合的方法确定。可给定粘聚力c 或内摩擦角φ，反求另一值。可采用如下公式进行反演： sin tan cos i i i i F W W c L αφα-= ∑∑ (1-1) sin arctan cos i i i i F W cL W αφα -=∑∑ (1-2) 以上式(1-1)有两个未知量，稳定系数F 和假设的φ值；式(1-2)有两个未知量，稳定系数F 和假设的c 值；未知量根据以下规范要求的方法来确定。 12.3.3 一般条件下，稳定系数F 可根据下列情况确定： 滑坡处于整体暂时稳定～变形状态：F =1.00～1.05； 滑坡处于滑动～整体变形状态：F =0.95～1.00。 12.3.4 滑坡假设的滑带抗剪强度参数指标的选取应结合滑坡变形滑动阶段和试验方法综合考虑。可参照表11取值(当反算c 值时，假定的φ值根据表11不同的条件来取滑带土峰值强度、滑带土残余强度或滑体土峰值强度)。 表11 滑带抗剪强度指标取值建议表
c 、φ反算的计算表格参考Excel 工作表3。 根据反算值与实验值进行对比综合取值，为稳定性评价与滑坡推力计算提供依据。 二、滑坡稳定性评价 《滑坡防治工程勘查规范》规定： 12.4.4 滑坡稳定性评价和推力计算公式采用如下方法： 1、滑动面为圆弧形土质滑坡： 根据《滑坡防治工程勘查规范》（DZ/T 0218—2006）的相关要求并结合该滑坡次级滑面的特点，采用圆弧法对石包田湾滑坡次级剪出进行定量分析计算评价。并在以上定量评价基础上评价滑坡最不利条件下的稳定性及剩余下滑力。 圆弧法的计算公式如下： a 、滑坡的稳定性计算 滑坡的稳定系数计算公式如下： ()()() ()() 1 1 11 cos sin tan sin cos n i i i wi Di i i i i f n i i i Di i W A N R c L K W A T α αφα α-=-=---+= ++∑∑ 式中： i W ——第i 条块的重量(kN/m )； i c ——第i 条块的内聚力(kPa )； i φ——第i 条块的内摩擦角(°)；