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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

作　者: 何巡军
导　师: 尹光志
学　校: 重庆大学
专　业: 工程力学
关键词: 岩质高边坡地震稳定性有限元强度折减法无限元时间序列
分类号: P642.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

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。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 边坡稳定性分析研究现状  11-14
    1.2.1 边坡静力稳定性研究现状  11-13
    1.2.2 边坡动力稳定性研究现状  13-14
  1.3 边坡变形的时间序列预测预报研究现状  14-16
  1.4 本文研究的主要内容和技术路线  16-17
    1.4.1 本文主要研究的内容  16
    1.4.2 采用的技术路线  16-17
  1.5 研究边坡工程地质概况  17-18
2 岩体弹塑性本构理论及边坡岩体试验  18-36
  2.1 岩体弹塑性本构关系  18-28
    2.1.1 岩体弹性本构关系  18-19
    2.1.2 岩体塑性本构关系  19-22
    2.1.3 岩土材料的塑性屈服破坏准则  22-26
    2.1.4 岩土材料的流动法则  26-27
    2.1.5 岩土材料的强化准则  27-28
  2.2 边坡岩石实验  28-34
    2.2.1 室内岩块实验  28-30
    2.2.2 现场岩体实验  30-31
    2.2.3 边坡岩石实验结果  31-34
  2.4 本章小结  34-36
3 高边坡极限平衡法稳定性分析  36-42
  3.1 极限平衡法基本原理  36-37
  3.2 几种常见的简化方法  37-39
    3.2.1 毕肖普（Bishop）法  37-38
    3.2.2 简布（Janbu）法  38
    3.2.3 Sarma 法  38-39
    3.2.4 地震力的考虑  39
  3.3 岩质高边坡极限平衡法稳定性分析  39-41
    3.3.1 模型的建立  39
    3.3.2 模型求解及结果分析  39-41
  3.4 本章小结  41-42
4 高边坡有限元强度折减法静力稳定性分析  42-52
  4.1 有限单元法基本原理  42-46
    4.1.1 一般弹性力学有限元格式  42-44
    4.1.2 弹塑性有限元格式  44-46
  4.2 有限元强度折减法  46-48
    4.2.1 强度折减法基本原理  46-47
    4.2.2 几种常见的失稳判据  47-48
  4.3 岩质高边坡有限元稳定性分析  48-51
    4.3.1 模型的建立  48-49
    4.3.2 不同失稳判据下的边坡安全系数比较分析  49-51
  4.4 本章小结  51-52
5 高边坡有限元-无限元动力稳定性分析  52-74
  5.1 无限元基本原理  52-58
    5.1.1 无限元的要素  53
    5.1.2 常规无限元坐标变换格式和位移函数  53-58
  5.2 动力有限元  58-59
    5.2.1 动力有限元  58
    5.2.2 瑞利阻尼系数的取值  58-59
  5.3 无限元边界的适用性和稳定性  59-63
    5.3.1 无限元边界的适用性  59-62
    5.3.2 有限元-无限元耦合解的稳定性  62-63
  5.4 高边坡有限元-无限元动力稳定性分析  63-73
    5.4.1 模型的建立  63-65
    5.4.2 动力计算结果分析  65-72
    5.4.3 动安全系数的计算  72-73
  5.5 本章小结  73-74
6 边坡深部位移监测及其时间序列建模与分析  74-88
  6.1 边坡深部位移监测  74-77
    6.1.1 监测仪器  74-75
    6.1.2 仪器安装及测试  75-76
    6.1.3 测试过程  76
    6.1.4 测试数据采集与整理分析  76-77
  6.2 时间序列基本原理  77-78
  6.3 常见时间序列基本模型  78-79
    6.3.1 AR 自回归模型  78
    6.3.2 MA 滑动平均模型  78-79
    6.3.3 ARMA 自回归滑动平均模型  79
  6.4 ARMA 模型的时域特性  79-81
    6.4.1 格林函数G_j  79-80
    6.4.2 可逆函数  80
    6.4.3 自相关函数  80-81
    6.4.4 偏相关函数 φ_(kk)  81
  6.5 边坡位移时间序列建模  81-85
    6.5.1 边坡变形数据采集  81-82
    6.5.2 边坡深部位移趋势拟合  82-83
    6.5.3 拟合误差x 的时间序列建模  83-85
    6.5.4 预测  85
  6.6 本章小结  85-88
7 结论和展望  88-90
  7.1 主要结论  88-89
  7.2 展望  89-90
致谢  90-92
参考文献  92-98
附录  98
  A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  98
  B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目情况  98

复杂岩质高边坡静动力稳定性与深部位移时间序列分析

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