斜坡失穩(wěn)的非線性過程與物理預(yù)報(bào)講義講稿

斜坡失穩(wěn)的非線性過程與物理預(yù)報(bào)常用穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法方法：1、工程地質(zhì)類比法2、數(shù)值方法3、剛體極限平衡方法評(píng)價(jià)：1、數(shù)值方法：用于評(píng)價(jià)斜坡演化規(guī)律性，定量使用，定性評(píng)價(jià)，存在許多問題；2、極限平衡法：（1）不能考慮斜坡的滑動(dòng)位移；（2）不能解釋安全系數(shù)<1的斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，而>1的發(fā)生了滑坡這樣的事實(shí)；（3）不能回答在暴雨條件下，即使兩個(gè)斜坡的各種條件相同或相近，為何一個(gè)發(fā)生了滑坡，而另一個(gè)處于穩(wěn)定狀態(tài)的問題。結(jié)論：

以上方法不能反映在失穩(wěn)時(shí)的滑坡不連續(xù)行為，評(píng)價(jià)結(jié)論常帶有主觀人為性。

需要發(fā)展新的穩(wěn)定性分析方法。

對(duì)水的作用認(rèn)識(shí)物理作用：靜水壓力，動(dòng)水壓力；降低力學(xué)參數(shù)?；瘜W(xué)腐蝕作用。有沒有新的作用？水的本質(zhì)作用是什么？常用滑坡預(yù)報(bào)方法經(jīng)驗(yàn)方法統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)

缺乏物理基礎(chǔ)，不僅所用參數(shù)的物理意義不明確，而且預(yù)報(bào)結(jié)果與選用不同蠕變階段的數(shù)據(jù)有關(guān)，常帶有很大的主觀隨意性。正如Rat指出的：統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法一般是很不可靠的，常常是有“詭計(jì)”的。成功之路：

滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)研究要取得重大進(jìn)展，必須從統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)向物理預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)指標(biāo)的選擇常用位移或位移速率

1、多大的位移或速率(降雨)可以表明發(fā)生滑坡，因坡而易。2、其物理意義不明確。結(jié)論：

需要明確物理意義的新指標(biāo)。位移時(shí)間降雨對(duì)斜坡演化非線性特征的認(rèn)識(shí)對(duì)快速滑坡，存在從蠕變到突變的不連續(xù)行為；某些滑坡演化存在者混沌特征，滑坡預(yù)報(bào)必須有可預(yù)報(bào)時(shí)間尺度限制；是一種從無序到有序行為。斜坡演化過程混沌的研究以往的混沌研究是依據(jù)滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究未解決：

1、混沌產(chǎn)生的物理機(jī)制與模型？2、導(dǎo)致混沌的條件和道路是什么？3、混沌與哪些力學(xué)參數(shù)有關(guān)？滑動(dòng)過程的抗剪性能（巖橋）1、裂紋貫通，巖橋斷裂2、剪切階段：臺(tái)階型或鋸齒型滑面，滑動(dòng)、滾動(dòng)摩擦3、滑動(dòng)階段：受巖粉顆?？刂苿傮w極限平衡方法的適用性適用于滑動(dòng)面介質(zhì)為單一介質(zhì)；或適用于多種介質(zhì)同時(shí)達(dá)到峰值強(qiáng)度；而實(shí)際滑動(dòng)面可能由多種介質(zhì)組成，如彈脆性，彈塑性，應(yīng)變軟化，應(yīng)變硬化等。也不可能同時(shí)達(dá)到峰值強(qiáng)度。f1f2uf1f2u滑面由兩種介質(zhì)組成的平面滑動(dòng)斜坡斜坡平面滑動(dòng)失穩(wěn)——本構(gòu)模型滑動(dòng)面簡(jiǎn)化為兩種介質(zhì)；介質(zhì)1是彈脆性的或是應(yīng)變硬化的，介質(zhì)2是應(yīng)變軟化介質(zhì)。

介質(zhì)2介質(zhì)1θHuubu2位移uu1介質(zhì)2介質(zhì)1剪應(yīng)力圖2軟弱夾層兩種不同介質(zhì)的本構(gòu)曲線圖1斜坡平面滑動(dòng)失穩(wěn)的力學(xué)模型斜坡平面滑動(dòng)失穩(wěn)——本構(gòu)模型介質(zhì)1（彈脆性）本構(gòu)方程：

式中，ub為對(duì)應(yīng)于巖塊被剪斷時(shí)的臨界位移；u2是當(dāng)不規(guī)則的不連續(xù)面被磨平時(shí)的位移；Ge1和Ge2分別是對(duì)應(yīng)于u<ub和ubuu2的剪切模量。介質(zhì)2（應(yīng)變軟化）本構(gòu)方程用Weibull分布模式描述：式中，Gs是初始剪切模量；u0為平均應(yīng)變的測(cè)度；m稱為均勻性指標(biāo)。m越大，材料的均勻性及脆性程度越大，其應(yīng)變軟化性質(zhì)越明顯，我們也可稱m為脆性指標(biāo)。圖不同m值的應(yīng)變軟化介質(zhì)的本構(gòu)曲線

斜坡平面滑動(dòng)失穩(wěn)——突變模型失穩(wěn)必要條件：參數(shù)k為滑面介質(zhì)彈脆性區(qū)段的剛度ke=Gele/h與應(yīng)變軟化性質(zhì)區(qū)段介質(zhì)峰后剛度的絕對(duì)值ks=mGslsexp[-(m+1)/m]]/h之比，稱之為剛度比。位移u介質(zhì)2介質(zhì)1剪應(yīng)力在其它參數(shù)不變的情況下，k隨m的增大而減小。m值越大（剛度比越?。?，即材料的均勻性或脆性程度越高，越易引發(fā)突變。

斜坡平面滑動(dòng)失穩(wěn)——突變模型失穩(wěn)充要條件是分叉集方程滿足：bax路徑A

突變b2b1平衡曲面路徑BO1B′BA′A

分叉集

控制平面斜坡失穩(wěn)與剛度比k和材料均勻性指標(biāo)m有重要相關(guān)性。斜坡平面滑動(dòng)失穩(wěn)——水的新作用機(jī)制圖圍壓6.9Mpa時(shí)，孔隙水壓力對(duì)石灰?guī)r脆性——延性轉(zhuǎn)移的影響從圖看出，隨巖石含水量的增加，峰后曲線斜率變陡，峰后剛度增大，即m增大與剛度比k減小，這將易于發(fā)生突變發(fā)生滑坡。這說明水還有一種更重要的作用——增大材料均勻性（脆性）和降低剛度比的作用?？紫端畨毫?MPa)：6962.155.241.427.6013869變形差應(yīng)力(Mpa)失穩(wěn)有序的本質(zhì)!斜坡平面滑動(dòng)失穩(wěn)—分叉集與蠕變?nèi)A段時(shí)間t減速階段勻速階段加速階段蠕滑位移u失穩(wěn)b0b<0b>0abIII演化路徑斜坡平面滑動(dòng)失穩(wěn)——與剛體極限平衡法的比較斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)——安全系數(shù)快速滑坡臨界安全系數(shù)只與k和m有關(guān)臨界安全系數(shù)不是固定值1，例如當(dāng)k=0.2,m=1時(shí)，Kc>0.9<1也是穩(wěn)定的。斜坡平面滑動(dòng)失穩(wěn)——非線性動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)應(yīng)變軟化段介質(zhì)2，如果考慮其粘滯或蠕變屬性，可得到：vs圖考慮粘滯力的剪應(yīng)力模型失穩(wěn)判據(jù)：D=4a3+27b2=0該式是一個(gè)各參數(shù)具有明確意義的非線性動(dòng)力學(xué)模型或物理預(yù)報(bào)模型，只要根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定了各力學(xué)與幾何參數(shù)，就能對(duì)滑坡的變形規(guī)律作出預(yù)測(cè)。斜坡平面滑動(dòng)失穩(wěn)——非線性動(dòng)力學(xué)模型的反演1、因?yàn)閷?shí)測(cè)的序列為（u,t），所以必須把(x,t)序列轉(zhuǎn)換為（u,t）序列。2、反演方法可用我們提出的改進(jìn)Backus廣義線性反演理論求解。求解后，可算出a,b值，進(jìn)行預(yù)測(cè)。再根據(jù)D值的變化判斷斜坡的穩(wěn)定性。根據(jù)觀測(cè)位移數(shù)據(jù)可反演力學(xué)參數(shù)模型方法雞鳴寺滑坡——背景知識(shí)1991年6月29日凌晨，湖北省秭歸縣雞鳴寺發(fā)生了滑坡，體積60萬m3。由于滑坡預(yù)報(bào)及時(shí)準(zhǔn)確，避免了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。雞鳴寺滑坡為一人類活動(dòng)誘發(fā)的巖質(zhì)順層滑坡，滑坡體巖性為堅(jiān)硬石灰?guī)r夾軟弱泥質(zhì)灰?guī)r組成，巖層傾角基本與坡角一致，約為35。坡頂高程1296m，坡腳處采石場(chǎng)堆石平臺(tái)面高程250m，其中坡腳高程300-310m以下巖層被水泥廠開采。滑動(dòng)面為軟弱泥灰?guī)r夾層，在長(zhǎng)期采石爆破震動(dòng)和降雨的條件下，坡體開始變形。雞鳴餃寺滑品坡—蠅—地照質(zhì)剖茫面3555080160240320400480560640500200300400F4F2F1采石場(chǎng)滑坡體堆石高程(m)圖例:石灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r斷層水平距離(m)雞鳴吉寺滑淺坡剖寇面圖雞鳴司寺滑態(tài)坡—算—突鴨變特掃征值任D的韻變化圖8所雞疼鳴寺粘滑坡優(yōu)c4兇測(cè)點(diǎn)廚位移翻和值隨戚時(shí)間板的變寧化|D|值呼在等速巡壽蠕變類階段幣呈現(xiàn)艇比較寨穩(wěn)定侄的變標(biāo)化，變及幅（強(qiáng)|D|3.維27您）很彩小；灘在加鑰速蠕圖變階腎段開愿始后卵，|D|值陡增（增雁幅分錢別為灘：7錄1.仿48辟,懂28竄6.礦42部,組93積26奔）出篇現(xiàn)一較峰值壓點(diǎn)，決而后蚊迅速宣降低吸，在臨近弄失穩(wěn)鍵時(shí)，逮接近裙于零。我抽們可臺(tái)以根訪據(jù)這奸一特鳥殊現(xiàn)鈔象，棋判斷奶滑坡圓的發(fā)縫生。木城紛澗礦圖扇木督城澗鴨礦千嘴軍臺(tái)魄坑7抖41耽00社3工壞作面跳頂板伐沉降躁觀測(cè)箭記錄監(jiān)測(cè)叨數(shù)據(jù)訴無規(guī)守律性尤時(shí)，D值也膨有類蝴似規(guī)貌律。膏推薦D值可綠作為進(jìn)判別頑斜坡?lián)Q穩(wěn)定嚴(yán)性的源重要效指標(biāo)雞鳴臨寺滑枯坡—腹—根壟據(jù)位鐵移觀考測(cè)數(shù)模據(jù)反荷演力植學(xué)參臭數(shù)的炮方法根據(jù)奪反演役出的a和b值，四可估標(biāo)算m、k和的合揭理取嫩值范卻圍。舉下圖泄給出仍了k和隨m值的震變化繼?？闪憧闯龇颍琸的合汁理值長(zhǎng)范圍俱為0k0.楚82緊72，的合響理值蛇范圍欠為11.潑61昂，m的合泛理值曉范圍啦為0<m1.奮4。若考友慮最彩不利而的情出況，結(jié)即無囑鎖固荒段的加情況督（le=偏0，k=0飾，m=1戴.4陰，=1柿.5努82滾），夫并已繼知ls=階23算7.械6m職，u1=偏0.隔92柴8m迎，Wg=敵64抄15待20讀kN遇，h=0框.2仍m，=3貿(mào)5，則得厘到Gs=1中.1姻7M遇pa轟，=7擦.1言2810妹10肺Pa秀.s?？少?zèng)見滑億坡發(fā)笑生前絕，剪傲切模尚量參斧數(shù)非耕常低曠。簡(jiǎn)化數(shù)的物矩理預(yù)匠報(bào)模愧型1、窗簡(jiǎn)化臨的物申理預(yù)獸報(bào)模姐型：斜坡尼系統(tǒng)舅演化爛進(jìn)入皆了穩(wěn)呆定蠕股變階唱段，烏此時(shí)著有b0，摟得到摧：2、債分岔xx0x0剛度符比k寇=1邪是分紙岔點(diǎn)簡(jiǎn)化良的物煉理預(yù)儀報(bào)模貓型3、滲混沌你判別吃表達(dá)趟式在應(yīng)稻用式首（2趙8）絮時(shí)，油應(yīng)注揀意的單擺位（篩一般胞是P賊a.掏s）扮應(yīng)當(dāng)糖與物理答意義擠是：淹當(dāng)a<0飽（k<1賴），偉即系郊統(tǒng)有可做能失食穩(wěn)時(shí)涂，斜膜坡演跪化才繳可能響出現(xiàn)寄混沌，而虹對(duì)不歷可能瘦失穩(wěn)糊的斜媽坡，心不會(huì)稿出現(xiàn)畝混沌峽，這鴨說明青混沌色也是碼斜坡竹失穩(wěn)弄可能驅(qū)性的拐標(biāo)志芹。從沒上式舅還可誤看出呼，混搭沌能作否出膚現(xiàn)取宇決于妹應(yīng)變蒜軟化朵段的芒力學(xué)集參數(shù)戰(zhàn)（Gs，，m）與挖兩段乞不同揮介質(zhì)鎖的剛躍度比k，由旦斜坡耕系統(tǒng)添內(nèi)在披的物裂理力獄學(xué)性語質(zhì)所膨決定辭。如示果斜聰坡系盛統(tǒng)不彎具有拘混沌親特征朝，可暖進(jìn)行煤確定銀性的菜預(yù)報(bào)糟；反死之，柏預(yù)報(bào)點(diǎn)必有可預(yù)聯(lián)報(bào)時(shí)看間尺賽度的限勒制。顯然枯，m越大飯，k越小你，系甩統(tǒng)越攻易出晝現(xiàn)混貸沌。通向蓬混沌前之路翁是通騰過倍周黨期分東岔實(shí)現(xiàn)屠的。簡(jiǎn)化查的物基理預(yù)額報(bào)模春型4、畢預(yù)報(bào)芒模型見（只積適用經(jīng)