極端冰雪作用下邊坡極限狀態(tài)分析與理論研究

本書系統(tǒng)地分析了極端冰雪災(zāi)害條件下發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵問題，以邊坡為例進(jìn)行了說明。首先，本書針對極端冰雪災(zāi)害條件下土體凍深的計(jì)算方法進(jìn)行了深入研究，針對凍土水熱耦合計(jì)算中出現(xiàn)的迭代振蕩、數(shù)值彌散或參數(shù)擬合不收斂現(xiàn)象做了算法改進(jìn)，開發(fā)了相應(yīng)的有限元程序，加快了迭代收斂速度。其次，本書分析了極端冰雪災(zāi)害條件下影響邊坡穩(wěn)定的因素，針對主要影響因素進(jìn)行荷載組合，進(jìn)而進(jìn)行可靠度計(jì)算，得出了最不利的工況組合。再次，本書對極端冰雪災(zāi)害條件下的邊坡設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期進(jìn)行了研究，確定了不同等級邊坡的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，并對相關(guān)問題進(jìn)行了研究。最后，本書針對極端冰雪災(zāi)害條件下邊坡的荷載分項(xiàng)系數(shù)和抗力分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行了研究，并編制了相應(yīng)的程序優(yōu)化了分項(xiàng)系數(shù)。
本書可供水利、地質(zhì)工程專業(yè)設(shè)計(jì)和技術(shù)人員以及高?？蒲泄ぷ髡唛喿x和參考。

本書在圍繞極端冰雪災(zāi)害條件下邊坡工程的可靠度計(jì)算、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的確定、分項(xiàng)系數(shù)的計(jì)算等三個方面進(jìn)行了討論。本書的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下： （1）提出了基于正交試驗(yàn)的剛體極限平衡法來確定邊坡穩(wěn)定極限狀態(tài)方程的計(jì)算方法。 （2）提出了極端冰雪作用下土體凍深計(jì)算的水熱耦合雙層迭代方法并開發(fā)了相應(yīng)的有限元程序。 （3）基于目標(biāo)可靠指標(biāo)和作用參數(shù)的研究，提出了極端冰雪作用下既有邊坡工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的確定方法。 （4）提出了冰雪作用下邊坡穩(wěn)定抗力分項(xiàng)系數(shù)和可變作用分項(xiàng)系數(shù)的計(jì)算方法。

隨著全球氣候變暖和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對自然環(huán)境的消極影響逐漸加劇，各種災(zāi)害異常頻發(fā)，中國成為世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，頻發(fā)的自然災(zāi)害直接影響著國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。2008年初發(fā)生在南方地區(qū)的極端冰雪災(zāi)害，對鐵路、公路、港口、礦山、電力、水利水電等重大生命線工程造成了巨大損失，同時(shí)也暴露了南方地區(qū)在應(yīng)對極端冰雪災(zāi)害能力的不足和研究上的缺失。為了更好地應(yīng)對極端冰雪誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害威脅，我們開展了對極端冰雪災(zāi)害條件下工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和分項(xiàng)系數(shù)的研究，為南方地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的防御和規(guī)范的修訂提供建議和參考。
本書圍繞極端冰雪災(zāi)害條件，對邊坡工程的可靠度計(jì)算、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的確定、分項(xiàng)系數(shù)的計(jì)算三個方面進(jìn)行了討論。本書的主要特點(diǎn)如下：
① 提出了基于正交試驗(yàn)的剛體極限平衡法來確定邊坡穩(wěn)定極限狀態(tài)方程的計(jì)算方法。運(yùn)用JC法進(jìn)行可靠度分析，有效解決了極限狀態(tài)方程隱含極端冰雪作用下邊坡穩(wěn)定的可靠度分析關(guān)鍵問題。
② 提出了極端冰雪作用下土體凍深計(jì)算的水熱耦合雙層迭代方法并開發(fā)了相應(yīng)的有限元程序。對Harlan最早提出的凍土水熱耦合模型有限元計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了未凍土體積含水量對溫度導(dǎo)數(shù)的計(jì)算方法，克服凍土溫度場-滲流場耦合計(jì)算中數(shù)值彌散或參數(shù)擬合不收斂的現(xiàn)象，加快了迭代收斂速度。
③ 基于目標(biāo)可靠指標(biāo)和作用參數(shù)的研究，提出了極端冰雪作用下既有邊坡工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的確定方法。根據(jù)可靠指標(biāo)分級的原則，將極端冰雪作用下既有邊坡工程的目標(biāo)可靠指標(biāo)取值相應(yīng)提高0.5，并對不同安全等級的邊坡初步設(shè)定了不同的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期。
④ 提出了冰雪作用下邊坡穩(wěn)定抗力分項(xiàng)系數(shù)和可變作用分項(xiàng)系數(shù)的計(jì)算方法。在保證結(jié)構(gòu)可靠度的前提下，以規(guī)范規(guī)定的永久作用和可變作用分項(xiàng)系數(shù)取值為基礎(chǔ)，以結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)達(dá)到的目標(biāo)可靠指標(biāo)為基準(zhǔn)，根據(jù)幾種荷載效應(yīng)組合依次設(shè)定不同參數(shù)值，通過可靠度計(jì)算求得不同設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的分項(xiàng)系數(shù)值。
本書是對南方地區(qū)地質(zhì)工程規(guī)范修改的一次初探，為南方地區(qū)工程設(shè)計(jì)、施工技術(shù)人員提供理論借鑒，為南方地區(qū)極端冰雪災(zāi)害條件下防御工作和規(guī)范的修訂提供參考。
由于水平有限，書中的疏漏之處在所難免，懇請廣大讀者和同行不吝指正。

著者

第1章　極端冰雪作用下邊坡極限狀態(tài)研究概述	001
1.1 研究背景及意義	001
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀	002
1.2.1 極端冰雪災(zāi)害資料分析	002
1.2.2 極端冰雪災(zāi)害條件下邊坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀	004
1.2.3 凍土水、熱耦合機(jī)理研究	006
1.2.4 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的合理性	009
1.2.5 可靠度研究現(xiàn)狀	011
1.2.6 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期研究綜述	014
1.2.7 分項(xiàng)系數(shù)研究綜述	015

第2章 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法	021
2.1 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法	023
2.1.1 結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)原理	023
2.1.2 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則	025
2.2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期	026
2.2.1 關(guān)于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期定義的討論	026
2.2.2 確定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的思路	028
2.3 基于可靠度的設(shè)計(jì)方法	029
2.3.1 一次二階矩法	031
2.3.2 正交試驗(yàn)法	035
2.3.3 基于正交試驗(yàn)的JC法	037
2.4 分項(xiàng)系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法	043
2.4.1 分項(xiàng)系數(shù)發(fā)展歷史	044
2.4.2 分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式	045
2.4.3 分項(xiàng)系數(shù)的確定方法	047

第3章 極端冰雪災(zāi)害條件下土體凍深計(jì)算研究	051
3.1 滲流場及溫度場耦合基本理論	052
3.1.1 水分遷移理論	052
3.1.2 熱傳導(dǎo)問題	053
3.1.3 有限元離散	056
3.1.4 程序流程圖	059
3.1.5 算例驗(yàn)證	061
3.2 算法改進(jìn)	066
3.2.1 改進(jìn)思路	067
3.2.2 算例驗(yàn)證	072

第4章 極端冰雪災(zāi)害對邊坡穩(wěn)定影響分析研究	080
4.1 計(jì)算方法原理	080
4.2 極端冰雪災(zāi)害條件下影響邊坡穩(wěn)定因素	082
4.2.1 雪荷載	083
4.2.2 融雪水荷載	084
4.2.3 凍脹力	086
4.3 極端冰雪災(zāi)害條件下邊坡可靠度分析	088
4.3.1 計(jì)算模型	089
4.3.2 擬定荷載組合	089
4.3.3 隨機(jī)變量的選用	090
4.3.4 各工況下邊坡可靠度指標(biāo)計(jì)算	091
4.3.5 計(jì)算結(jié)果分析	099

第5章 極端冰雪條件下既有邊坡設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期研究	102
5.1 目標(biāo)可靠指標(biāo)	102
5.1.1 目標(biāo)可靠指標(biāo)的表示	102
5.1.2 目標(biāo)可靠指標(biāo)的確定方法	103
5.2 極端冰雪災(zāi)害條件下邊坡設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期研究	109
5.3 不同設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期下敏度分析	110
5.3.1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載分布及統(tǒng)計(jì)參數(shù)	110
5.3.2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和可靠指標(biāo)的關(guān)系	112
5.3.3 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和抗力關(guān)系	114

第6章 冰雪作用下邊坡穩(wěn)定極限狀態(tài)分項(xiàng)系數(shù)研究	117
6.1 分項(xiàng)系數(shù)確定的原則	118
6.2 分項(xiàng)系數(shù)的確定方法	120
6.2.1 基本假定	120
6.2.2 映射變換	121
6.2.3 抗力均值(R	123
6.3 荷載和荷載效應(yīng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析	125
6.3.1 荷載效應(yīng)比	125
6.3.2 荷載均值系數(shù)	126
6.3.3 永久荷載統(tǒng)計(jì)參數(shù)	126
6.3.4 可變荷載統(tǒng)計(jì)參數(shù)	127
6.4 抗力分項(xiàng)系數(shù)的研究	131
6.4.1 抗力分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算公式	131
6.4.2 抗力分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算步驟	134
6.4.3 抗力分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算結(jié)果及分析	138
6.5 可變荷載分項(xiàng)系數(shù)的研究	146
6.5.1 可變荷載分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算公式	146
6.5.2 可變荷載分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算步驟	147
6.5.3 可變荷載分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算結(jié)果及分析	149
6.6 分項(xiàng)系數(shù)的優(yōu)化	159

參考文獻(xiàn)	167