斜坡失稳的非线性过程与物理预报讲义讲稿

斜坡失稳的非线性过程与物理预报常用稳定性评价方法方法：1、工程地质类比法2、数值方法3、刚体极限平衡方法评价：1、数值方法：用于评价斜坡演化规律性，定量使用，定性评价，存在许多问题；2、极限平衡法：（1）不能考虑斜坡的滑动位移；（2）不能解释安全系数<1的斜坡处于稳定状态，而>1的发生了滑坡这样的事实；（3）不能回答在暴雨条件下，即使两个斜坡的各种条件相同或相近，为何一个发生了滑坡，而另一个处于稳定状态的问题。结论：

以上方法不能反映在失稳时的滑坡不连续行为，评价结论常带有主观人为性。

需要发展新的稳定性分析方法。

对水的作用认识物理作用：静水压力，动水压力；降低力学参数。化学腐蚀作用。有没有新的作用？水的本质作用是什么？常用滑坡预报方法经验方法统计预报

缺乏物理基础，不仅所用参数的物理意义不明确，而且预报结果与选用不同蠕变阶段的数据有关，常带有很大的主观随意性。正如Rat指出的：统计预报方法一般是很不可靠的，常常是有“诡计”的。成功之路：

滑坡时间预报研究要取得重大进展，必须从统计预报转向物理预报。预报指标的选择常用位移或位移速率

1、多大的位移或速率(降雨)可以表明发生滑坡，因坡而易。2、其物理意义不明确。结论：

需要明确物理意义的新指标。位移时间降雨对斜坡演化非线性特征的认识对快速滑坡，存在从蠕变到突变的不连续行为；某些滑坡演化存在者混沌特征，滑坡预报必须有可预报时间尺度限制；是一种从无序到有序行为。斜坡演化过程混沌的研究以往的混沌研究是依据滑坡监测数据，进行统计研究未解决：

1、混沌产生的物理机制与模型？2、导致混沌的条件和道路是什么？3、混沌与哪些力学参数有关？滑动过程的抗剪性能（岩桥）1、裂纹贯通，岩桥断裂2、剪切阶段：台阶型或锯齿型滑面，滑动、滚动摩擦3、滑动阶段：受岩粉颗粒控制刚体极限平衡方法的适用性适用于滑动面介质为单一介质；或适用于多种介质同时达到峰值强度；而实际滑动面可能由多种介质组成，如弹脆性，弹塑性，应变软化，应变硬化等。也不可能同时达到峰值强度。f1f2uf1f2u滑面由两种介质组成的平面滑动斜坡斜坡平面滑动失稳——本构模型滑动面简化为两种介质；介质1是弹脆性的或是应变硬化的，介质2是应变软化介质。

介质2介质1θHuubu2位移uu1介质2介质1剪应力图2软弱夹层两种不同介质的本构曲线图1斜坡平面滑动失稳的力学模型斜坡平面滑动失稳——本构模型介质1（弹脆性）本构方程：

式中，ub为对应于岩块被剪断时的临界位移；u2是当不规则的不连续面被磨平时的位移；Ge1和Ge2分别是对应于u<ub和ubuu2的剪切模量。介质2（应变软化）本构方程用Weibull分布模式描述：式中，Gs是初始剪切模量；u0为平均应变的测度；m称为均匀性指标。m越大，材料的均匀性及脆性程度越大，其应变软化性质越明显，我们也可称m为脆性指标。图不同m值的应变软化介质的本构曲线

斜坡平面滑动失稳——突变模型失稳必要条件：参数k为滑面介质弹脆性区段的刚度ke=Gele/h与应变软化性质区段介质峰后刚度的绝对值ks=mGslsexp[-(m+1)/m]]/h之比，称之为刚度比。位移u介质2介质1剪应力在其它参数不变的情况下，k随m的增大而减小。m值越大（刚度比越小），即材料的均匀性或脆性程度越高，越易引发突变。

斜坡平面滑动失稳——突变模型失稳充要条件是分叉集方程满足：bax路径A

突变b2b1平衡曲面路径BO1B´BA´A

分叉集

控制平面斜坡失稳与刚度比k和材料均匀性指标m有重要相关性。斜坡平面滑动失稳——水的新作用机制图围压6.9Mpa时，孔隙水压力对石灰岩脆性——延性转移的影响从图看出，随岩石含水量的增加，峰后曲线斜率变陡，峰后刚度增大，即m增大与刚度比k减小，这将易于发生突变发生滑坡。这说明水还有一种更重要的作用——增大材料均匀性（脆性）和降低刚度比的作用。孔隙水压力(MPa)：6962.155.241.427.6013869变形差应力(Mpa)失稳有序的本质!斜坡平面滑动失稳—分叉集与蠕变三阶段时间t减速阶段匀速阶段加速阶段蠕滑位移u失稳b0b<0b>0abIII演化路径斜坡平面滑动失稳——与刚体极限平衡法的比较斜坡稳定性评价——安全系数快速滑坡临界安全系数只与k和m有关临界安全系数不是固定值1，例如当k=0.2,m=1时，Kc>0.9<1也是稳定的。斜坡平面滑动失稳——非线性动力学模型

对应变软化段介质2，如果考虑其粘滞或蠕变属性，可得到：vs图考虑粘滞力的剪应力模型失稳判据：D=4a3+27b2=0该式是一个各参数具有明确意义的非线性动力学模型或物理预报模型，只要根据室内实验和现场调查确定了各力学与几何参数，就能对滑坡的变形规律作出预测。斜坡平面滑动失稳——非线性动力学模型的反演1、因为实测的序列为（u,t），所以必须把(x,t)序列转换为（u,t）序列。2、反演方法可用我们提出的改进Backus广义线性反演理论求解。求解后，可算出a,b值，进行预测。再根据D值的变化判断斜坡的稳定性。根据观测位移数据可反演力学参数模型方法鸡鸣寺滑坡——背景知识1991年6月29日凌晨，湖北省秭归县鸡鸣寺发生了滑坡，体积60万m3。由于滑坡预报及时准确，避免了重大的人员伤亡和财产损失。鸡鸣寺滑坡为一人类活动诱发的岩质顺层滑坡，滑坡体岩性为坚硬石灰岩夹软弱泥质灰岩组成，岩层倾角基本与坡角一致，约为35。坡顶高程1296m，坡脚处采石场堆石平台面高程250m，其中坡脚高程300-310m以下岩层被水泥厂开采。滑动面为软弱泥灰岩夹层，在长期采石爆破震动和降雨的条件下，坡体开始变形。鸡鸣饺寺滑品坡—蝇—地照质剖茫面3555080160240320400480560640500200300400F4F2F1采石场滑坡体堆石高程(m)图例:石灰岩夹泥质灰岩断层水平距离(m)鸡鸣吉寺滑浅坡剖寇面图鸡鸣司寺滑态坡—算—突鸭变特扫征值任D的韵变化图8所鸡疼鸣寺粘滑坡优c4凶测点厨位移翻和值随戚时间板的变宁化|D|值呼在等速巡寿蠕变类阶段币呈现艇比较寨稳定侄的变标化，变及幅（强|D|3.维27您）很彩小；滩在加钥速蠕图变阶肾段开愿始后卵，|D|值陡增（增雁幅分钱别为滩：7录1.仿48辟,懂28窜6.矿42部,组93积26奔）出篇现一较峰值压点，决而后蚊迅速宣降低吸，在临近弄失稳键时，逮接近裙于零。我抽们可台以根访据这奸一特鸟殊现钞象，棋判断奶滑坡圆的发缝生。木城纷涧矿图扇木督城涧鸭矿千嘴军台魄坑7抖41耽00社3工坏作面跳顶板伐沉降躁观测箭记录监测叨数据诉无规守律性尤时，D值也膨有类蝴似规貌律。膏推荐D值可绿作为进判别顽斜坡换稳定严性的源重要效指标鸡鸣临寺滑枯坡—腹—根垄据位铁移观考测数模据反荷演力植学参臭数的炮方法根据夺反演役出的a和b值，四可估标算m、k和的合揭理取嫩值范却围。举下图泄给出仍了k和随m值的震变化继。可零看出夫，k的合汁理值长范围俱为0k0.楚82紧72，的合响理值蛇范围欠为11.泼61昂，m的合泛理值晓范围啦为0<m1.奋4。若考友虑最彩不利而的情出况，结即无嘱锁固荒段的加情况督（le=偏0，k=0饰，m=1戴.4阴，=1柿.5努82滚），夫并已继知ls=阶23算7.械6m职，u1=偏0.隔92柴8m迎，Wg=敌64抄15待20读kN遇，h=0框.2仍m，=3贸5，则得厘到Gs=1中.1姻7M遇pa轰，=7擦.1言2810妹10肺Pa秀.s。可赠见滑亿坡发笑生前绝，剪傲切模尚量参斧数非耕常低旷。简化数的物矩理预匠报模愧型1、窗简化临的物申理预兽报模姐型：斜坡尼系统舅演化烂进入皆了稳呆定蠕股变阶唱段，乌此时着有b0，搂得到摧：2、债分岔xx0x0刚度符比k寇=1邪是分纸岔点简化良的物炼理预仪报模猫型3、渗混沌你判别吃表达趟式在应稻用式首（2赵8）絮时，油应注拣意的单摆位（筛一般胞是P贼a.掏s）扮应当糖与物理答意义挤是：淹当a<0饱（k<1赖），伟即系郊统有可做能失食稳时涂，斜膜坡演跪化才缴可能响出现寄混沌，而虹对不历可能瘦失稳糊的斜妈坡，心不会稿出现亩混沌峡，这鸭说明青混沌色也是码斜坡竹失稳弄可能驱性的拐标志芹。从没上式舅还可误看出呼，混搭沌能作否出肤现取宇决于妹应变蒜软化朵段的芒力学集参数战（Gs，，m）与挖两段乞不同挥介质锁的刚跃度比k，由旦斜坡耕系统添内在披的物裂理力狱学性语质所膨决定辞。如示果斜聪坡系盛统不弯具有拘混沌亲特征朝，可暖进行煤确定银性的菜预报糟；反死之，柏预报点必有可预联报时看间尺赛度的限勒制。显然枯，m越大饭，k越小你，系甩统越攻易出昼现混贷沌。通向蓬混沌前之路翁是通腾过倍周党期分东岔实现屠的。简化查的物基理预额报模春型4、毕预报芒模型见（只积适用经