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算方法進行了深入研究，針對凍土水熱耦合計算中出現(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，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行荷載組合，進而進行可靠度計算，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)計基準(zhǔn)期進行了研究，確定了不同等級邊坡的設(shè)計基準(zhǔn)期，并對相關(guān)問題進行了研究。最后，本書針對極端冰雪災(zāi)害條件下邊坡的荷載分項系數(shù)和抗力分項系數(shù)進行了研究，并編制了相應(yīng)的程序優(yōu)化了分項系數(shù)。
本書可供水利、地質(zhì)工程專業(yè)設(shè)計和技術(shù)人員以及高校科研工作者閱讀和參考。

本書在圍繞極端冰雪災(zāi)害條件下邊坡工程的可靠度計算、設(shè)計基準(zhǔn)期的確定、分項系數(shù)的計算等三個方面進行了討論。本書的主要創(chuàng)新點如下： （1）提出了基于正交試驗的剛體極限平衡法來確定邊坡穩(wěn)定極限狀態(tài)方程的計算方法。 （2）提出了極端冰雪作用下土體凍深計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)定抗力分項系數(shù)和可變作用分項系數(shù)的計算方法。

隨著全球氣候變暖和經(jīng)濟快速發(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)計基準(zhǔn)期和分項系數(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算、設(shè)計基準(zhǔn)期的確定、分項系數(shù)的計算三個方面進行了討論。本書的主要特點如下：
① 提出了基于正交試驗的剛體極限平衡法來確定邊坡穩(wěn)定極限狀態(tài)方程的計算方法。運用JC法進行可靠度分析，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算方法進行改進，提出了未凍土體積含水量對溫度導(dǎo)數(shù)的計算方法，克服凍土溫度場-滲流場耦合計算中數(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)計基準(zhǔn)期。
④ 提出了冰雪作用下邊坡穩(wěn)定抗力分項系數(shù)和可變作用分項系數(shù)的計算方法。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，通過可靠度計算求得不同設(shè)計基準(zhǔn)期的分項系數(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、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、熱耦合機理研究	006
1.2.4 極限狀態(tài)設(shè)計方法的合理性	009
1.2.5 可靠度研究現(xiàn)狀	011
1.2.6 設(shè)計基準(zhǔn)期研究綜述	014
1.2.7 分項系數(shù)研究綜述	015

第2章 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分項系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計方法	021
2.1 極限狀態(tài)設(shè)計方法	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)計原則	025
2.2 設(shè)計基準(zhǔn)期	026
2.2.1 關(guān)于設(shè)計基準(zhǔn)期定義的討論	026
2.2.2 確定設(shè)計基準(zhǔn)期的思路	028
2.3 基于可靠度的設(shè)計方法	029
2.3.1 一次二階矩法	031
2.3.2 正交試驗法	035
2.3.3 基于正交試驗的JC法	037
2.4 分項系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計法	043
2.4.1 分項系數(shù)發(fā)展歷史	044
2.4.2 分項系數(shù)設(shè)計表達式	045
2.4.3 分項系數(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 算例驗證	061
3.2 算法改進	066
3.2.1 改進思路	067
3.2.2 算例驗證	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 計算模型	089
4.3.2 擬定荷載組合	089
4.3.3 隨機變量的選用	090
4.3.4 各工況下邊坡可靠度指標(biāo)計算	091
4.3.5 計算結(jié)果分析	099

第5章 極端冰雪條件下既有邊坡設(shè)計基準(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)計基準(zhǔn)期研究	109
5.3 不同設(shè)計基準(zhǔn)期下敏度分析	110
5.3.1 設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載分布及統(tǒng)計參數(shù)	110
5.3.2 設(shè)計基準(zhǔn)期和可靠指標(biāo)的關(guān)系	112
5.3.3 設(shè)計基準(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)分項系數(shù)研究	117
6.1 分項系數(shù)確定的原則	118
6.2 分項系數(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)計參數(shù)	126
6.3.4 可變荷載統(tǒng)計參數(shù)	127
6.4 抗力分項系數(shù)的研究	131
6.4.1 抗力分項系數(shù)計算公式	131
6.4.2 抗力分項系數(shù)計算步驟	134
6.4.3 抗力分項系數(shù)計算結(jié)果及分析	138
6.5 可變荷載分項系數(shù)的研究	146
6.5.1 可變荷載分項系數(shù)計算公式	146
6.5.2 可變荷載分項系數(shù)計算步驟	147
6.5.3 可變荷載分項系數(shù)計算結(jié)果及分析	149
6.6 分項系數(shù)的優(yōu)化	159

參考文獻	167