本文關(guān)鍵詞： 滑坡位移監(jiān)測 慣性測量 管土變形耦合 滑坡影響因素 量化分析　出處：《中國地質(zhì)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：滑坡災(zāi)害具有臨界突發(fā)性、破壞力巨大等特點(diǎn),常常給滑坡區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。在近幾十年里,隨著人類工程活動的日趨頻繁,滑坡災(zāi)害也變得越來越頻發(fā),造成的損失也越來越大,甚至有些重大工程建設(shè)所引發(fā)的滑坡問題具有很強(qiáng)的隱蔽性,不借助先進(jìn)的監(jiān)測儀器設(shè)備很難發(fā)現(xiàn)其存在的安全隱患。為了有效避免或減輕滑坡地質(zhì)災(zāi)害所帶來的損失,國內(nèi)外學(xué)者對滑坡進(jìn)行了大量試驗(yàn)和實(shí)踐性研究,并在滑坡的認(rèn)知、發(fā)現(xiàn)、監(jiān)測、預(yù)報(bào)、防治等方面取得了一系列的顯著成果。在滑坡的整個研究發(fā)展過程中,可靠的監(jiān)測手段始終是其他方面研究的基礎(chǔ),有效準(zhǔn)確的監(jiān)測及早期預(yù)測預(yù)報(bào)也是減輕災(zāi)害損失、減少人員傷亡最有效的途徑。在我國,一方面滑坡災(zāi)害分布廣泛,工程防治、機(jī)理研究、預(yù)測預(yù)報(bào)等亟待解決的問題研究中,幾乎各項(xiàng)工作都有賴于滑坡的監(jiān)測數(shù)據(jù)來展開,而另一方面年卻面臨著國內(nèi)滑坡監(jiān)測儀器和監(jiān)測方法發(fā)展滯后的局面。因此,開展滑坡監(jiān)測儀器的研發(fā)、監(jiān)測方法的探索及監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究具有重大的科研和工程意義。影響滑坡的因素很多,因此滑坡監(jiān)測的內(nèi)容也可以很廣泛,但滑坡位移監(jiān)測始終是滑坡監(jiān)測中不可或缺的內(nèi)容之一。滑坡位移監(jiān)測研究是滑坡災(zāi)害研究的支撐性課題,為滑坡的機(jī)理分析、工程防治、預(yù)測預(yù)報(bào)等工作提供直觀的量化參考數(shù)據(jù)。其中深部位移監(jiān)測研究是位移監(jiān)測研究的一個重要組成部分,涉及到位移的測量原理、測量方法、測量儀器、測量數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測結(jié)果與影響因素對應(yīng)關(guān)系分析等諸多內(nèi)容。本文以滑坡深部位移監(jiān)測和分析為主線,從測量原理分析、測量儀器研發(fā)、管土變形耦合分析、位移與外部影響因素對應(yīng)關(guān)系量化、研究成果綜合應(yīng)用等方面對該課題進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究,主要研究內(nèi)容和研究成果如下：(1)結(jié)合滑坡深部位移測量的環(huán)境要求對慣性測量原理進(jìn)行分析和引入。慣性測量系統(tǒng)的基本原理是利用慣性器件來感應(yīng)載體相對于慣性空間的線運(yùn)動和角運(yùn)動,通過測量結(jié)果在時間軸上的積分計(jì)算,可以得到載體相對于慣性空間的線速度、姿態(tài)角、位置等信息；慣性測量系統(tǒng)的測量過程不需要依賴于任何外部的聲、光、電、磁等信息,也不需要對外輻射信號,是一種完全自主、極度封閉、過程實(shí)時的測量系統(tǒng),原理上非常適用于地下空間姿態(tài)和位置信息的測量。但是,相對于慣性測量系統(tǒng)的分辨率來說,滑坡滑動速率的量級遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的分辨率量級,因此慣性測量系統(tǒng)不能對滑坡體的運(yùn)動進(jìn)行直接測量,針對這個問題提出了相應(yīng)解決辦法,在滑坡體內(nèi)埋設(shè)變形耦合管道,用以耦合滑坡體的變形,把滑坡體在時間上的累積位移量轉(zhuǎn)換成沿管道分布的變形量,只需要分時對管道軌跡進(jìn)行短時測量便可獲取管道軌跡并推算出滑坡的位移量。傳統(tǒng)慣性測量系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)上都存在冗余,不利于測量順利進(jìn)行的問題,依據(jù)測量環(huán)境特點(diǎn),對慣性測量系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行取舍和簡化,把部分物理量(如沿管道線速率和位置)的獲取方式轉(zhuǎn)換為接觸式測量。(2)針對坡體深部位移以水平位移為主、主要考慮水平位移在豎直方向上分布、不需要考慮豎直方向沉降和膨脹的深部位移監(jiān)測場合,研制了水平位移豎向分布測量儀器(柔性測斜儀)。以重力加速度作為測量基準(zhǔn),利用加速度計(jì)測量重力分量換算角度的原理,設(shè)計(jì)兩軸角度測量單元,把若干個測量單元串接后用硅膠進(jìn)行灌注封裝,形成一條柔性的測斜探頭,同時設(shè)計(jì)與探頭對接的控制器和配套PC機(jī)軟件；在室內(nèi)對所設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行校驗(yàn),把柔性探頭隨機(jī)擺放在垂直固定的方格紙上,從方格紙上讀取出探頭的形狀位置并和探頭所測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,對比結(jié)果顯示,測量數(shù)據(jù)按角度插值后再計(jì)算位移的計(jì)算方法具有最優(yōu)的計(jì)算誤差,400 mm長探頭頂端位移均方差優(yōu)于1.17 mm。柔性測斜儀非常適用于室內(nèi)物理模型試驗(yàn),在有輔助支撐基板的情況下也可以安裝于野外進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。(3)針對坡體橫向擺動位移可忽略而主要考慮主滑方向位移沿橫向分布的測量場合,研制了橫向位移分布測量儀器(橫向軌跡儀)。結(jié)合橫向變形耦合管道軌跡測量要求,對測量儀器方案進(jìn)行對比論證,其中以慣性元件為最簡的方案所需測量的物理量有水平方位角、俯仰角、滾動角和沿管道軸向的線速度,對應(yīng)于所需測量的物理量,使用“單軸陀螺+兩軸加速度計(jì)+外部滾輪編碼器”組成的半捷聯(lián)-半平臺式結(jié)構(gòu)對儀器進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)；儀器的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路、控制程序及軌跡算法,在軌跡算法中,考慮了管道軸向線加速度對俯仰角測量加速度計(jì)會造成一定的影響,因此通過軸向速度的微分對其進(jìn)行補(bǔ)償能夠消除測量過程中不均勻牽引造成的深度方向誤差。(4)結(jié)合地基沉降類比模型推導(dǎo)了管-土相互作用的數(shù)學(xué)模型,同時基于D-P(Drucker-Prager)準(zhǔn)則利用ANSYS有限元軟件對管-土相互作用的受力模式和應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行了模擬分析。數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)中,主要考慮滑坡巖土體非線性特征和管道線彈性特征,基于鄧肯張(Ducan-Chang)非線性土體本構(gòu)模型、布辛奈斯克(Boussinesq)解以及管道線彈性方程建立管-土的相互作用耦合力學(xué)模型；基于管-土受力模型進(jìn)一步推導(dǎo)了管道耦合滑坡體變形中管道相對于土體的位移差,即通過管道獲取滑坡體位移的誤差。ANSYS分析結(jié)果表明：管后土體受壓,管前土體主要受剪；沿測斜管軸向方向,隨著埋深的減小,土體所受壓、剪應(yīng)力逐漸降低。由此產(chǎn)生的土體彈性壓縮變形及剪應(yīng)變具有相同的變形規(guī)律。(5)依據(jù)所推導(dǎo)的管-土相互作用數(shù)學(xué)模型及數(shù)值模擬結(jié)果,提出了變形耦合管道選型原則和位移補(bǔ)償建議。所選管道的撓曲剛度應(yīng)當(dāng)盡可能小,但需要兼顧管道的徑向承壓能力；管道徑向尺寸盡可能大,但需要考慮管道成本及施工工藝等問題,在實(shí)際應(yīng)用中可通過增加輔助的錨力結(jié)構(gòu)來增加管道的徑向受力面積,提高管道耦合變形的協(xié)調(diào)性。依照管道選型原則,很容易得到理想的變形耦合管道,因此建議優(yōu)先考慮從管道選型上消除管-土耦合變形的不協(xié)調(diào)性,而盡量避免利用數(shù)學(xué)模型對位移測量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。(6)對土質(zhì)滑坡位移影響因素的作用模式進(jìn)行探討,并結(jié)合馬家溝1號滑坡體地質(zhì)特征和監(jiān)測數(shù)據(jù)總結(jié)歸納外部影響因素對位移的影響規(guī)律�；挛灰朴绊懸蛩匕醋饔梅绞降牟煌譃閮�(nèi)因和外因兩大類,內(nèi)因與滑坡的物質(zhì)成分、地質(zhì)特性和物理力學(xué)參數(shù)相關(guān),參數(shù)獲取困難；外因與外部環(huán)境條件的變化相關(guān),容易監(jiān)測。分析時,把內(nèi)因封裝為一個系統(tǒng)黑箱,視為一個外部影響因素作用下的位移響應(yīng)系統(tǒng),重點(diǎn)分析位移與外部影響因素之間的映射關(guān)系。對比馬家溝1號滑坡體GPS位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與相應(yīng)時間段內(nèi)的降雨和庫水位參數(shù),可知降雨參數(shù)與位移呈正相關(guān)關(guān)系,庫水位與位置呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；位移對外部影響因素的響應(yīng)具有時間延遲、輸入飽和及受不同因素影響比重不同等特征,這種現(xiàn)象在滑坡的不同位置表現(xiàn)不一致。(7)根據(jù)外部影響因素對滑坡位移的影響規(guī)律,提出滑坡位移與外部影響因素映射關(guān)系的量化指標(biāo)和判據(jù)。針對常規(guī)滑坡位移預(yù)測預(yù)報(bào)模式,對外部影響因素的輸入進(jìn)行量化,量化指標(biāo)為位移對外部影響因素響應(yīng)的時間延遲T和輸入飽和閩值s；量化依據(jù)是位移和外部影響因素之間存在一定的線性關(guān)系,引入相關(guān)性系數(shù)作為量化判據(jù),用以評判量化取值的優(yōu)劣,從而求取具有最大相關(guān)性的量化指標(biāo)值�；虏煌恢脤ν獠坑绊懸蛩氐奈灰祈憫�(yīng)是不一致的,所以量化分析的適用范圍為單個監(jiān)測點(diǎn),或具有相似變形量及變形規(guī)律的監(jiān)測組。(8)依據(jù)滑坡位移監(jiān)測和分析的應(yīng)用流程對研究成果進(jìn)行匯總綜合。以滑坡位移監(jiān)測和分析為主線,把監(jiān)測項(xiàng)目管理、變形耦合分析、位移量化分析的過成依次集合到所開發(fā)的PC軟件,軟件數(shù)據(jù)獲取端與儀器對接,從所研發(fā)的儀器讀取或?qū)牖挛灰茰y量數(shù)據(jù),經(jīng)過變形協(xié)調(diào)性分析補(bǔ)償后,傳入位移與降雨和庫水位關(guān)系的量化分析模塊,量化分析后生成報(bào)告。(9)結(jié)合室內(nèi)物理模型試驗(yàn)實(shí)例,闡述了柔性測斜儀在物理模型試驗(yàn)中的應(yīng)用以及在滑坡現(xiàn)場應(yīng)用中的拓展方法。柔性測斜儀具有極好的撓曲變形能力,同時可以承受一定的縱向拉伸變形,普遍適用于加樁或不加樁滑坡物理模型試驗(yàn)中深部位移的實(shí)時監(jiān)測；柔性測斜儀在滑坡體中的布置,可以直接貼靠在抗滑樁的前后壁表面上,監(jiān)測滑坡造成的樁身變形,也可以直接埋設(shè)在滑坡體中,監(jiān)測滑坡體內(nèi)部的位移分布；通過加樁物理模型試驗(yàn)測試結(jié)果與模型剖面裂縫的對比,驗(yàn)證了測斜儀在物理模型試驗(yàn)中的可行性和準(zhǔn)確性。此外,柔性測斜儀亦適用于滑坡現(xiàn)場監(jiān)測,但安裝時需要借助于加固基板(加固基板可以是抗滑樁)進(jìn)行定位。(10)結(jié)合馬家溝1號滑坡體測試現(xiàn)場,闡述了橫向軌跡儀及系統(tǒng)在滑坡橫向位移分布測量中的應(yīng)用。以馬家溝1號滑坡體為試點(diǎn),結(jié)合滑坡體形態(tài)特征和物質(zhì)組成,選擇了170 m高程處階地作為布管位置,對管道類型和埋管過程進(jìn)行了介紹,且在管道埋設(shè)完成后對管道的初始位置和軌跡進(jìn)行了測定。鑒于現(xiàn)場測試管道埋設(shè)時間較短,暫未形成明顯的軌跡差,還無法獲取有效的滑坡位移數(shù)據(jù),因此借助于已有的GPS位移監(jiān)測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的量化分析進(jìn)行闡述；以馬家溝1號滑坡體J01監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)對量化過程進(jìn)行實(shí)例分析,分析結(jié)果顯示,J01監(jiān)測點(diǎn)受降雨參數(shù)影響的相關(guān)性系數(shù)為0.44903,對降雨參數(shù)響應(yīng)的時間延遲為10天,月降雨量輸入飽和值為78 mm/月；J01監(jiān)測點(diǎn)主要受到庫水位波動速率的影響,其相關(guān)性系數(shù)為-0.70655,對庫水位下降速率的響應(yīng)時間延遲為77天,而且在所觀察的時間段內(nèi)庫水位的速率未達(dá)到飽和。本文主要創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下：(1)慣性測量系統(tǒng)在滑坡位移監(jiān)測中的引入及原理匹配。提出了利用預(yù)埋管道來耦合滑坡體的變形,通過分時測量預(yù)埋管道三維軌跡位置差,從而反映滑坡體位移信息的滑坡位移場測量方法；該測量方法可以在滑坡體的任意方向和深度布置測線,但依據(jù)測量原理、滑坡體測量環(huán)境及儀器結(jié)構(gòu)成本,把測量儀器按豎向位移分布和橫向位移分布的測量形式分成兩類,使得慣性測量原理對應(yīng)于具體的測量形式具有最好的匹配效果。(2)管-土變形耦合分析。針對滑坡位移測量的應(yīng)用環(huán)境,分析變形耦合管道和管道所接觸土體的受力情況,推導(dǎo)計(jì)算管道和土體之間的變形差異,能夠?yàn)楣こ虘?yīng)用中管道的選擇和位移的補(bǔ)償提供參考依據(jù)。(3)滑坡位移-外部影響因素量化分析。依據(jù)滑坡不同位置對外部影響因素的響應(yīng)差異,提出了針對具體滑坡具體位置的時間延遲、影響因素飽和閾值和影響權(quán)重量化指標(biāo),為量化指標(biāo)的求取設(shè)定了相關(guān)性系數(shù)判據(jù),編程實(shí)現(xiàn)量化過程的計(jì)算和指標(biāo)求取。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P642.22

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1453070