岩土工程课件5__岩土边坡工程
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5 边坡工程中的数值计算和仿真
从70年代开始，数值计算被广泛地应用于边坡工程，比较成熟的三大数值方法是有 限单元法、边界单元法和离散单元法。其中有限单元法是通过离散化，建立近似函数把 有界区域内的无限问题简化为有限问题，并通过求解联立方程对工程问题进行应力位移 分析的数值模拟方法，它假定工程岩体是连续的力学介质，并在许多的重大工程中得到 应用。边界单元法是采用在区域内部满足控制条件但不满足边界条件的近似函数逼近原 问题解的数值方法，它与有限单元法相比，具有方程个数少，所需数据量小等特点。由 于岩坡的地质构造复杂，一些边坡呈碎裂结构和层状碎裂结构，构成非连续性力学介质， 利用有限单元法和边界单元法求解遇到了困难，取而代之的是离散单元法，一些学者称 其为散体元法。离散单元法由Cundall于1971年提出，该方法充分考虑了节理岩体的非 连续性，以分离的块体为出发点，将岩块假定为刚体的移动或转动，并允许块体有较大 的位移，甚至脱离母体而自由下落，特别适用于节理化岩体或碎裂结构的岩质边坡。由 于其原理明了，并且容易结合CAD技术仿真边坡变形破坏的演变过程，因此倍受人们的 青睐。
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4 边坡工程中的人工神经网络方法
人工神经网络（简称NN-Neural network）是指由大量简单神经 元经广泛互连构成的一种计算结构，它是一种广义的并行处理系统。 人脑的认知模式被认为是一种并行的分布式模式，神经网络采用类似 于人大脑的神经网络的体系结构来构造模型仿真人大脑的功能，即把 对信息的储存和计算推理同时储存在一个单元里。因此，在某种程度 上神经网络被认为可以模拟生物神经系统的工作过程。特别是通过抽 象、简化和模拟手段，神经网络部分反映了人脑的某些功能特征，且 具有高度非线性、自组织、自学习、动态处理、联想记忆、容错性等 特征。近年来，人工神经网络开始应用于边坡工程的稳定性分析和评 价，对于解决复杂的边坡系统工程的稳定性问题提供了一条新的途径。
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6 边坡工程中的可靠性分析理论 可靠性分析最早主要应用于宇航、电子工业界，之后逐
渐推广到机械工程，可靠性分析方法从70年代开始应用于 边坡工程领域，它基于对边坡岩体性质、荷载、工程地质 条件等的不确定性认识，借鉴结构工程可靠性理论方法， 结合边坡工程的具体情况，用可靠指标或破坏概率描述边 坡工程质量的理论体系，它较传统的确定性理论能更好地 反映边坡工程实际状态，正确合理地解释许多用确定性理 论无法解释的工程问题，更为重要的是概率模型有助于形 成新的考虑风险与可靠性的观念。
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5.1 锚杆
5.1.1 概述 锚杆技术指的是在天然地层中钻孔至稳定地层中， 插入锚拉杆，然后在孔中灌注水泥砂浆。置于稳 定地崖中的锚杆部分称为锚固段，利用锚固段的 抗拔能力，维持土体或岩体的边坡(或地基)稳定。
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锚杆是一种受拉杆件，它的一端与支护结构等联结，另一 端锚固在岩土体中，将支挡结构和其他结构所承受的荷载 （侧向土压力、水压力以及上浮力、倾覆力、拉拔力等） 通过拉杆传递到稳定岩土层中的锚固体上，在由锚固体将 传来的荷载分散到周围稳定的岩土层中去。
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2 边坡工程中的分形理论
分形理论是美国数学家(B.B.Mandelbort)(1973)首次提出来的，它主要是研究自 然界中一些具有自相似但没有特征长度的图形或现象，其研究方法是通过确定图形或现 象的分维数，以揭示该现象或图形的内在本质和规律。 分形理论被广泛地应用于物理学、生物学、材料科学、岩石力学等学科中，近年来，边 坡工程中开始应用分形理论进行有意义的探索。研究表明，边坡岩体结构常呈不规则分 形状态，可以用分维来表征，利用分维可以定量地描述断层、层理、节理、泥化夹层等 宏观结构面的形态特征、分布、产状及粗糙度等。同样，岩体的微观结构面或破坏面也 呈不规则的分形状态，这种不规则反应了岩体破坏时的能量耗散及微观结构效应，也可 用分维来表示。分维数是岩体变形破坏的某一统计特征量，分维数可以充当岩体变形破 坏变量的角色进行岩体的强度和稳定性演化过程的分析[13]。
分形理论在边坡工程的应用有广阔的前景，目前，三峡库区、西北黄土地区及一些 典型的滑坡体均有所应用，在分布规律研究、机制分析和预测预报方面取得较好成果。
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3 边坡工程中的3S理论
在信息社会中，全球是一个开放系统，3S系统已在地学领域取得初步尝 试，在1996年国际岩石力学学会年会上，充分利用3S技术在岩土工程建设中 的 作 用 已 引 起 极 大 注 意 。 所 谓 3S 系 统 是 指 地 理 信 息 系 统 (GIS ， Geography Information System)、遥感系统(RS，Remote Sensing System)和全球卫星 定位系统(GPS，Global Positioning System)。三者融为一体为边坡工程的 防治与预测预报提供了新一代观测手段、描述语言和思维工具。集GIS、GPS 和RS为一体的3S系统，是一个完整的有机整体。例如针对三峡库区边坡，崔 政权大师率先提出“3S工程”的概念和设想，从1997年着手建立“三峡库区 边坡稳态3S实时工程分析系统”，并给出了系统的框图，何满潮教授将该系 统按功能分为三大部分，即3S接收处理系统、GIS地理信息系统和工程分析专 家系统。
5 岩土边坡工程
岩土边坡工程是岩土工程的重要组成部分。
边坡的工作状况直接或间接地影响工程建筑物的稳 定和安全。 维持边坡稳定性的方法： 1 借助挡土墙的自重来平衡墙后岩土体传来的推力； 2 在岩土体中“钉钉子”；如锚杆，抗滑桩 3 改变土体的性质；如加筋
本章将介绍：锚杆、抗滑桩、挡土结构、支护结构和 岩石边坡工程的设计和运用
锚杆不仅可用于临时性支护结构，在永久性建筑工程中应 用比较广泛。
10
锚杆技术是建筑工程中的一项实用 新技术，在国内外得到了广泛的、 愈来愈多的运用。
应用实例
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深圳黄贝岭边坡工程
12
居民住宅边坡
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Байду номын сангаас
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山西省运城～三门峡高速公路
5 边坡工程中的数值计算和仿真
从70年代开始，数值计算被广泛地应用于边坡工程，比较成熟的三大数值方法是有 限单元法、边界单元法和离散单元法。其中有限单元法是通过离散化，建立近似函数把 有界区域内的无限问题简化为有限问题，并通过求解联立方程对工程问题进行应力位移 分析的数值模拟方法，它假定工程岩体是连续的力学介质，并在许多的重大工程中得到 应用。边界单元法是采用在区域内部满足控制条件但不满足边界条件的近似函数逼近原 问题解的数值方法，它与有限单元法相比，具有方程个数少，所需数据量小等特点。由 于岩坡的地质构造复杂，一些边坡呈碎裂结构和层状碎裂结构，构成非连续性力学介质， 利用有限单元法和边界单元法求解遇到了困难，取而代之的是离散单元法，一些学者称 其为散体元法。离散单元法由Cundall于1971年提出，该方法充分考虑了节理岩体的非 连续性，以分离的块体为出发点，将岩块假定为刚体的移动或转动，并允许块体有较大 的位移，甚至脱离母体而自由下落，特别适用于节理化岩体或碎裂结构的岩质边坡。由 于其原理明了，并且容易结合CAD技术仿真边坡变形破坏的演变过程，因此倍受人们的 青睐。
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4 边坡工程中的人工神经网络方法
人工神经网络（简称NN-Neural network）是指由大量简单神经 元经广泛互连构成的一种计算结构，它是一种广义的并行处理系统。 人脑的认知模式被认为是一种并行的分布式模式，神经网络采用类似 于人大脑的神经网络的体系结构来构造模型仿真人大脑的功能，即把 对信息的储存和计算推理同时储存在一个单元里。因此，在某种程度 上神经网络被认为可以模拟生物神经系统的工作过程。特别是通过抽 象、简化和模拟手段，神经网络部分反映了人脑的某些功能特征，且 具有高度非线性、自组织、自学习、动态处理、联想记忆、容错性等 特征。近年来，人工神经网络开始应用于边坡工程的稳定性分析和评 价，对于解决复杂的边坡系统工程的稳定性问题提供了一条新的途径。
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6 边坡工程中的可靠性分析理论 可靠性分析最早主要应用于宇航、电子工业界，之后逐
渐推广到机械工程，可靠性分析方法从70年代开始应用于 边坡工程领域，它基于对边坡岩体性质、荷载、工程地质 条件等的不确定性认识，借鉴结构工程可靠性理论方法， 结合边坡工程的具体情况，用可靠指标或破坏概率描述边 坡工程质量的理论体系，它较传统的确定性理论能更好地 反映边坡工程实际状态，正确合理地解释许多用确定性理 论无法解释的工程问题，更为重要的是概率模型有助于形 成新的考虑风险与可靠性的观念。
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5.1 锚杆
5.1.1 概述 锚杆技术指的是在天然地层中钻孔至稳定地层中， 插入锚拉杆，然后在孔中灌注水泥砂浆。置于稳 定地崖中的锚杆部分称为锚固段，利用锚固段的 抗拔能力，维持土体或岩体的边坡(或地基)稳定。
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锚杆是一种受拉杆件，它的一端与支护结构等联结，另一 端锚固在岩土体中，将支挡结构和其他结构所承受的荷载 （侧向土压力、水压力以及上浮力、倾覆力、拉拔力等） 通过拉杆传递到稳定岩土层中的锚固体上，在由锚固体将 传来的荷载分散到周围稳定的岩土层中去。
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2 边坡工程中的分形理论
分形理论是美国数学家(B.B.Mandelbort)(1973)首次提出来的，它主要是研究自 然界中一些具有自相似但没有特征长度的图形或现象，其研究方法是通过确定图形或现 象的分维数，以揭示该现象或图形的内在本质和规律。 分形理论被广泛地应用于物理学、生物学、材料科学、岩石力学等学科中，近年来，边 坡工程中开始应用分形理论进行有意义的探索。研究表明，边坡岩体结构常呈不规则分 形状态，可以用分维来表征，利用分维可以定量地描述断层、层理、节理、泥化夹层等 宏观结构面的形态特征、分布、产状及粗糙度等。同样，岩体的微观结构面或破坏面也 呈不规则的分形状态，这种不规则反应了岩体破坏时的能量耗散及微观结构效应，也可 用分维来表示。分维数是岩体变形破坏的某一统计特征量，分维数可以充当岩体变形破 坏变量的角色进行岩体的强度和稳定性演化过程的分析[13]。
分形理论在边坡工程的应用有广阔的前景，目前，三峡库区、西北黄土地区及一些 典型的滑坡体均有所应用，在分布规律研究、机制分析和预测预报方面取得较好成果。
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3 边坡工程中的3S理论
在信息社会中，全球是一个开放系统，3S系统已在地学领域取得初步尝 试，在1996年国际岩石力学学会年会上，充分利用3S技术在岩土工程建设中 的 作 用 已 引 起 极 大 注 意 。 所 谓 3S 系 统 是 指 地 理 信 息 系 统 (GIS ， Geography Information System)、遥感系统(RS，Remote Sensing System)和全球卫星 定位系统(GPS，Global Positioning System)。三者融为一体为边坡工程的 防治与预测预报提供了新一代观测手段、描述语言和思维工具。集GIS、GPS 和RS为一体的3S系统，是一个完整的有机整体。例如针对三峡库区边坡，崔 政权大师率先提出“3S工程”的概念和设想，从1997年着手建立“三峡库区 边坡稳态3S实时工程分析系统”，并给出了系统的框图，何满潮教授将该系 统按功能分为三大部分，即3S接收处理系统、GIS地理信息系统和工程分析专 家系统。
5 岩土边坡工程
岩土边坡工程是岩土工程的重要组成部分。
边坡的工作状况直接或间接地影响工程建筑物的稳 定和安全。 维持边坡稳定性的方法： 1 借助挡土墙的自重来平衡墙后岩土体传来的推力； 2 在岩土体中“钉钉子”；如锚杆，抗滑桩 3 改变土体的性质；如加筋
本章将介绍：锚杆、抗滑桩、挡土结构、支护结构和 岩石边坡工程的设计和运用
锚杆不仅可用于临时性支护结构，在永久性建筑工程中应 用比较广泛。
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锚杆技术是建筑工程中的一项实用 新技术，在国内外得到了广泛的、 愈来愈多的运用。
应用实例
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深圳黄贝岭边坡工程
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居民住宅边坡
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Байду номын сангаас
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山西省运城～三门峡高速公路