極端冰雪作用下邊坡極限狀態分析與理論研究

本書在圍繞極端冰雪災害條件下邊坡工程的可靠度計算、設計基準期的確定、分項系數的計算等三個方面進行了討論。本書的主要創新點如下： （1）提出了基于正交試驗的剛體極限平衡法來確定邊坡穩定極限狀態方程的計算方法。 （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了相應的有限元程序。 （3）基于目標可靠指標和作用參數的研究，提出了極端冰雪作用下既有邊坡工程設計基準期的確定方法。 （4）提出了冰雪作用下邊坡穩定抗力分項系數和可變作用分項系數的計算方法。

隨著全球氣候變暖和經濟快速發展對自然環境的消極影響逐漸加劇，各種災害異常頻發，中國成為世界上自然災害最嚴重的國家之一，頻發的自然災害直接影響著國民經濟的可持續發展。2008年初發生在南方地區的極端冰雪災害，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在應對極端冰雪災害能力的不足和研究上的缺失。為了更好地應對極端冰雪誘發的地質災害威脅，我們開展了對極端冰雪災害條件下工程設計基準期和分項系數的研究，為南方地區地質災害的防御和規范的修訂提供建議和參考。
本書圍繞極端冰雪災害條件，對邊坡工程的可靠度計算、設計基準期的確定、分項系數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定極限狀態方程的計算方法。運用JC法進行可靠度分析，有效解決了極限狀態方程隱含極端冰雪作用下邊坡穩定的可靠度分析關鍵問題。
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了相應的有限元程序。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數的計算方法，克服凍土溫度場-滲流場耦合計算中數值彌散或參數擬合不收斂的現象，加快了迭代收斂速度。
③ 基于目標可靠指標和作用參數的研究，提出了極端冰雪作用下既有邊坡工程設計基準期的確定方法。根據可靠指標分級的原則，將極端冰雪作用下既有邊坡工程的目標可靠指標取值相應提高0.5，并對不同安全等級的邊坡初步設定了不同的設計基準期。
④ 提出了冰雪作用下邊坡穩定抗力分項系數和可變作用分項系數的計算方法。在保證結構可靠度的前提下，以規范規定的永久作用和可變作用分項系數取值為基礎，以結構在承載能力極限狀態達到的目標可靠指標為基準，根據幾種荷載效應組合依次設定不同參數值，通過可靠度計算求得不同設計基準期的分項系數值。
本書是對南方地區地質工程規范修改的一次初探，為南方地區工程設計、施工技術人員提供理論借鑒，為南方地區極端冰雪災害條件下防御工作和規范的修訂提供參考。
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

本書系統地分析了極端冰雪災害條件下發生地質災害的關鍵問題，以邊坡為例進行了說明。首先，本書針對極端冰雪災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的迭代振蕩、數值彌散或參數擬合不收斂現象做了算法改進，開發了相應的有限元程序，加快了迭代收斂速度。其次，本書分析了極端冰雪災害條件下影響邊坡穩定的因素，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，本書對極端冰雪災害條件下的邊坡設計基準期進行了研究，確定了不同等級邊坡的設計基準期，并對相關問題進行了研究。最后，本書針對極端冰雪災害條件下邊坡的荷載分項系數和抗力分項系數進行了研究，并編制了相應的程序優化了分項系數。
本書可供水利、地質工程專業設計和技術人員以及高?？蒲泄ぷ髡唛喿x和參考。

第1章　極端冰雪作用下邊坡極限狀態研究概述	001
1.1 研究背景及意義	001
1.2 國內外研究現狀	002
1.2.1 極端冰雪災害資料分析	002
1.2.2 極端冰雪災害條件下邊坡穩定性研究現狀	004
1.2.3 凍土水、熱耦合機理研究	006
1.2.4 極限狀態設計方法的合理性	009
1.2.5 可靠度研究現狀	011
1.2.6 設計基準期研究綜述	014
1.2.7 分項系數研究綜述	015

第2章 結構穩定分項系數極限狀態設計方法	021
2.1 極限狀態設計方法	023
2.1.1 結構極限狀態原理	023
2.1.2 極限狀態設計原則	025
2.2 設計基準期	026
2.2.1 關于設計基準期定義的討論	026
2.2.2 確定設計基準期的思路	028
2.3 基于可靠度的設計方法	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 分項系數的極限狀態設計法	043
2.4.1 分項系數發展歷史	044
2.4.2 分項系數設計表達式	045
2.4.3 分項系數的確定方法	047

第3章 極端冰雪災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 極端冰雪災害對邊坡穩定影響分析研究	080
4.1 計算方法原理	080
4.2 極端冰雪災害條件下影響邊坡穩定因素	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計算	091
4.3.5 計算結果分析	099

第5章 極端冰雪條件下既有邊坡設計基準期研究	102
5.1 目標可靠指標	102
5.1.1 目標可靠指標的表示	102
5.1.2 目標可靠指標的確定方法	103
5.2 極端冰雪災害條件下邊坡設計基準期研究	109
5.3 不同設計基準期下敏度分析	110
5.3.1 設計基準期內最大荷載分布及統計參數	110
5.3.2 設計基準期和可靠指標的關系	112
5.3.3 設計基準期和抗力關系	114

第6章 冰雪作用下邊坡穩定極限狀態分項系數研究	117
6.1 分項系數確定的原則	118
6.2 分項系數的確定方法	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 荷載和荷載效應統計參數分析	125
6.3.1 荷載效應比	125
6.3.2 荷載均值系數	126
6.3.3 永久荷載統計參數	126
6.3.4 可變荷載統計參數	127
6.4 抗力分項系數的研究	131
6.4.1 抗力分項系數計算公式	131
6.4.2 抗力分項系數計算步驟	134
6.4.3 抗力分項系數計算結果及分析	138
6.5 可變荷載分項系數的研究	146
6.5.1 可變荷載分項系數計算公式	146
6.5.2 可變荷載分項系數計算步驟	147
6.5.3 可變荷載分項系數計算結果及分析	149
6.6 分項系數的優化	159

參考文獻	167