极端冰雪作用下边坡极限状态分析与理论研究

本书在围绕极端冰雪灾害条件下边坡工程的可靠度计算、设计基准期的确定、分项系数的计算等三个方面进行了讨论。本书的主要创新点如下： （1）提出了基于正交试验的刚体极限平衡法来确定边坡稳定极限状态方程的计算方法。 （2）提出了极端冰雪作用下土体冻深计算的水热耦合双层迭代方法并开发了相应的有限元程序。 （3）基于目标可靠指标和作用参数的研究，提出了极端冰雪作用下既有边坡工程设计基准期的确定方法。 （4）提出了冰雪作用下边坡稳定抗力分项系数和可变作用分项系数的计算方法。

随着全球气候变暖和经济快速发展对自然环境的消极影响逐渐加剧，各种灾害异常频发，中国成为世界上自然灾害最严重的国家之一，频发的自然灾害直接影响着国民经济的可持续发展。2008年初发生在南方地区的极端冰雪灾害，对铁路、公路、港口、矿山、电力、水利水电等重大生命线工程造成了巨大损失，同时也暴露了南方地区在应对极端冰雪灾害能力的不足和研究上的缺失。为了更好地应对极端冰雪诱发的地质灾害威胁，我们开展了对极端冰雪灾害条件下工程设计基准期和分项系数的研究，为南方地区地质灾害的防御和规范的修订提供建议和参考。
本书围绕极端冰雪灾害条件，对边坡工程的可靠度计算、设计基准期的确定、分项系数的计算三个方面进行了讨论。本书的主要特点如下：
① 提出了基于正交试验的刚体极限平衡法来确定边坡稳定极限状态方程的计算方法。运用JC法进行可靠度分析，有效解决了极限状态方程隐含极端冰雪作用下边坡稳定的可靠度分析关键问题。
② 提出了极端冰雪作用下土体冻深计算的水热耦合双层迭代方法并开发了相应的有限元程序。对Harlan最早提出的冻土水热耦合模型有限元计算方法进行改进，提出了未冻土体积含水量对温度导数的计算方法，克服冻土温度场-渗流场耦合计算中数值弥散或参数拟合不收敛的现象，加快了迭代收敛速度。
③ 基于目标可靠指标和作用参数的研究，提出了极端冰雪作用下既有边坡工程设计基准期的确定方法。根据可靠指标分级的原则，将极端冰雪作用下既有边坡工程的目标可靠指标取值相应提高0.5，并对不同安全等级的边坡初步设定了不同的设计基准期。
④ 提出了冰雪作用下边坡稳定抗力分项系数和可变作用分项系数的计算方法。在保证结构可靠度的前提下，以规范规定的永久作用和可变作用分项系数取值为基础，以结构在承载能力极限状态达到的目标可靠指标为基准，根据几种荷载效应组合依次设定不同参数值，通过可靠度计算求得不同设计基准期的分项系数值。
本书是对南方地区地质工程规范修改的一次初探，为南方地区工程设计、施工技术人员提供理论借鉴，为南方地区极端冰雪灾害条件下防御工作和规范的修订提供参考。
由于水平有限，书中的疏漏之处在所难免，恳请广大读者和同行不吝指正。

著者

本书系统地分析了极端冰雪灾害条件下发生地质灾害的关键问题，以边坡为例进行了说明。首先，本书针对极端冰雪灾害条件下土体冻深的计算方法进行了深入研究，针对冻土水热耦合计算中出现的迭代振荡、数值弥散或参数拟合不收敛现象做了算法改进，开发了相应的有限元程序，加快了迭代收敛速度。其次，本书分析了极端冰雪灾害条件下影响边坡稳定的因素，针对主要影响因素进行荷载组合，进而进行可靠度计算，得出了最不利的工况组合。再次，本书对极端冰雪灾害条件下的边坡设计基准期进行了研究，确定了不同等级边坡的设计基准期，并对相关问题进行了研究。最后，本书针对极端冰雪灾害条件下边坡的荷载分项系数和抗力分项系数进行了研究，并编制了相应的程序优化了分项系数。
本书可供水利、地质工程专业设计和技术人员以及高校科研工作者阅读和参考。

第1章　极端冰雪作用下边坡极限状态研究概述	001
1.1 研究背景及意义	001
1.2 国内外研究现状	002
1.2.1 极端冰雪灾害资料分析	002
1.2.2 极端冰雪灾害条件下边坡稳定性研究现状	004
1.2.3 冻土水、热耦合机理研究	006
1.2.4 极限状态设计方法的合理性	009
1.2.5 可靠度研究现状	011
1.2.6 设计基准期研究综述	014
1.2.7 分项系数研究综述	015

第2章 结构稳定分项系数极限状态设计方法	021
2.1 极限状态设计方法	023
2.1.1 结构极限状态原理	023
2.1.2 极限状态设计原则	025
2.2 设计基准期	026
2.2.1 关于设计基准期定义的讨论	026
2.2.2 确定设计基准期的思路	028
2.3 基于可靠度的设计方法	029
2.3.1 一次二阶矩法	031
2.3.2 正交试验法	035
2.3.3 基于正交试验的JC法	037
2.4 分项系数的极限状态设计法	043
2.4.1 分项系数发展历史	044
2.4.2 分项系数设计表达式	045
2.4.3 分项系数的确定方法	047

第3章 极端冰雪灾害条件下土体冻深计算研究	051
3.1 渗流场及温度场耦合基本理论	052
3.1.1 水分迁移理论	052
3.1.2 热传导问题	053
3.1.3 有限元离散	056
3.1.4 程序流程图	059
3.1.5 算例验证	061
3.2 算法改进	066
3.2.1 改进思路	067
3.2.2 算例验证	072

第4章 极端冰雪灾害对边坡稳定影响分析研究	080
4.1 计算方法原理	080
4.2 极端冰雪灾害条件下影响边坡稳定因素	082
4.2.1 雪荷载	083
4.2.2 融雪水荷载	084
4.2.3 冻胀力	086
4.3 极端冰雪灾害条件下边坡可靠度分析	088
4.3.1 计算模型	089
4.3.2 拟定荷载组合	089
4.3.3 随机变量的选用	090
4.3.4 各工况下边坡可靠度指标计算	091
4.3.5 计算结果分析	099

第5章 极端冰雪条件下既有边坡设计基准期研究	102
5.1 目标可靠指标	102
5.1.1 目标可靠指标的表示	102
5.1.2 目标可靠指标的确定方法	103
5.2 极端冰雪灾害条件下边坡设计基准期研究	109
5.3 不同设计基准期下敏度分析	110
5.3.1 设计基准期内最大荷载分布及统计参数	110
5.3.2 设计基准期和可靠指标的关系	112
5.3.3 设计基准期和抗力关系	114

第6章 冰雪作用下边坡稳定极限状态分项系数研究	117
6.1 分项系数确定的原则	118
6.2 分项系数的确定方法	120
6.2.1 基本假定	120
6.2.2 映射变换	121
6.2.3 抗力均值(R	123
6.3 荷载和荷载效应统计参数分析	125
6.3.1 荷载效应比	125
6.3.2 荷载均值系数	126
6.3.3 永久荷载统计参数	126
6.3.4 可变荷载统计参数	127
6.4 抗力分项系数的研究	131
6.4.1 抗力分项系数计算公式	131
6.4.2 抗力分项系数计算步骤	134
6.4.3 抗力分项系数计算结果及分析	138
6.5 可变荷载分项系数的研究	146
6.5.1 可变荷载分项系数计算公式	146
6.5.2 可变荷载分项系数计算步骤	147
6.5.3 可变荷载分项系数计算结果及分析	149
6.6 分项系数的优化	159

参考文献	167