基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析和预测预警方法
【专利摘要】本发明提出一种基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析和预测预警方法，在牵引式滑坡变形机理、斜坡与滑面的力学特性以及滑面不同点的演化特征分析的基础上，提出了牵引式斜坡的几种破坏模式、基于变形的稳定系数计算方法及斜坡坡面位移的决定方法，从而实施预测预报。其优点在于：提出了一种基于传统稳定性分析的不平衡拉力法和可以决定斜坡破坏时滑面、坡体及坡面上不同点的变形值，不同变形状态下的稳定性系数；可以实施斜坡渐渐破坏变形及力演化的过程描述；根据变形与时间的关系，针对斜坡的防护措施能够实施安全评价。
【专利说明】基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析和预测预警方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及斜坡稳定性分析及预测预警【技术领域】，特别涉及一种基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析及预测预警方法。
【背景技术】
[0002]牵引式斜坡的稳定性计算及预测预警一直采用的是推移式斜坡的经验稳定性计算及预测预警方法，迄今为止，还没有将两者加以区分开来。牵引式斜坡的稳定性计算及预测预警方法还不完善；另外，牵引式斜坡的破坏模型随着坡体的不同组成，其模式并不相同。且破坏时，各处的位移值均不相同，与推移式斜坡相比，破坏时推移式斜坡变形值很小，并不能完全适用于牵引式斜坡，导致计算及预测结果不精确。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是提出一种基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析和预测预警方法，在牵引式斜坡变形机理、坡体与滑面的力学特性以及滑面不同点的演化特征分析的基础上，提出了牵 引式斜坡的几种破坏模式、基于变形的稳定系数计算方法及斜坡坡面位移的决定方法，从而实施预测预报。
[0004]本发明基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析及预测预警方法，包括如下步骤:
[0005](I)分析牵引式斜坡的变形机理，将斜坡前缘以临界滑面为基准，定义为破坏后区、临界状态面及稳定状态区，牵引式斜坡高度与变形的关系呈现出S曲线特征；分析可能发生破坏的三种情况，情况I为沿最弱的滑面发生破坏，情况II为斜坡发生新的剪切破坏，情况III为坡体或坡体上的节理或裂隙发生拉破坏；
[0006](2)计算获得滑面各点的临界应变值，并计算出现行滑面临界应力状态点及位移值；
[0007](3)针对步骤(1)的三种情况分别计算稳定系数，进行稳定性分析；
[0008](4)利用边坡稳定性计算的滑面边界法获取斜坡坡面位移，进行预测预警。
[0009]所述情况II的剪切破坏由滑面的剪应力与剪应变的全过程曲线决定，情况III的拉破坏由坡体的拉应力与拉应变全过程曲线决定。
[0010]所述步骤(2)的具体计算过程如下:
[0011]步骤(211)分析斜坡的基本形态、特征，试验获得滑面的基本物理力学参数G、S、m、P、C、(Ka1, a2，a3，ξ N和坡体的弹性模量力学参数，计算相对应的位移场和应力场，通过应力场、位移场决定相对应的稳定系数；
[0012]步骤(2.2)将步骤(2.1)得到的参数代入公式τ = G r [1+Y m/S] Ρ，式中τ、y分别表示材料的剪应力和剪应变，τ、G的单位为MPa或kPa或Pa，S、m和P为无单位参数，且-1〈P ≤O 和 1+mp Φ O ；[0013]临界应力空间τ peak采用摩尔库伦准则τ peak = C+ σ ntan Φ，式中C为凝聚力，σ η为法向应力，C和σ η的单位为MPa或kPa或Pa, Φ为滑面摩擦角；
[0014]临界应变空间Ypeak采用公式-((σ? -α^/α) =1，式中σ η为法向应力，单位为MPa或kPa或Pa ；
[0015]临界应力空间与临界应变空间的关系为Tpeak/Ypeak = G[l_l/(l+mp)]p，临界应变空间符合公式S+(l+mp ) Ympeak = O ；
[0016]参数P = P 0/(l+(p 0/p c-l) (ο n/ o nc) ”，式中P。为法向应力ση为零值的P值，P。为ση等于时的P值，ζ为常系数。
[0017]所述步骤(3)可利用不平衡拉力法计算稳定系数:
[0018](3.1)先对选定坡体的滑面，结合坡面特征点决定滑面特征点，对滑面特征点的切线作垂线，交滑体坡面形成不同特征点；
[0019](3.2)连接各特征点形成直线，形成不平衡拉力法的计算条块；
[0020](3.3)不平衡拉力法的假设同不平衡推力法假设；
[0021](3.4)计算时，按条块编号从下往上进行；
[0022](3.5)计算方法为使斜坡体最上面的一个条块推力为零，从而获得不平衡拉力法的各条块下滑力、阻力、剩余拉力和稳定系数；
[0023]上述不平衡拉力法的条块划分是为了决定坡体各特征点对应的最小断面，比较各断面所对应的剩余拉力Pi和滑体相应断面对应的最大抗拉力=A'/大小,从而决定各
断面是否发生拉破坏，当> P:时，滑体发生拉破坏；
[0024]式中σ。\ Sd分别为滑体或节理、裂隙的抗拉强度和对应的断面面积乘积。
[0025]所述步骤(3)还可利用综合下滑力-抗滑力法计算稳定系数:
[0026]对于情况I或情况II选定的滑体的每个条块，对沿滑面的单元的下滑力P/和临界摩阻力Ti分别求其矢量和，形成综合下滑力Ps和综合摩阻力Τ，且分别与水平轴形成的最小夹角为ctE^D af，定乂稳定性系数为:
[0027]
【权利要求】
1.一种基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析和预测预警方法，其特征在于: 1)牵引式斜坡的变形机理分析，具体地讲，斜坡前缘为破坏后区、临界状态面及斜坡后缘稳定状态区的分析，牵引式斜坡高度与变形的关系呈现出“S”曲线特征，存在三种可能的破坏形式分析，提出了牵引式斜坡破坏的决定方法，各种物理量相对应的关系曲线图； 2)本构方程及参数决定方法； 3)稳定分析中的不平衡拉力法条块划分及计算和拉破坏的决定，牵引式斜坡的综合下滑力-抗滑力计算法、牵引式斜坡的主拉力法和牵引式斜坡变形稳定系数法的计算步骤及计算方法； 4)牵引式斜坡有限元滑面边界计算法的计算模型、计算步骤、收敛标准及位移、应力边界的赋值方法，所述应力边界即边界赋值满足本发明提出的本构关系； 5)主滑方向定义:主滑方向所指的对象为已滑动的坡体，简称已滑体，走向为已滑体的最大剖面方向，倾向为已滑体剖面所具有的倾向，倾角为已滑体下滑力的矢量和方向。
2.一种基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析和预测预警方法，其特征在于包含如下步骤: (1)分析牵引式斜坡的变形机理，将斜坡前缘以临界滑面为基准，定义为破坏后区、临界状态面及稳定状态区，牵引式斜坡高度与变形的关系呈现出S曲线特征；分析可能发生破坏的三种情况，情况I为沿最弱的滑面发生破坏，情况II为斜坡发生新的剪切破坏，情况III为坡体或坡体上的 节理或裂隙发生拉破坏； (2)计算获得滑面各点的临界应变值，并计算出现行滑面临界应力状态点及位移值； (3)针对步骤⑴的三种情况分别计算稳定系数，进行稳定性分析； (4)利用边坡稳定性计算的滑面边界法获取斜坡坡面位移，进行预测预警。
3.如权利要求2所述的基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析和预测预警方法，其特征在于:所述情况II的剪切破坏由滑面的剪应力与剪应变的全过程曲线决定，情况111的拉破坏由坡体的拉应力与拉应变全过程曲线决定。
4.如权利要求2所述的基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析和预测预警方法，其特征在于所述步骤(2)的具体计算过程如下: 步骤(2.1)分析斜坡的基本形态、特征，试验获得滑面的基本物理力学参数G、S、m、P、C、Φ,β1；β2,β3, ξΝ和坡体的弹性模量力学参数，计算相对应的位移场和应力场，通过应力场、位移场决定相对应的稳定系数； 步骤(2.2)将步骤(2.1)得到的参数代入公式τ =Gy[1+y7S]p，式中τ、Y分别表示材料的剪应力和剪应变，τ、G的单位为MPa或kPa或Pa，S、m和P为无单位参数，且 _1〈P <0 和 I +m P 古 O ; 临界应力空间Tpeak采用摩尔库伦准则^ak = C+ontancK式中C为凝聚力，ση为法向应力，C和σ n的单位为MPa或kPa或Pa, Φ为滑面摩擦角； 临界应变空间Ypeak采用公式=1，式中％为法向应力，单位为MPa或kPa或Pa ； 临界应力空间与临界应变空间的关系为TPMk/YpMk = G[l-l/(l+mp)]p，临界应变空间符合公式 S+(l+mp ) Ympeak = O ；参数P=P o/(1+( P o/P C-D ( 0 n/ 0 nC) ξ)，式中P。为法向应力O η为零值的P值，P C为等于O J时的P值，ζ为常系数。
5.如权利要求2所述的基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析和预测预警方法，其特征在于所述步骤(3)利用不平衡拉力法计算稳定系数: (3.1)先对选定坡体的滑面，结合坡面特征点决定滑面特征点，对滑面特征点的切线作垂线，交滑体坡面形成不同特征点； (3.2)连接各特征点形成直线，形成不平衡拉力法的计算条块； (3.3)不平衡拉力法的假设同不平衡推力法假设； (3.4)计算时，按条块编号从下往上进行； (3.5)计算方法为使斜坡体最上面的一个条块推力为零，从而获得不平衡拉力法的各条块下滑力、阻力 、剩余拉力和稳定系数； 上述不平衡拉力法的条块划分是为了决定坡体各特征点对应的最小断面，比较各断面所对应的剩余拉力Pi和滑体相应断面对应的最大抗拉力疔大小，从而决定各断面是否发生拉破坏，当r > P时，滑体发生拉破坏； 式中σ Λ Sd分别为滑体或节理、裂隙的抗拉强度和对应的断面面积乘积。
6.如权利要求2所述的基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析和预测预警方法，其特征在于所述步骤(3)利用综合下滑力-抗滑力法计算稳定系数: 对于情况I或情况II选定的滑体的每个条块，对沿滑面的单元的下滑力P/和临界摩阻力Ti分别求其矢量和，形成综合下滑力Ps和综合摩阻力Τ，且分别与水平轴形成的最小夹角为^和α f，定乂稳定性系数为:
7.如权利要求2所述的基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析和预测预警方法，其特征在于所述步骤(3)利用牵引式斜坡的主拉力法计算稳定系数: 对于情况I或情况II选定的滑体的每个条块，m-1条块为临界状态条块，求I~m-1条块滑面的剩余拉力P/矢量和，形成综合剩余拉力Pm，且与X轴的夹角为a sm ;求m至n每个条块的下滑力P/与临界摩阻力Ti差值的矢量和，形成综合剩余抗滑力Λ其与水平轴的夹角为afm_n，定义富余稳定性系数为:
8.如权利要求2所述的基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析和预测预警方法，其特征在于所述步骤(3)利用牵引式斜坡变形稳定系数法计算稳定系数: 定义牵引式边坡现状稳定系数，X轴方向的现状稳定系数为边坡后缘关键块发生破坏时沿滑面在X轴方向的位移矢量和Sp_t除以现状边坡前缘至滑面现状临界状态单元或条块在X轴方向的位移矢量和Srt，采用相同的方法定义Y、Z轴方向的现状稳定系数；综合稳定系数定义为边坡后缘关键块发生破坏时沿滑面在X、Y、Z轴方向的位移矢量和除以现状边坡前缘至滑面现状临界状态单元或条块在X、Y、Z轴方向的位移矢量和；存在三个不同方向的稳定系数，X、Y、Z轴三方向的稳定系数分别为FSpSj/VAF” = Se_tVSp_ty、Fs_z =sc-tz/sp_tz。
9.如权利要求2所述的基于牵引式斜坡变形破坏机理的稳定性分析和预测预警方法，其特征在于步骤(4)中所述边坡稳定性计算的滑面边界法，对于牵引式斜坡，取滑体作为计算对象，潜在滑动面上的力与位移以边界条件加以处理，滑面以梁单元或其它单元加以处理，基本假设为梁单元沿横向没有变形或变形遵循不同本构关系，坡体采用现行的各种单元；具体计算步骤如下: 第一步，选取坡体作为有限元计算对象，除滑面的正应力与剪应力外，坡体表面边界条件计算方法与常规一致，以滑面底边梁单元为第I单元，沿着滑面底边直至滑面顶面的最后一个梁单元依次排序定义为第N单元； 第二步，在滑面垂直方向赋应变为零，并在此基础上进行斜坡的第一次计算，从而获得滑面梁单元底面第一次计算的法向应力、切向应力和应变，如式(3，4)，
【文档编号】G06F19/00GK103942446SQ201410180387
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】卢应发, 刘德富, 石峻峰 申请人:湖北工业大学