岩质边坡滑坡形成机理分析方法、系统、设备及存储介质与流程

本发明涉及模型建立、有限元分析和离散元分析，尤其涉及一种岩质边坡滑坡形成机理分析方法、系统、设备及存储介质。

背景技术：

1、目前，在岩质边坡变形滑坡的数值模拟研究中，传统的数值模拟方法如有限元法和离散元法均无法对完整岩体在长期重力作用下产生的大变形、裂缝随机扩展和滑移失稳进行全过程模拟。有限-离散元耦合方法结合了有限元方法和离散元方法的优势，为边坡滑坡过程分析提供了更科学合理的计算方法。

2、有限离散元耦合方法把研究对象分成大量的离散单元，每个离散单元都是单独的，并与邻近的单元相互作用。每个离散单元都有自己的有限元网格，用于分析单元的变形性，通过有限元网格内的接触单元，考虑了离散单元的弹性滞后、断裂和破碎等材料非线性问题。

3、由于现代科学技术的进步和发展，尤其是在计算机领域，借助于计算机强大且快速的运算能力，可以运算由数百万个单元组成的有限离散元耦合模型，再加上算法的发展，许多商业有限元软件越来越多地采用有限离散元耦合方法，使得有限离散元耦合方法被应用于各种各样的工程和科学问题。

4、现有技术一，申请号：cn202310373507.0公开了坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性预测方法，包括：步骤1：基于反倾岩质边坡的几何参数和岩体力学参数构建二维反倾岩质边坡分析模型；步骤2：对二维反倾岩质边坡分析模型，基于边坡倾倒破坏面确定准则确定反倾岩质边坡倾倒破坏的破坏面；步骤3：基于岩块的尺寸及受力情况建立岩层间法向力的关系式，确定岩层间受力情况；步骤4：根据岩层间受力情况，判断坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性。但是，由于影响边坡稳定性的因素十分复杂，该技术的稳定性判断较为片面。

5、现有技术二，申请号：cn202211242366.0公开了一种节理岩质边坡岩体强度参数概率反演方法，通过现场地质调查和测量边坡信息，确定地质强度指标、岩石材料常数和岩石单轴抗压强度的先验分布信息；基于节理岩体强度参数的先验信息，采用拉丁超立方抽样方法抽取m组参数形成强度参数样本，逐个代入边坡数值模拟模型，进行正演模拟，输出对应的最小安全系数fs、临界滑面剪入口横坐标x、滑面深度h；构建神经网络预测模型作为边坡数值模拟模型的替代模型，检验替代模型的精度，并统计替代模型与边坡数值模拟模型之间的误差；构造对数似然函数，采用改进的dream(kzs)算法进行岩体强度参数反演；收敛性分析，统计强度参数后验概率分布中的统计特征值。但是，该技术计算结果不准确，进而导致工程设计与实际差异较大，造成一定的工程浪费。

6、现有技术三，申请号：cn201911175280.9公开了一种基于深部位移变形监测的边坡下滑推力计算方法，采用测斜管对边坡深部变形进行位移监测，得到边坡深部的连续变形量；对边坡岩土试样开展室内力学试验分析，得到边坡的内部岩土层弹性模量；基于弹性变形原理得到边坡的应力状态,进而推导出边坡下滑推力与推力形状分布。根据推力计算结果，采取相应的工程处理措施。但是，该技术计算结果精度较低，计算效率不高，适用范围较为单一。

7、目前现有技术一至现有技术三存在稳定性判断较为片面，计算效率不高，计算结果不准确，导致工程设计与实际差异较大，造成工程浪费，且适用范围较为单一等问题。因而，本发明提供一种岩质边坡滑坡形成机理分析方法、系统、设备及存储介质，通过建立边坡典型剖面二维有限元计算模型并进行网格划分，在每个网格之间插入零厚度的界面单元，生成离散的网格单元，赋予实体单元和零厚界面单元适当的物理力学参数；采用重度增加法对该模型进行计算，直到边坡达到临界破坏状态，得到边坡从初始状态到发生滑坡的完整过程，考虑了岩体中的节理裂隙对边坡稳定性的影响，更具科学性、可靠性。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种岩质边坡滑坡形成机理分析方法、系统、设备及存储介质，以解决现有技术中计算效率不高，计算结果不准确，导致工程设计与实际差异较大，造成工程浪费，且适用范围较为单一的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种岩质边坡滑坡形成机理分析方法，具体包括以下步骤：

4、建立边坡典型剖面二维有限元计算模型并进行网格划分；

5、对建立的边坡典型剖面二维有限元计算模型进行处理，在每个网格之间插入零厚度的界面单元，生成离散的网格单元；

6、通过地质勘察，确定岩体的力学参数以及节理界面单元参数；

7、采用重度增加法对模型进行计算，直到边坡达到临界破坏状态，得到边坡从初始状态到发生滑坡的完整过程，此时的重力加速度与初始地应力加速度之比为安全系数。

8、作为本发明的进一步改进，建立边坡典型剖面二维有限元计算模型并进行网格划分，包括：

9、根据地质勘测资料典型剖面，建立边坡二维有限元模型，用于反映边坡实际地质分层以及地质勘测揭露的地质现象；

10、对建立的边坡有限元模型进行网格划分，并对边坡表层容易发生滑坡危险的重点分析区域进行网格加密处理。

11、作为本发明的进一步改进，对建立的边坡典型剖面二维有限元计算模型进行处理，在每个网格之间插入零厚度的界面单元，生成离散的网格单元，包括：

12、在每个网格单元之间插入零厚度的界面单元离散网格单元；

13、选择本构模型模拟岩体和节理裂隙单元，实体单元采用mohr-coulumb本构模型，零厚度界面单元采用带拉断的mohr-coulumb破坏准则。

14、作为本发明的进一步改进，采用二次应力准则作为岩体开始破坏的依据，如下式所示：

15、

16、式中，、分别为界面单元的法向应力和切向应力；、分别为岩体的抗拉强度和抗剪强度；

17、在二次应力准则中，当法向应力和切向应力与相应的临界应力的比值的平方和相加为1时，界面单元则开始破坏；

18、损伤演化阶段中，界面单元的本构方程为：

19、

20、式中，、分别为界面单元的法向和切向刚度，、分别为界面单元的法向和切向应变；d为损伤因子，当d为0时表示界面单元处于完好状态，未出现损伤；当d为1时表示单元的法向应力和切向应力均为0，表明界面单元完失效，将界面单元删除；

21、通过定义断裂能的消耗过程控制界面单元的损伤演化过程，采用线性benzeggagh-kenane准则模拟损伤演化过程，具体公式如下所示：

22、

23、式中，、表示材料在法向荷载和剪切荷载下的临界断裂能；、为在法向和切向荷载下的断裂能；为界面单元在剪切荷载作用下的断裂能；为界面单元在混合荷载作用下的断裂能；为材料常数，最优值为2。

24、作为本发明的进一步改进，通过地质勘察，确定岩体的力学参数以及节理界面单元参数，包括：

25、通过地质勘察，对岩体进行单轴试验，测定岩体物理力学参数，包括岩体的容重、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角；

26、通过分析试算，确定节理裂隙界面单元的力学参数，包括法向刚度、剪切刚度、粘聚力、内摩擦角、临界抗拉强度、i型断裂能和ii型断裂能。

27、作为本发明的进一步改进，采用重度增加法对模型进行计算，直到边坡达到临界破坏状态，得到边坡从初始状态到发生滑坡的完整过程，此时的重力加速度与初始地应力加速度之比为安全系数，包括：

28、施加约束条件，模型岩体底部边界施加全约束；模型岩体左右边界施加x向水平向约束；边坡模型上部及临空表面为自由表面，无约束；

29、采用重度增加法对模型进行计算，不断增加重力直到计算刚好收敛，使得边坡达到临界破坏状态；

30、查看计算结果，边坡从坡脚附近逐渐开裂，裂缝从边坡底部逐渐向上扩展，随后贯通形成滑裂面，边坡达到临界状态时的重力加速度与初始地应力加速度之比为边坡安全系数；

31、将有限-离散元耦合方法与离散元方法、刚体极限平衡方法进行比较，验证有限-离散元耦合方法的可靠性。

32、作为本发明的进一步改进，在重度增加法中，重力加速度与初始地应力加速度之比为安全系数，则：

33、

34、式中，为边坡的安全系数，为临界失稳破坏时的重力加速度，为初始重力加速度；

35、边坡的安全系数还可定义为抗滑力和滑动力的比值，则：

36、

37、式中，c为粘性土的粘聚力，为法向应力，为土的内摩擦角，为土的抗剪强度；

38、重度增加f倍后，边坡的安全系数可变为：

39、

40、在重度增加法中，边坡的失稳判据为突变型判据，包括各种反应边坡模型系统中的突变现象，包括系统动能突变和监测点位移突变；当典型监测点的位移发生突变时，则滑动面开始贯通，边坡开始滑坡，引发系统动能的增加。

41、为实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：

42、一种岩质边坡滑坡形成机理分析系统，其应用于所述的岩质边坡滑坡形成机理分析方法，所述岩质边坡滑坡形成机理分析系统包括：

43、计算模型构建模块，用于建立边坡典型剖面二维有限元计算模型并进行网格划分；

44、网格单元离散处理模块，用于对建立的边坡典型剖面二维有限元计算模型进行处理，在每个网格之间插入零厚度的界面单元，生成离散的网格单元；

45、参数确定模块，用于通过地质勘察，确定岩体的力学参数以及节理界面单元参数；

46、边坡分析模块，用于采用重度增加法对模型进行计算，直到边坡达到临界破坏状态，得到边坡从初始状态到发生滑坡的完整过程，此时的重力加速度与初始地应力加速度之比为安全系数。

47、为实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：

48、一种电子设备，包括处理器、以及与所述处理器耦接的存储器，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令；所述处理器执行所述存储器存储的所述程序指令时实现如上述的岩质边坡滑坡形成机理分析方法。

49、为实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：

50、一种存储介质，所述存储介质内存储有程序指令，所述程序指令被处理器执行时实现能够实现如上述的岩质边坡滑坡形成机理分析方法。

51、本发明通过建立边坡典型剖面二维有限元计算模型并进行网格划分，在每个网格之间插入零厚度的界面单元，生成离散的网格单元，赋予实体单元和零厚界面单元适当的物理力学参数；采用重度增加法对该模型进行计算，直到边坡达到临界破坏状态，得到边坡从初始状态到发生滑坡的完整过程，此时的重力加速度与初始地应力加速度之比为安全系数。该方法考虑了岩体中的节理裂隙对边坡稳定性的影响，更具科学性、可靠性。

52、本发明中基于有限-离散元耦合的建模方法，可以还原真实地质条件，采用实体单元表示岩体，模型中可以反映真实地质分层、地质勘查中揭露的断层、挤压破碎带、软弱夹层等不利地质情况，在此基础上，采用零厚度的界面单元表示岩体中的节理裂隙，更加真实地反映真实地质情况。

53、本发明中提出了基于有限-离散元耦合的岩质边坡滑坡形成机理分析方法，结合有限-离散元耦合的建模方法和重度增加法，可以对完整岩体在长期重力作用下产生的大变形、裂缝随机扩展和滑移失稳进行全过程模拟，对边坡变形-开裂-崩塌-滑坡的全过程进行分析，为边坡治理提供有效参考。