一种基于岩土特性的边坡稳定性分析方法

本发明涉及交通运输工程领域，尤其是一种基于岩土特性的边坡稳定性分析方法。

背景技术：

1、基于岩土特性的边坡稳定性分析方法技术背景是一个多学科交叉、综合性的研究领域，它主要依赖于对岩土体物理力学特性的深入理解，结合先进的数值模拟技术和概率统计分析方法。这一技术背景的核心在于通过修正拟动力法等手段，充分考虑岩质边坡的三维特性和动力响应，以及数值工具在模拟复杂地质条件下的应用，从而实现对边坡在静力和动力作用下的稳定性进行精确分析。同时，体系可靠度分析的应用使得评估过程能够涵盖多个潜在的滑动面和岩体强度参数的非线性特征，增强了评估结果的合理性，考虑到岩体强度参数的时效性(流变)对边坡长期稳定性的影响，以及岩土参数随机性对稳定可靠度的作用，这些方法都在不断地完善和优化，以期在工程设计中提供更加可靠的数据支持，保障工程安全，减少因边坡失稳导致的灾害风险。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于岩土特性的边坡稳定性分析方法，用以解决上述问题；

2、本发明提供一种基于岩土特性的边坡稳定性分析方法，包括以下步骤：

3、s1、对边坡的地质结构、岩土体类型、分布特征进行详细的勘察，分析岩土体的物理性质，如密度、含水量、孔隙比等；

4、s2、进行室内外试验，获取岩土体的力学参数，如抗剪强度(c、φ值)、弹性模量、泊松比等；

5、s3、考察地下水位变化、降雨入渗、地下水流动对边坡稳定性的影响，分析不同水文地质条件下岩土体强度的变化；

6、s4、模型建立，根据地质勘察和参数测试结果，建立合适的边坡稳定性分析模型，极限平衡法、有限元法、离散元法等，考虑不同模型对边界条件、初始应力状态、本构关系的模拟；

7、s5、利用建立的模型进行稳定性计算，得出安全系数或直接进行稳定性评价，分析不同工况下的边坡稳定性，天然状态、暴雨、降雪等；

8、s6、对边坡进行位移、渗流、地下水等模型分析，收集数据，根据模拟结果对模型进行修正和反馈分析。

9、根据本发明提供一种基于岩土特性的边坡稳定性分析方法，所述步骤s1，具体包括以下步骤：

10、s11、收集区域基础地理信息数据，包括基础区域面积数据，边坡横纵面长度；

11、s12、收集边坡地形地貌数据，包括区域所属环境地貌特征、地形形状特征、地面裂缝分布、水文分布特征；

12、s13、收集地面高程数据，包括边坡坡脚至坡顶总高度，各部分的倾斜角度；

13、s14、收集地层岩土特性数据集，包括边坡地下岩层深度分布特征、岩层强度参数、岩层水力参数，在边坡的不同部位进行取样，包括原状土样和岩石样品；

14、s14、收集历史天气数据集，包括过去十年区域平均月降水量、平均气温分布、平均降雪量。

15、根据本发明提供一种基于岩土特性的边坡稳定性分析方法，所述步骤s2，进行室内外试验，获取岩土体的力学参数，如抗剪强度(c、φ值)、弹性模量、泊松比等；

16、s21、整合步骤一对边坡岩土勘察收集到的数据，对数据进行分类和去冗余处理，保留参考性强的数据；

17、s22、如图2所示，对边坡地层岩土进行区域划分，根据探测深度进行岩石层的分类处理；

18、s23、根据原状土样和岩石样品，进行室内实验，包括直剪试验、三轴剪切试验等，测定岩土体的粘聚力(c值)和内摩擦角(φ值)；

19、s24、根据划分好的地层区域，进行声波测试，得到返回的声波，根据弹性波动理论计算出相应的弹性模量和泊松比。

20、根据本发明提供一种基于岩土特性的边坡稳定性分析方法，确定基于弹性波动理论计算出相应的弹性模量和泊松比，所述步骤s32，具体包括以下步骤：

21、s241、采用钻孔岩芯试件测试横波速度，剪切波速测试采用单孔剪切波速法(检层法)，读取正、反两方向的实测波形，找出波形交叉点，读取初至波传播时间，按公式计算出各测点(层)剪切波速值，从而计算出土层的等效剪切波速值；

22、

23、vse＝d0/t；

24、

25、其中，vi是第i-1点至第i点土层的剪切波速；hi第i点的深度；hi-1第i-1点的深度；di计算深度范围内第i土层的厚度；s激振板中心到孔中心的距离；ti第i点的剪切波到时；ti-1第i-1点的剪切波到时；vse土层等效剪切波速；d0计算深度；t剪切波在地面至计算深度之间的传播时间；vsi计算深度范围内第i土层的剪切波速；n计算深度范围内土层的分层数；

26、s242、在现场，通过声波法测出岩体的纵波波速，采用—发双收井下换能器，发射至接收一间距30cm，接收一至接收二间距20cm，在钻孔(赋存井液的裸孔)内沿井壁发射、接收声波信息，在仪器采集的波形中根据波形起跳点确定纵波初至走时，计算纵波波速；

27、

28、

29、

30、

31、

32、其中ed，μ，gd，qd和ρ分别是岩体的动弹性模量，泊松比，动剪切模量，动体积模量和密度；vp，vs分别为岩体中纵波和横波的传播速度，从公式可以看出，测出ρ后，只要测出vp，vs，便可以计算出岩体的动模量和泊松比。

33、根据本发明提供一种基于岩土特性的边坡稳定性分析方法，所述步骤s3，考察地下水位变化、降雨入渗、地下水流动对边坡稳定性的影响，不同水文地质条件下岩土体强度的变化，具体包括以下步骤：

34、s31、确定边坡地下水分特征，干涸状态下地下水位深度；

35、s32、将收集到的历史天气数据集进行分类，确定一年中最大降雨量、降雪量出现的月份，收集至少近十年的历史天气数据，包括降雨量、降雪量、气温、湿度等，对收集到的数据进行预处理，包括数据清洗、缺失值处理、异常值检测等，确保数据质量，将预处理后的数据按照月份进行分类，分别统计各月份的降雨量和降雪量，利用统计学方法，如箱线图、直方图等，分析各月份降雨量、降雪量的分布特征，确定一年中最大降雨量和降雪量出现的月份，并分析其与气候变化、地理位置等因素的关系。

36、s33、通过查阅地区水分手册及室内实验确定不同岩性下的渗透系数，在室外选定的钻孔或竖井中对含水层进行地下水抽取，形成人工降深场，通过涌水量与水位下降的关系来测定含水层的富水程度和水文地质参数。

37、根据本发明提供一种基于岩土特性的边坡稳定性分析方法，确定降雪量分布特征时，所述步骤s32，具体包括以下步骤：

38、s321、采用了度日因法，通过估算融雪过程中的能量平衡，结合温度和时间，来量化在一定温度范围内，每升高1度温度时，融雪所需的总能量；

39、度日模型计算公式：

40、

41、其中，ms为融雪厚度；ddfs为度日因子，通过查阅新疆地质水文手册以及相关文献，取度日因子为3mm/(℃·d)；tm为日平均温度，用月平均温度来代替；tb为基准温度，正常情况下为0℃。

42、根据本发明提供一种基于岩土特性的边坡稳定性分析方法，所述步骤s4，建立合适的边坡稳定性分析模型，极限平衡法、有限元法、离散元法等，考虑不同模型对边界条件、初始应力状态、本构关系的模拟，具体包括以下步骤：

43、s41、建立二维有限元模型，分析边坡在不同的降雨条件下的稳定性及其渗流特性，采用geo-studio软件，对边坡的典型横截面进行详细的稳定性分析和渗流场模拟；

44、s42、将边坡岩性划分为不同的层次，以真实地反映边坡的地质结构，选取合适的滑体的倾斜角度，这一角度的选择与实际边坡的倾斜角度相符，模型左侧及下侧边界设置为不透水边界，上边界为透水边界使雨水可以自由渗入，右边界为零压力水头边界，使得雨水能够排出土体；

45、s43、为了更好地模拟降雨过程中水分的分布和流动，模型被划分为三个区域：降水渗入区域、滑坡易发区和降水渗出区域，进行渗流状态分析时，在边坡的三个不同区域表层共选取多个观测点，用以监测土壤孔隙水压力的变化；

46、s44、采用geo-studio数值模拟软件中的seep/w模块和slope/w模块进行渗流和稳定性分析，揭示边坡渗流趋势及安全系数的变化规律；

47、根据本发明提供一种基于岩土特性的边坡稳定性分析方法，确定基于geo-studio数值模拟软件中的seep/w模块和slope/w模块进行渗流和稳定性分析，所述步骤s44，具体包括以下步骤：

48、s441、在seep/w模块中对边坡进行饱和—非饱和渗流分析，饱和—非饱和渗流方程为：

49、

50、i、j＝1,2,3。

51、其中，为饱和渗透张量；kr(hc)为负压水头下hc与非饱和导水率k之间的函数，其值在饱和区为1在非饱和区为介于0和1之间的数；ω为汇源指数；c为容水度；

52、s442、在考虑土壤体积含水量时，采用fredlund-xing模型，用于描述非饱和土体的土水特征曲线(swcc)的数学模型，在fredlund-xing模型中，土水特征曲线的形状取决于土壤的孔隙大小分布，使用非线性最小二乘法计算机程序来确定实验数据的最佳拟合参数，模型的方程基于这样的假设：土水特征曲线的形状受土壤孔隙大小分布的影响，fredlund-xing模型表达式为：

53、

54、其中，θ为体积含水率；θs为残留含水率；s为饱和基质吸力；sr为残余含水率对应的基质吸力；e为土壤孔隙比；a是土壤孔隙大小分布的影响参数；m、n为形状参数。

55、基于fredlund土壤强度理论，非饱和土的抗剪强度理论公式如下:

56、

57、式中：τf为剪应力；c′为有效粘聚力；σn为法向总应力；uw为孔隙水压力；有效内摩擦角；为随基质吸力变化的内摩擦角；ua为孔隙气压力；

58、s443、在slope/w模块中利用极限平衡法对边坡进行稳定性分析，滑坡推力计算宜采用传递系数法，条块作用力系如图所示，当ti＜0时，即出现与滑动方向相反的滑动分力时应取ti＝0。当滑坡体最后一个条块的剩余下滑力小于或等于0时，滑坡稳定；当大于0时，滑坡不稳定；

59、如图三所示，滑坡土体单元贡献公式：

60、

61、

62、

63、

64、

65、其中，fs为安全系数，ti为第i块滑块的下滑力，wi为第i块滑块的自重力，wbi为滑块地表外加载荷，αi为第i块滑块的倾角，ψi为传递系数，为第i块滑块的内摩擦角，ci为土体的粘聚力，li为滑块长度，ri为滑块在滑动面上的抗力。

66、根据本发明提供一种基于岩土特性的边坡稳定性分析方法，所述步骤s5，利用建立的模型进行稳定性计算，得出安全系数或直接进行稳定性评价，分析不同工况下的边坡稳定性，如天然状态、暴雨、降雪等，具体包括以下步骤：

67、s51、基于各层土壤的渗透系数及孔隙比，在seep/w模块中输入各参数值，定义好土壤层边界，依次输入每个土壤层的渗透系数和孔隙比参数值，在模型中明确各土壤层的边界条件，包括层与层之间的接触面特性，以及土壤层与周围介质(如基岩、水体等)的相互作用；

68、s52、在模型的上边界定义降雨量及降雪量折合为降雨量的强度，左、右、下边界定义为不透水边界，在模型的上边界，根据气象数据将降雨量及降雪量转换为等效降雨强度，考虑降雪融化后的水体积，设置降雨强度为周期性变化，以模拟实际降雨过程，将模型的左、右边界定义为不透水边界，以模拟实际边坡两侧的地质条件，在模型的下边界，同样定义为不透水边界，以模拟地下水位的底部限制条件；

69、s53、将降水量定义为周期性变化，定义周期性停雨期，运行两个周期并观察边坡渗流长及安全系数变化，将降水量定义为周期性变化，模拟实际降雨的季节性特征，设定周期性停雨期，以模拟降雨间隔期内的渗流恢复过程，运行模型两个完整的降雨-停雨周期，以观察边坡渗流场的动态变化，在模拟过程中，实时监测边坡的渗流长度和安全系数，分析其在不同降雨阶段的变化趋势，通过对比分析，评估边坡在不同降雨条件下的稳定性，为边坡防护设计提供科学依据。

70、根据本发明提供一种基于岩土特性的边坡稳定性分析方法，所述步骤s6，对边坡进行位移、渗流、地下水等模型分析，收集数据，根据模拟结果对模型进行修正和反馈分析：

71、s61、在seep/w分析模块中建立与位移分析相对应的渗流模型，输入各层土壤的渗透系数、孔隙比等参数，定义降雨入渗等边界条件，模拟不同降雨强度条件下的边坡渗流场，收集渗流路径、流速、孔隙水压力等数据；

72、s62、结合渗流分析结果，对地下水流场进行模拟，考虑地下水位变化对边坡稳定性的影响，分析地下水流动对土壤有效应力分布的影响，以及可能引起的土体软化现象，收集地下水位、水力坡度、渗透系数等关键数据；

73、s63、根据模拟结果对模型进行修正和反馈分析，在收集到初步模拟结果后，进行优化模型和提高分析的准确性。

74、根据本发明提供一种基于岩土特性的边坡稳定性分析方法，进行优化模型和提高分析的准确性，所述步骤s63，具体包括以下步骤：

75、s631、比较模拟结果与现场监测数据，识别模型中的偏差，根据偏差分析，调整模型参数，如渗透系数、土体力学参数等，以更好地反映实际情况，如果必要，重新定义模型边界条件，以确保模拟的准确性；

76、s632、将修正后的参数重新输入模型，进行新一轮的模拟分析，重复位移、渗流、地下水分析步骤，直至模拟结果与现场数据吻合度较高，通过反馈分析，验证模型修正的有效性，确保模型能够准确预测边坡的稳定性。