CN110569609B - 一种边坡失稳后粒子位移临界值的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于边坡稳定和风险分析技术领域，尤其涉及一种边坡失稳后粒子位移临界值的确定方法，包括设计n组粘性土边坡的坡高和坡角；对于第i组边坡，用有限差分强度折减法分析，得到安全系数Fs_i和塑性区贯通带；画出塑性区贯通带的中间线，计算出有限差分法下的滑动土方量A_i；用光滑粒子流体动力学方法分析第i组边坡，将得到的安全系数Fs_i作为土体强度的折减系数，计算得到第i组粘性土边坡失稳后的粒子位移文件和边坡位移云图；计算第i组粘性土边坡失稳后的粒子位移临界值d*_i；令i＝i+1,且1≤i≤n，重复步骤2～步骤5，得到所有坡高、坡角相对应的粒子位移临界值

将得到的粒子位移临界值

与其对应的坡高h、坡角α制作成实用表格，供边坡风险分析用。本发明使得临界值的获得快捷、有效。

Description

一种边坡失稳后粒子位移临界值的确定方法

技术领域

本发明属于边坡稳定和风险分析技术领域，尤其涉及一种边坡失稳后粒子位移临界值的确定方法。

背景技术

边坡稳定作为土力学三大经典问题之一，确定性因素导致的应力、变形和稳定性分析方法已渐趋于完善和成熟，而分析过程中所包含的不确定性因素致使的风险暴露的愈加明显。所以边坡稳定的可靠度和风险分析成为科研工作者和工程师越发关注的课题。而进行风险分析时边坡失稳后粒子滑动的位移临界值亟需一种方便快捷、行之有效的确定方法。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提供了一种边坡失稳后粒子位移临界值的确定方法，其能快捷、有效地确定失稳后粒子的位移临界值，整理数据得到实用表格，并进一步用于边坡稳定的风险分析。

本发明解决的技术问题采用的技术方案为：一种边坡失稳后粒子位移临界值的确定方法，目的在于确定光滑粒子流体动力学方法(SPH)分析粘性土边坡稳定问题时土体粒子的位移临界值，以便应用于风险分析。具体包括步骤：

步骤1：边坡失稳后的滑动土方量只与坡高h和坡角α相关，故按照均分思想合理设计n组粘性土边坡的坡高h₁,h₂,...,h_n和坡角a₁,a₂,...,a_n，n为正整数；

步骤2、对于第i组粘性土边坡,1≤i≤n,且i为正整数，使用有限差分强度折减法进行分析，得到其安全系数Fs_i和塑性区贯通带；

步骤3、画出塑性区贯通带的中间线，并基于此线计算出第i组粘性土边坡有限差分法下的滑动土方量A_i；

步骤4、用光滑粒子流体动力学方法分析第i组粘性土边坡，将有限差分法得到的安全系数Fs_i作为土体强度的折减系数，计算得到第i组粘性土边坡失稳后的粒子位移文件和边坡位移云图；

步骤5、用MATLAB软件计算第i组粘性土边坡失稳后的粒子位移临界值d*_i；

用光滑粒子流体动力学方法对边坡进行稳定性分析时，每组边坡的土体将由N个粒子组成，在计算得到的粒子位移文件中，各个粒子的顺序按位移由大到小排列，依次将每个粒子的位移记为d₁，d₂，…，d_j，…，d_N；

记参数A*_i为光滑粒子流体动力学方法计算得到的第i组边坡的滑动土方量，参数d*_i为第i组边坡的粒子位移临界值；

5.1、将A*_i的初值赋为0，d*_i的初值赋为该组边坡最大的粒子位移，即d*_i＝d₁，令j＝1；

5.2、判断d*_i≤d_j是否成立，其中1≤j≤N，j为正整数；

若成立，则进行步骤5.3；

若不成立，则进行步骤5.4；

5.3、令A*_i＝A*_i+0.04，其中0.04m²为一个粒子的土方量，令j＝j+1，跳至步骤5.2继续进行；

5.4、判断|A*_i-A_i|/A_i＜1％是否成立，即判断两种方法所计算的土方量误差是否在1％以内；

若成立，即输出粒子位移临界值d*_i；

若不成立，则令A*_i＝0，d*_i＝d*_i-0.001，令j＝1，因为粒子位移最小精确到千分位，跳至步骤5.2继续进行。

步骤6、令i＝i+1,且1≤i≤n，重复步骤2～步骤5的过程，得到所有坡高、坡角相对应的粒子位移临界值

步骤7、将得到的粒子位移临界值

与其对应的坡高h、坡角α制作成实用表格，以供作边坡风险分析时使用。

本发明具有以下有益效果：本发明通过对比有限差分强度折减法和光滑粒子流体动力学方法(SPH)计算得到的滑坡土方量，从而确定失稳后的位移临界值，整理数据得到实用表格，进一步用于边坡稳定的风险分析，本发明所述方法使得临界值的获得快捷、有效。

附图说明

图1是本发明所提供实施例的流程框图；

图2是本发明所提供实施例中步骤5的流程图；

图3是本发明所提供实施例中具体算例模型示意图；

图4是本发明方法的验证图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例一：

如图1～图4所示，本发明所述的一种边坡失稳后粒子位移临界值的确定方法，本发明的目的在于确定光滑粒子流体动力学方法(SPH)分析粘性土边坡稳定问题时土体粒子的位移临界值，以便应用于风险分析。

首先，用有限差分强度折减法计算得到边坡的安全系数以及塑性发展区贯通带，并画出贯通带的中间线，进而计算出边坡失稳后的滑动土方量；

然后，用光滑粒子流体动力学方法(SPH)计算得到边坡失稳后土体粒子的滑动位移和位移云图，并按粒子位移的大小顺序逐个累加粒子的土方量，并与有限差分强度折减法的土方量作对比，得到该工况下的粒子位移临界值，最后，重复以上步骤，计算不同工况下的粒子位移临界值，并整理成实用表格。

具体包括如下步骤：

步骤1：在坡下土层厚度一定的情况下，土体的材料参数变化只会改变拟研究边坡的安全系数，而不会改变滑动破坏面的形状和位置，边坡失稳后的滑动土方量只与坡高h和坡角α相关，故按照均分思想合理设计n组粘性土边坡的坡高h₁,h₂,...,h_n和坡角a₁,a₂,...,a_n，n为正整数；

步骤2、对于第i组粘性土边坡,1≤i≤n,且i为正整数，使用有限差分强度折减法进行分析，得到其安全系数Fs_i和塑性区贯通带；

步骤3、画出塑性区贯通带的中间线，并基于此线计算出第i组粘性土边坡有限差分法下的滑动土方量A_i；

步骤4、用光滑粒子流体动力学方法(SPH)分析第i组粘性土边坡，将有限差分法得到的安全系数Fs_i作为土体强度的折减系数，计算得到第i组粘性土边坡失稳后的粒子位移文件和边坡位移云图；

步骤5、用MATLAB软件计算第i组粘性土边坡失稳后的粒子位移临界值d*_i；

用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对边坡进行稳定性分析时，每组边坡的土体将由N个粒子组成，在计算得到的粒子位移文件中，各个粒子的顺序按位移由大到小排列，依次将每个粒子的位移记为d₁，d₂，…，d_j，…，d_N；

记参数A*_i为光滑粒子流体动力学方法(SPH)计算得到的第i组边坡的滑动土方量，参数d*_i为第i组边坡的粒子位移临界值；

步骤5.1、将A*_i的初值赋为0，d*_i的初值赋为该组边坡最大的粒子位移，即d*_i＝d₁，令j＝1，因为粒子位移文件中，各个粒子的顺序按位移由大到小排列，依次将每个粒子的位移记为d₁，d₂，…，d_N，最大的粒子位移即为d₁；

步骤5.2、判断d*_i≤d_j是否成立，其中1≤j≤N，j为正整数；

若成立，则进行步骤5.3；

若不成立，则进行步骤5.4；

步骤5.3、令A*_i＝A*_i+0.04，其中0.04m²为一个粒子的土方量，令j＝j+1，跳至步骤5.2继续进行；

步骤5.4、判断|A*_i-A_i|/A_i＜1％是否成立，即判断两种方法所计算的土方量误差是否在1％以内；

若成立，即输出粒子位移临界值d*_i；

若不成立，则令A*_i＝0，d*_i＝d*_i-0.001，j＝1，因为粒子位移最小精确到千分位，跳至步骤5.2继续进行。

步骤6、令i＝i+1,且1≤i≤n，重复步骤2～步骤5的过程，得到所有坡高、坡角相对应的粒子位移临界值

步骤7、将得到的粒子位移临界值

与其对应的坡高h、坡角α制作成实用表格，以供作边坡风险分析时使用。

根据表1，以一实际算例说明本发明的可行性。

某粘性土边坡，其几何尺寸如图3所示，土的重度γ＝19kN/m³，粘聚力c＝55kPa，内摩擦角

计算该边坡失稳后粒子位移的临界值。

首先，由极限平衡法易知该边坡安全系数为1.204，是一稳定边坡，并可以得到其滑动破坏面。

然后查表1可知，该边坡失稳后其粒子位移临界值为0.7363m，图4为本发明用于该算例的验证图，可以看出大于位移临界值的粒子组成的滑动土体与极限平衡滑动面贴合得十分一致，证明了本发明是一种行之有效的方法。

表1、边坡失稳后粒子位移临界值的实用表(单位：m)

以上所述为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书以及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种边坡失稳后粒子位移临界值的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：边坡失稳后的滑动土方量只与坡高h和坡角α相关，故按照均分思想合理设计n组粘性土边坡的坡高h₁,h₂,...,h_n和坡角a₁,a₂,...,a_n，n为正整数；

步骤2、对于第i组粘性土边坡,1≤i≤n,且i为正整数，使用有限差分强度折减法进行分析，得到其安全系数Fs_i和塑性区贯通带；

步骤3、画出塑性区贯通带的中间线，并基于此线计算出第i组粘性土边坡有限差分法下的滑动土方量A_i；

步骤4、用光滑粒子流体动力学方法分析第i组粘性土边坡，将有限差分法得到的安全系数Fs_i作为土体强度的折减系数，计算得到第i组粘性土边坡失稳后的粒子位移文件和边坡位移云图；

步骤5、用MATLAB软件计算第i组粘性土边坡失稳后的粒子位移临界值d*_i；

用光滑粒子流体动力学方法对边坡进行稳定性分析时，每组边坡的土体将由N个粒子组成，N为正整数，在计算得到的粒子位移文件中，各个粒子的顺序按位移由大到小排列，依次将每个粒子的位移记为d₁，d₂，…，d_j，…，d_N；

记参数A*_i为光滑粒子流体动力学方法计算得到的第i组边坡的滑动土方量，参数d*_i为第i组边坡的粒子位移临界值；

步骤如下：

步骤5.1、将A*_i的初值赋为0，d*_i的初值赋为该组边坡最大的粒子位移，即d*_i＝d₁，令j＝1；

步骤5.2、判断d*_i≤d_j是否成立，其中1≤j≤N，j为正整数；

若成立，则进行步骤5.3；

若不成立，则进行步骤5.4；

步骤5.3、令A*_i＝A*_i+0.04，其中0.04m²为一个粒子的土方量，令j＝j+1，跳至步骤5.2继续进行；

步骤5.4、判断|A*_i-A_i|/A_i＜1％是否成立，即判断两种方法所计算的土方量误差是否在1％以内；

若成立，即输出粒子位移临界值d*_i；

若不成立，则令A*_i＝0，d*_i＝d*_i-0.001，j＝1，跳至步骤5.2继续进行；

步骤6、令i＝i+1,且1≤i≤n，重复步骤2～步骤5的过程，得到所有坡高、坡角相对应的粒子位移临界值

步骤7、将得到的粒子位移临界值

与其对应的坡高h、坡角α制作成实用表格，以供作边坡风险分析时使用。

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