CN111259473B - 一种基于混合极限平衡法的涉水岸坡安全系数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合极限平衡法的涉水岸坡安全系数计算方法，根据地质勘察报告，制作相应岸坡剖面的岸坡坡体二维模型；根据土体分层情况，在岸坡坡体二维模型输入土体参数，建立岸坡土体模型；在岸坡土体模型基础上对每层土体进行有限元网格划分，根据水位边界条件计算岸坡有限元模型坡体内渗流场浸润线位置，计算岸坡有限元模型初始地应力场；根据计算工况定义荷载，计算有效应力的重新分布；根据岸坡有限元有效应力场数据，求取滑动位置；根据滑动位置，利用有限元极限平衡法计算坡体安全系数；根据滑动位置，利用静力极限平衡法计算坡体安全系数；综合计算结果，得到坡体安全系数。解决岸坡安全系数在复杂地质条件下的定量计算问题。

Description

一种基于混合极限平衡法的涉水岸坡安全系数计算方法

技术领域：

本发明属于数值计算、工程设计及软件研发领域，具体涉及一种针对涉水边坡，将静力法和有限元法相混合对边坡安全系数进行计算的过程和方法。

背景技术：

我国幅员辽阔，江河众多，地质条件复杂。江河两岸的岸坡失稳崩塌或滑动的险情分布范围广泛，安全隐患较大。相比江河岸坡，水利工程中库岸边坡失稳的后果更加严重，对库区人民的生命财产安全危害巨大。为避免或减少岸坡失稳所造成的灾害和损失，对岸坡稳定性进行定量的分析和计算显得尤为重要

现有边坡稳定性分析的主要方法有静力极限平衡分析法、有限元强度折减法、界面元法、可靠度方法等。静力极限平衡分析法计算简便，工程应用广泛，但该方法不考虑边坡土体的应力应变关系，计算时需要假设滑动区域和土条之间的作用力，因此不仅计算结果有一定的误差，而且人为因素干扰较大。有限元强度折减法考虑边坡土体材料的本构模型，能够真实模拟应力应变特性，对土体材料的抗剪指标内摩擦角、粘聚力进行折减，进行多次折减试算，直至边坡沿某个滑面处于极限平衡状态。但是，用强度折减法计算安全系数时需要一个合理的临界状态判断标准。强度折减法所得安全系数值，其物理意义并不明确，也缺乏配套的评判标准，和目前常用的工程设计规范中安全系数定义存在冲突的情况。

在工程实际中，大部分情况下是非均质土坡。在传统的极限平衡分析法中，假设滑移的形状假设与实际相差较远，安全系数值与实际情况相差较大。因此，迫切需要一种可以准确计算滑面位置及形状规律，结合工程设计规范对岸坡安全系数进行分析的方法。

发明内容

为了克服岸坡安全系统传统静力计算方式的不足，本发明提供一种涉水岸坡安全系数计算方法，在建立岸坡土体模型的基础上，使用有限元方法求取岸坡内部应力场，分析岸坡薄弱部位，对滑动位置进行精确计算，进而综合有限元和静力极限平衡法的计算结果得到岸坡安全系数，减少了求取岸坡整体稳定性安全系数的人为干扰和不确定性，提供了一种精确定量的解决方案，显著提高了岸坡安全系数计算结果的可靠性。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种基于混合极限平衡法的涉水岸坡安全系数计算方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据地质勘察报告，制作相应岸坡剖面的岸坡坡体二维模型；

步骤2：根据土体分层情况，在岸坡坡体二维模型输入土体参数，建立岸坡土体模型；

步骤3：在岸坡土体模型基础上对每层土体进行有限元网格划分，根据水位边界条件计算岸坡有限元模型坡体内渗流场浸润线位置，计算岸坡有限元模型初始地应力场；

步骤4：根据计算工况定义荷载，计算有效应力的重新分布；

步骤5：根据岸坡有限元有效应力场数据，求取滑动位置；

步骤6：根据滑动位置，利用有限元极限平衡法计算坡体安全系数；

步骤7：根据滑动位置，利用静力极限平衡法计算坡体安全系数；

步骤8：综合上述计算结果，得到坡体安全系数。

本发明的进一步技术：

优选的，所述步骤1中，岸坡坡体二维模型的土体分层信息存储于标准的DWG文件格式中，如果为栅格图形形式，需要进行数字化处理，获取剖面分割线。

优选的，所述步骤2中，有限元单元网格以四边形网格为主，不规则边界辅助以三角形网格。

优选的，所述步骤3中，岸坡土体参数的主要包括土体的重度、压缩模量、渗透系数，内摩擦角等，各层土体的参数保持一致；设置水位作为边界条件，包括施工期水位，常水位和洪水水位等工况。

优选的，所述步骤5中，岸坡滑动位置确定，具体包括以下步骤：

步骤5-1：根据有限元应力场，求取坡顶剪应力分布曲线；

步骤5-2：取剪应力最大的点P，获取该有限元单元编号M；

步骤5-3：根据有限元单元各方向正应力和剪应力，求取主应力和方向；

步骤5-4：由主应力和方向计算该单元剪切面位置；

步骤5-5：由5-2中的点P，向5-4计算出的方向延伸，与相邻有限元单元M1相交于P1；

步骤5-6：如P1为边界线段上一点，则终止；否则记录线段PP1，令M＝M1，P＝P1，转5-3；

优选的，所述步骤6，7中，安全系数计算均采用有效应力法。

优选的，所述步骤8中，岸坡安全系数取静力法和有限元法计算结果较小值。

针对目前岸坡基于静力极限平衡方法计算安全系数的缺陷，通过对岸坡整体稳定性评价相关标准规范的研究，对岸坡的典型断面建立二维模型，并考虑到渗流因素对于坡体稳定性的影响，发明方法克服了静力法对于非均质土体计算误差较大的缺点，排除了人工干涉对于计算结果的干扰，解决岸坡安全系数在复杂地质条件下的定量计算问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

通过有限元方法计算出的应力场，应用极限平衡方法计算安全系数，与规范要求保持了一致，且应力取值更为合理；

以二维有限元模型网格为基础建立计算用的土条，减少了手工划分土条带来的计算误差；

有限元计算适用于复杂地质条件下的非均质土体，克服了静力法对于非均质土体计算误差较大的缺点；

通过计算应力场自动搜索滑动位置，排除了人工干涉对于计算结果的干扰；

使用混合静力法与有限元法，进行岸坡安全系数的极限平衡计算综合得出结果，计算结果更为科学合理。

附图说明:

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是本发明的主要执行流程示意图；

图2是本发明的具体实施例中的地质勘查资料图；

图3是本发明的具体实施例中的坡体二维模型；

图4是本发明的具体实施例中的坡体有限元模型及Y向有效应力场；

图5是本发明的具体实施例中的坡肩均布荷载；

图6是本发明的具体实施例中的坡顶有效剪应力分布曲线；

图7是本发明的具体实施例中的滑动面搜索示意图。

具体实施方式 :

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提出的一种基于混合极限平衡法的涉水岸坡安全系数计算方法的执行流程，包括建立坡体二维模型、有限元模型、应力场及渗流计算、极限平衡法分析和安全系数计算等一整套过程。本实施例方法，主要包括：

步骤1，建立岸坡稳定性研究对象的二维模型，完成方法的所用岸坡结构的数字化成图构建，该步骤包含以下步骤：

步骤1-1，以地质勘查资料图(图2)为底图，定义岸坡各层形状的关键点，如图上○所示，获取相对位置。

步骤1-2，在笛卡尔坐标系中，生成岸坡坡体二维模型，如图3 所示，图元中包含了坐标系示意和标注的关键点位置。

步骤2：根据土体分层情况，在岸坡坡体二维模型输入土体参数，建立岸坡土体模型，土体参数如下表所示；

表1各土层土体参数

步骤3：在岸坡土体模型基础上对每层土体进行有限元网格划分，网格单元以单一三角形网格方式划分，计算岸坡有限元模型初始总应力场；设置坡外坡内水位，插值得到坡体内水位线，计算有限元模型的孔隙水压力场，由总应力场和孔隙水压力场根据公式σ′_v＝σ_v-u计算得到坡体有效应力场。图4中显示了坡体内Y方向上有效应力等值线着色图。

步骤4：根据计算工况定义荷载，如图5所示，坡肩处均布载荷 780kPa，计算有效应力的重新分布；

步骤5：根据岸坡有限元有效应力场数据，求取滑动位置；具体包括以下步骤：

步骤5-1：根据有限元有效剪应力场，求取坡顶有效剪应力分布曲线，如图6所示；

步骤5-2：在实际计算中，为避免计算和插值误差带来的影响，建议取N(N＝5)个剪应力最大的点，获取该点所在有限元单元编号；

步骤5-3：根据有限元单元各方向有效正应力σ_x，σ_y和剪应力τ_xy，求取主应力σ₁，σ₃和和方向θ₁，θ₃；

步骤5-4：由主应力σ₁，σ₃和方向θ₁，θ₃计算该单元滑动面位置

其中

为内摩擦角；

步骤5-5：由5-2中的点P，向5-4计算出的方向延伸，与相邻有限元单元M1相交于P1，如图7所示；

步骤5-6：如P1为边界线段上一点，则终止；否则记录线段PP1，令M＝M1，P＝P1，转5-3；

步骤6：根据滑动位置构造积分路径，利用有限元极限平衡法计算坡体安全系数K′，K′＝∫_lτ_fdl/∫_lτdl，

其中τ_f为滑裂面底部抗剪强度，

为土体有效内摩擦角，c'为有效粘聚力，σ_f为滑裂面上土体的法向应力。

步骤7：根据滑动位置构造土条，利用静力极限平衡法计算坡体安全系数K″，

其中i为土条编号， M_ri、M_si为i土条的抗滑力矩和滑动力矩；W_i，l_i为i土条的重力和底面长度；α_i、c_i、

为i土条的底面倾角、粘聚力和内摩擦角。

步骤8：综合上述计算结果，得到坡体安全系数K，取K′及K″中安全系数较小者，表2列出了各种工况下计算出的安全系数K对比；

表2各工况静力法和有限元法安全系数对比

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于混合极限平衡法的涉水岸坡安全系数计算方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据地质勘察报告，制作相应岸坡剖面的岸坡坡体二维模型；

步骤2：根据土体分层情况，在岸坡坡体二维模型输入土体参数，建立岸坡土体模型；

步骤3：在岸坡土体模型基础上对每层土体进行有限元网格划分，根据水位边界条件计算岸坡有限元模型坡体内渗流场浸润线位置，计算岸坡有限元模型初始地应力场；

步骤4：根据计算工况定义荷载，计算有效应力的重新分布；

步骤5：根据岸坡有限元有效应力场数据，求取滑动位置；所述步骤5中，岸坡滑动位置确定，具体包括以下步骤：

步骤5-1：根据有限元应力场，求取坡顶剪应力分布曲线；

步骤5-2：取剪应力最大的点P，获取该有限元单元编号M；

步骤5-3：根据有限元单元各方向正应力和剪应力，求取主应力和方向；

步骤5-4：由主应力和方向计算该单元剪切面位置；

步骤5-5：由5-2中的点P，向5-4计算出的方向延伸，与相邻有限元单元M1相交于P1；

步骤5-6：如P1为边界线段上一点，则终止；否则记录线段PP1，令M=M1，P=P1，转5-3；

步骤6：根据滑动位置，利用有限元极限平衡法计算坡体安全系数；

步骤7：跟据滑动位置，利用静力极限平衡法计算坡体安全系数；

步骤8：综合上述计算结果，得到坡体安全系数。

2.根据权利要求1中所述的一种基于混合极限平衡法的涉水岸坡安全系数计算方法，其特征在于：所述步骤1中，岸坡坡体二维模型的土体分层信息存储于标准的DWG文件格式中，如果为栅格图形形式，需要进行数字化处理，获取剖面分割线。

3.根据权利要求1中所述的一种基于混合极限平衡法的涉水岸坡安全系数计算方法，其特征在于：所述步骤2中，有限元单元网格以四边形网格为主，不规则边界辅助以三角形网格。

4.根据权利要求1中所述的一种基于混合极限平衡法的涉水岸坡安全系数计算方法，其特征在于：所述步骤3中，岸坡土体参数的主要包括土体的重度、压缩模量、渗透系数，内摩擦角，各层土体的参数保持一致；设置水位作为边界条件，包括施工期水位，常水位和洪水水位工况。

5.根据权利要求1中所述的一种基于混合极限平衡法的涉水岸坡安全系数计算方法，其特征在于：所述步骤6，7中，安全系数计算均采用有效应力法。

6.根据权利要求1中所述的一种基于混合极限平衡法的涉水岸坡安全系数计算方法，其特征在于：所述步骤8中，岸坡安全系数取静力法和有限元法计算结果较小值。

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