CN114722478A - 一种碎屑岩接触模型参数获取方法及边坡稳定性分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于DEM的碎屑岩接触模型参数获取方法，包括：进行现场水平推剪试验，获取碎屑岩力学参数，并建立原位尺度颗粒模型；以离散元方法构建粒子群优化算法，进行碎屑岩接触模型参数反演，包括：构建适宜度函数，并初始化粒子群；进行粒子校核；更新粒子的速度和位置；获取最优解；获取碎屑岩接触模型参数。本发明进一步进行碎屑岩边坡稳定性分析。本发明通过构建适宜度函数，应用粒子群优化算法反演碎屑岩接触模型参数，提高了计算效率和计算精度。通过本发明的分析方法，为碎屑岩细观力学参数获取及边坡稳定性分析提供了一种有效手段，解决边坡工程中的风化碎屑岩边坡稳定系数计算、灾害防治等工程实践问题。

Description

一种碎屑岩接触模型参数获取方法及边坡稳定性分析方法
技术领域
本发明涉及地质灾害防治，特别涉及一种碎屑岩接触模型参数获取方法及边坡稳定性分析方法，用以公路、铁路及桥隧等边坡工程中的多级强风化碎屑岩边坡稳定系数计算、边坡工程防治等领域。
背景技术
我国碎屑岩分布较为广泛。随着工程建设的大规模开展，以碎屑岩为岩土载体的工程日益增多，低强度或风化碎屑岩斜坡失稳导致的环境地质问题及工程事故也日益增多。碎屑岩含有大量大块砾石，具有显著的不均匀性，难以应用常规手段获取其力学参数和分析其边坡稳定性，大大制约了风化碎屑岩边坡工程防治。
发明内容
鉴于现有技术的不足，为克服上述问题，本发明提供了一种碎屑岩接触模型参数获取方法及边坡稳定性分析方法，进行现场大型推剪试验获取碎屑岩力学参数，基于颗粒离散元数值计算方法，应用粒子群优化算法反演碎屑岩接触模型参数，最后采用强度加载法进行碎屑岩边坡稳定性分析。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明首先提供一种基于DEM的碎屑岩接触模型参数获取方法，包括以下步骤：
(1)进行现场水平推剪试验，获取碎屑岩力学参数，并建立原位尺度颗粒模型；
(2)以离散元方法构建粒子群优化算法，进行碎屑岩接触模型参数反演，包括：
(21)构建适宜度函数，并初始化粒子群；
(22)进行粒子校核；
(23)更新粒子的速度和位置；
(24)获取最优解；
(3)得到接触模型参数反演结果，由反演结果获取碎屑岩接触模型参数。
作为一种优选方案，步骤(1)中，碎屑岩力学参数包括：碎屑岩峰值荷载及对应位移、残余荷载。
作为一种优选方案，步骤(21)中构建适宜度函数具体为：
以碎屑岩峰值荷载及对应位移、残余荷载三个指标构建适宜度函数：
Figure BDA0003625299620000021
式中：
Figure BDA0003625299620000022
为适宜度值；
Ft、Fs分别为峰值荷载试验值与模拟值；
Dt、Ds分别为峰值荷载对应位移试验值与模拟值；
Rt、Rs分别为残余荷载试验值与模拟值；
ω1、ω2、ω3分别为峰值荷载及对应位移、残余荷载对应的权重，其和为1。
作为一种优选方案，步骤(21)初始化粒子群具体为：
选择接触模型，以模型参数为未知量，确定取值范围，初始化粒子群。
作为一种优选方案，步骤(21)初始化粒子群后还包括：
1)调用水平推剪试验，将粒子的颗粒模型参数输入原位尺度颗粒模型，进行水平推剪过程数值模拟，得到力学参数模拟值；
2)将力学参数模拟值代入适宜度函数，执行步骤(22)，进行粒子校核。
作为一种优选方案，步骤(22)进行粒子校核具体为：
1)以适宜度函数计算每个粒子的适宜度值，并对比该粒子在历史上的最优适宜度值，其对应位置为该粒子的个体最优位置；
2)更新个体最优适宜度值和最优位置；
3)完成每个粒子的校核后，依次比较每个粒子的个体最优适宜度值和全局最优适宜度值，并不断更新全局最优适宜度值，其对应位置为全局最优位置，即当前最优解；
4)判定是否满足条件，若是，则结束校核，得到接触模型参数反演结果，若否，则更新粒子的速度和位置，重新执行步骤(22)进行粒子校核。
作为一种优选方案，步骤(23)更新粒子的速度和位置具体为：
确定合理的参数取值，并更新每个粒子的速度和位置，即粒子在解域空间内随机运动，其运动轨迹受自身最优位置和全局最优位置共同影响。
作为一种优选方案，步骤(23)更新粒子的速度和位置后还包括：
1)调用水平推剪试验，将粒子的颗粒模型参数输入水平推剪试验，进行水平推剪过程数值模拟，得到力学参数模拟值；
2)将力学参数模拟值代入适宜度函数，执行步骤(22)，继续进行粒子校核。
本发明还提供一种碎屑岩边坡稳定性分析方法，包括以下步骤：
(1)由前述的方法获取碎屑岩接触模型参数；
(2)结合现场工程实际，概化碎屑岩数值模型，并分级建立颗粒模型；
(3)计算每一级边坡安全系数，分析边坡稳定性。
作为一种优选方案，碎屑岩边坡为多级强风化碎屑岩边坡。
本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明设计了一种碎屑岩接触模型参数获取方法及边坡稳定性分析方法，包括：现场大型推剪试验获取碎屑岩力学特征，克服了碎屑岩中大粒径导致的参数不易获取的难题；构建适宜度函数，应用粒子群优化算法反演碎屑岩细观力学参数，提高了计算效率和计算精度；选择强度加载法进行碎屑岩边坡稳定性分析，实现了颗粒离散元计算边坡稳定性系数。通过本发明的分析方法，为风化碎屑岩细观力学参数获取及边坡稳定性分析提供了一种有效手段，解决包括但不限于公路、铁路及桥隧等边坡工程中的风化碎屑岩边坡稳定系数计算、灾害防治等工程实践问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。
图1为本发明一个实施例的技术路线示意图；
图2为本发明一个实施例的碎屑岩荷载-位移曲线的模拟值与试验值对比示意图，其中a为强风化碎屑岩荷载-位移曲线，b为中风化碎屑岩荷载-位移曲线；
图3为本发明一个实施例的边坡颗粒与接触模型示意图；
图4为本发明一个实施例的破坏后边坡颗粒与接触模型示意图。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
还需要理解的是，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。
如图1所示，本发明首先提供一种基于DEM的碎屑岩接触模型参数获取方法，包括以下步骤：
(1)进行现场水平推剪试验，获取碎屑岩力学参数，并建立原位尺度颗粒模型；
(2)以离散元方法构建粒子群优化算法，进行碎屑岩接触模型参数反演，包括：
(21)构建适宜度函数，并初始化粒子群；
(22)进行粒子校核；
(23)更新粒子的速度和位置；
(24)获取最优解；
(3)得到接触模型参数反演结果，由反演结果获取碎屑岩接触模型参数。
在一些实施例中，碎屑岩力学参数具体包括：碎屑岩峰值荷载及对应位移、残余荷载，以现场水平推剪试验获取，如图2，获取碎屑岩荷载-位移关系曲线，得到碎屑岩峰值荷载、残余荷载，曲线横轴与虚线的交点即为峰值荷载对应位移，提前获取强风化碎屑岩的这三个指标以作为后面构建适宜度函数的参数。碎屑岩峰值荷载及对应位移、残余荷载能够反映碎屑岩荷载位移曲线的特征，本发明选取其作为构建适宜度函数的参数，并且能够真实反映碎屑岩的力学特性。
在一些实施例中，参见图1，通过构建粒子群优化算法来反演强风化碎屑岩接触模型参数具体包括：
首先，构建适宜度函数，并初始化粒子群；
以现场水平推剪试验获取的碎屑岩峰值荷载及对应位移、残余荷载三个指标，创新性地提出一种适宜度函数，具体如下：
Figure BDA0003625299620000061
式中：
Figure BDA0003625299620000071
为适宜度值；
Ft、Fs分别为峰值荷载试验值与模拟值；
Dt、Ds分别为峰值荷载对应位移试验值与模拟值；
Rt、Rs分别为残余荷载试验值与模拟值；
ω1、ω2、ω3分别为峰值荷载及对应位移、残余荷载对应的权重，其和为1。
本发明所构建的适宜度函数对三个力学参数进行了归一化处理，并且取了比值。通过取权重的方式，增加了该公式的自由度，获取的结果更为接近预期。
构建适宜度函数的同时，初始化粒子群，具体为：选择接触模型，以模型参数为未知量，确定取值范围，初始化粒子群。
需要说明，这里的接触模型指颗粒接触模型，有多种，接触模型参数也因模型的不同而有所差异，取值范围也会因反演结果的不同而有所不同，但该方法针对各种接触模型和取值范围都是适用的。
在一些实施例中，参见图1，初始化粒子群后，在进行粒子校核之前，本发明还进行第一次调用水平推剪试验，即：
1)调用水平推剪试验，将粒子的颗粒模型参数输入原位尺度颗粒模型，进行水平推剪过程数值模拟，通过水平推剪过程数值模拟，得到力学参数模拟值，即峰值荷载及对应位移、残余荷载模拟值；
2)将力学参数模拟值代入适宜度函数，进行粒子校核。
经过以上准备，本发明进入粒子校核环节，继续参见图1，在一些实施例中，粒子校核具体为：
1)以适宜度函数计算每个粒子的适宜度值，并对比该粒子在历史上的最优适宜度值，其对应位置为该粒子的个体最优位置；
2)更新个体最优适宜度值和最优位置；
3)完成每个粒子的校核后，依次比较每个粒子的个体最优适宜度值和全局最优适宜度值，并不断更新全局最优适宜度值，其对应位置为全局最优位置，即当前最优解；
4)更新全局最优位置后，判定是否满足条件，例如是否满足精度要求，具体的精度要求根据实际工程情况设定，若是，则结束粒子校核，得到接触模型参数反演结果，若否，则更新粒子的速度和位置，重新进行整个粒子校核环节。
在一些实施例中，更新粒子的速度和位置具体为：
确定合理的参数取值，参数取值即接触模型参数的取值，因反演结果的不同而有所差异，然后更新每个粒子的速度和位置，即粒子在解域空间内随机运动，其运动轨迹受自身最优位置和全局最优位置共同影响。
在一些实施例中，参见图1，更新粒子的速度和位置后，在进行粒子校核之前，本发明还进行第二次调用水平推剪试验，即：
1)调用水平推剪试验，将粒子的颗粒模型参数输入原位尺度颗粒模型，进行水平推剪过程数值模拟，通过水平推剪过程数值模拟，得到力学参数模拟值，即峰值荷载及对应位移、残余荷载模拟值；
2)将力学参数模拟值代入适宜度函数，进行粒子校核。
本发明在粒子校核过程中，通过反复计算个体最优适宜度值——更新个体最优位置——得到全局最优位置——根据设定条件更新粒子的速度和位置——再次进行粒子校核，直到获取最优解，得到接触模型参数反演结果。
在一些实施例中，本发明例如计算200步，获取最优解，即满足精度要求后，所得到的解就是计算过程中所有解中的最优解。
本发明进一步提供一种碎屑岩边坡稳定性分析方法，包括以下步骤：
(1)由前述的方法获取碎屑岩接触模型参数；
(2)结合现场工程实际，概化碎屑岩数值模型，并分级建立颗粒模型；
(3)计算每一级边坡安全系数，分析边坡稳定性。
再参见图2，图2中示出了碎屑岩荷载-位移曲线的模拟值和试验值对比，由图中显然可见，不管是强风化碎屑岩还是中风化碎屑岩，碎屑岩荷载-位移曲线的模拟值和试验值匹配的较好，说明本发明的方法都能够获得较好的结果，即最后得到的接触模型参数反演结果较为真实、准确，所得到的接触模型参数完全能够用于描述强风化碎屑岩的宏观力学行为。
如图3、图4，基于建立的颗粒模型，选择重力加载法计算每一级边坡安全系数，即可分析边坡稳定性，以及进行模拟和边坡开挖的优化，可见本发明的方法完全能够用于模型的建立并进行边坡稳定性分析。
本发明的稳定性分析方法尤其适用于多级强风化碎屑岩边坡。
本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
上文描述了几个说明性实施例，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。此类变更、修改和改进旨在形成本公开的一部分并且旨在落入本公开的精神和范围内。虽然这里呈现的一些示例涉及功能或结构元件的特定组合，但是应当理解，这些功能和元件可以根据本公开以其他方式组合以实现相同或不同的目的。特别地，结合一个实施例讨论的动作、元素和特征不旨在被排除在其他实施例中的类似或其他角色之外。此外，本文的元件和组件可进一步分成附加组件或结合在一起以形成用于执行相同功能的更少组件。因此，前述描述和附图仅作为示例，并不旨在进行限制，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种基于DEM的碎屑岩接触模型参数获取方法，包括以下步骤：
(1)进行现场水平推剪试验，获取碎屑岩力学参数，并建立原位尺度颗粒模型；
(2)以离散元方法构建粒子群优化算法，进行碎屑岩接触模型参数反演，包括：
(21)构建适宜度函数，并初始化粒子群；
(22)进行粒子校核；
(23)更新粒子的速度和位置；
(24)获取最优解；
(3)得到接触模型参数反演结果，由反演结果获取碎屑岩接触模型参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，碎屑岩力学参数包括：碎屑岩峰值荷载及对应位移、残余荷载。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(21)中构建适宜度函数具体为：
以碎屑岩峰值荷载及对应位移、残余荷载三个指标构建适宜度函数：
Figure FDA0003625299610000011
式中：
Figure FDA0003625299610000012
为适宜度值；
Ft、Fs分别为峰值荷载试验值与模拟值；
Dt、Ds分别为峰值荷载对应位移试验值与模拟值；
Rt、Rs分别为残余荷载试验值与模拟值；
ω1、ω2、ω3分别为峰值荷载及对应位移、残余荷载对应的权重，其和为1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(21)初始化粒子群具体为：
选择接触模型，以模型参数为未知量，确定取值范围，初始化粒子群。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(21)初始化粒子群后还包括：
1)调用水平推剪试验，将粒子的颗粒模型参数输入原位尺度颗粒模型，进行水平推剪过程数值模拟，得到力学参数模拟值；
2)将力学参数模拟值代入适宜度函数，执行步骤(22)，进行粒子校核。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(22)进行粒子校核具体为：
1)以适宜度函数计算每个粒子的适宜度值，并对比该粒子在历史上的最优适宜度值，其对应位置为该粒子的个体最优位置；
2)更新个体最优适宜度值和最优位置；
3)完成每个粒子的校核后，依次比较每个粒子的个体最优适宜度值和全局最优适宜度值，并不断更新全局最优适宜度值，其对应位置为全局最优位置，即当前最优解；
4)判定是否满足条件，若是，则结束校核，得到接触模型参数反演结果，若否，则更新粒子的速度和位置，重新执行步骤(22)进行粒子校核。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(23)更新粒子的速度和位置具体为：
确定合理的参数取值，并更新每个粒子的速度和位置，即粒子在解域空间内随机运动，其运动轨迹受自身最优位置和全局最优位置共同影响。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(23)更新粒子的速度和位置后还包括：
1)调用水平推剪试验，将粒子的颗粒模型参数输入水平推剪试验，进行水平推剪过程数值模拟，得到力学参数模拟值；
2)将力学参数模拟值代入适宜度函数，执行步骤(22)，继续进行粒子校核。
9.一种碎屑岩边坡稳定性分析方法，包括以下步骤：
(1)由权利要求1～8任一项所述的方法获取碎屑岩接触模型参数；
(2)结合现场工程实际，概化碎屑岩数值模型，并分级建立颗粒模型；
(3)计算每一级边坡安全系数，分析边坡稳定性。
10.根据权利要求9所述的分析方法，其特征在于：
碎屑岩边坡为多级强风化碎屑岩边坡。
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