CN117688780A - 一种计算二维多级堆载边坡局部和全局安全系数的方法 - Google Patents
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Abstract
一种计算二维多级堆载边坡局部和全局安全系数的方法，属于岩土工程数值仿真计算领域。包括几何模型的输入、土块数量判断、土块边界划分、极限平衡分析、多级边坡循环分析等过程；本发明可以解决现有的二维边坡极限平衡计算软件在计算时，需要输入地表坐标，遇到上述多级堆载边坡时，需要手动输入建立很多个模型，效率较低的问题；具有操作简单、建模效率高、功能全面、结果准确，且通过对整体安全系数与局部安全系数的计算，使得其分析结果更具有可靠性与经济性的优点。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程数值仿真计算领域，涉及一种计算二维多级堆载边坡局部和全局安全系数的方法，本技术主要应用于高速铁路、高速公路等工程建设过程中，对二维多级堆载边坡稳定性的分析与计算工作。
背景技术
当前，我国正在大力推进地铁、高速公路等工程的建设，需要解决众多边坡稳定性的分析与计算问题。目前，采用极限平衡法对多级堆载边坡的稳定性进行分析计算时，常用的方法是将每个堆载步骤转为一个边坡模型。即多级堆载边坡可转化为多个边坡模型来计算其稳定性，每个边坡模型计算得到一个安全系数。
这样带来两个问题，第一，工作量比较大；第二，当有两个以上的堆载步骤时，第二个堆载步以后的边坡模型可能包含两个以上的边坡，其计算出的一个安全系数只能是全局最小安全系数，得不到局部安全系数。想要得到局部安全系数，需要对模型进行多次局部计算。此外，采用极限平衡法计算边坡安全系数的软件需要人工输入地表，软件根据输入的地表信息才能计算极限平衡法的土条等信息，之后才能计算安全系数。上述问题的解决的关键之处在于提供一种自动识别二维多级堆载边坡地表线，故根据不同的地表线就可以计算边坡的局部安全系数和全局安全系数。
目前，常用的二维边坡极限平衡计算软件在计算时，需要输入地表坐标，遇到上述多级堆载边坡时，需要手动输入建立很多个模型，效率较低。并且模型的形式受设计计算人员对工程的理解程度和经验影响，无法真正的建立设计与施工步骤的结合，计算结果直接影响工程的可靠性和经济性。
发明内容
本发明的目的是提供一种计算二维多级堆载边坡局部和全局安全系数的方法，解决现有技术中存在的多次建模、效率低下、未实现设计与施工的有机结合、计算结果可靠度低、经济性差的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种计算二维多级堆载边坡局部和全局安全系数的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1:几何模型的输入，每个土块都由逆时针闭合的点集构成的封闭图形，相邻的两个点构成土块的边界线段；
S2:土块数量判断，首先判断土块个数是否大于1；若大于1个，转第S3步；等于1个，转第S4步；
S3：土块数量大于1的边界划分，当土块个数大于1个时，计算不同土块边界之间的交点，并把得到的交点插入原来的相应的边界线节点中，构成逆时针边界；
S4：土块数量等于1的边界分析，计算所有边界(xi, yi)~ (xi+1, yi+1)的中点坐标(x0, y0),然后计算点(x0, y0+0.01)，是否在所有的土块中，如果点(x0, y0+0.01)不在任何土块中，则点(xi, yi)和 (xi+1, yi+1)都在地表上，否则，点(xi, yi)和 (xi+1, yi+1)都不在地表上；边坡计算模型是按照米来输入计算的，这里面y坐标加上0.01是考虑线段中点坐标上方0.01处的坐标，其精度足够判断其端点的情况；
S5：土块数量等于1的边界划分，把S4中所有计算得到的点按照从x坐标从小到大排列，则可得到地表线段；
S6：极限平衡分析，设置圆心区域坐标，以及坡顶可能的破坏区域，以及外荷载（也可能没有外荷载，根据实际情况确定），根据得到的地表点采用圆弧滑动方法计算边坡安全系数；
S7：多级边坡循环分析，重复S2~S7就可以计算得到下一个边坡的安全系数。
本发明通过建立自动识别二维多级堆载边坡地表线的方法，继而根据不同的地表线计算边坡的局部安全系数和全局安全系数，提出了一种计算二维多级堆载边坡局部和全局安全系数的方法。与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）只需要建立一个分析模型，效率较高；（2）可将设计与施工步骤相结合，其计算结果具有可靠性；（3）通过整体安全系数与局部安全系数的计算，结果具有经济性的优点。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明实施例1中自动识别多级堆载边坡地表模型图；
图3是本发明实施例1中第一次堆载时土块地表线图；
图4是本发明实施例1中第二次堆载时土块地表线图；
图5是本发明实施例1中第三次堆载时土块地表线图；
图6是本发明实施例2中堆载边坡整体模型图；
图7是本发明实施例2中第一次堆载边坡安全系数计算结果图；
图8是本发明实施例2中第二次堆载边坡安全系数计算结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
下面通过具体实施例进行详细说明。
实施例1
本实施例中二维多级堆载边坡极限平衡模型如图2所示，模型共有5个土块，分别为S01、S02、S1、S2、S3。其中S01和S02为原始的地层，随后分为三次堆载S1、S2、S3，当分别计算堆载S1、S2、S3时的安全系数，首先需要识别堆载以后的地表。
已知：
S01的边界线的点为：1-2-3-4-1，为原始地层；
S02的边界线的点为：2-5-6-3-2，为原始地层；
S1的边界线的点为：6-7-8-9-6，为第一次堆载；
S2的边界线的点为：7-10-11-12-7，为第二次堆载；
S3的边界线的点为：10-13-14-15-10，为第三次堆载。
需确定每次堆载后的地表线，根据确定的地标线计算边坡安全系数。
第一次堆载时，其参与计算的土块如图3所示。
(1)按照上述算法，判断土块有3个，大于1个土块。
(2)计算所有的土块之间边界的交点情况，土块S01的边界3-4和土块S1的边界6-9的交点为9’, 土块S02的边界6-3和土块S1的边界6-9的交点为3’。则土块S01的边界变为1-2-3-9’-4-1；土块S1的边界变为6-7-8-9-3’-6。
(3)计算土块S01的边界线段的中点坐标(x0i，y0i),并判断(x0i，y0i+0.01)是否在土块中，则可知边界点9’和4在地表上；计算土块S1的边界线段的中点坐标(x0i，y0i),并判断(x0i，y0i+0.01)是否在土块中，则可知边界点7和8在地表上。
(4)按照x从小到大排列(3)中计算得到的地表点，则堆载第一步时，土块的地表点为4-9’-8-7，如图3所示。
(5)设置圆心区域坐标，以及坡顶可能的破坏区域，以及外荷载（也可能没有外荷载，根据实际情况确定），采用圆弧滑动，就可以得到第一次堆载时的边坡安全系数。
第二次堆载时，其参与计算的土块如图4所示。
(1)判断土块有4个，大于1个土块。
(2)计算所有的土块之间边界的交点情况，土块S01的边界3-4和土块S1的边界6-9的交点为9’, 土块S02的边界6-3和土块S1的边界6-9的交点为3’，土块S1的边界7-8和土块S2的边界12-7的交点为12’。则土块S01的边界变为1-2-3-9’-4-1；土块S1的边界变为6-7-12’-8-9-3’-6。
(3)计算土块S01的边界线段的中点坐标(x0i，y0i),并判断(x0i，y0i+0.01)是否在土块中，则可知边界点9’和4在地表上；计算土块S1的边界线段的中点坐标(x0i，y0i),并判断(x0i，y0i+0.01)是否在土块中，则可知边界点12’和8在地表上；计算土块S2的边界线段的中点坐标(x0i，y0i),并判断(x0i，y0i+0.01)是否在土块中，则可知边界点10和11在地表上。
(4)按照x从小到大排列(3)中计算得到的地表点，则堆载第一步时，土块的地表点为4-9’-8-12’-11-10，如图3所示。
(5)设置圆心区域坐标，以及坡顶可能的破坏区域，以及外荷载（也可能没有外荷载，根据实际情况确定），采用圆弧滑动，就可以得到第二次堆载时的边坡安全系数。
第三次堆载时，其参与计算的土块如图5所示。
(1)判断土块有5个，大于1个土块。
(2)计算所有的土块之间边界的交点情况，土块S01的边界3-4和土块S1的边界6-9的交点为9’, 土块S02的边界6-3和土块S1的边界6-9的交点为3’，土块S1的边界7-8和土块S2的边界12-7的交点为12’，土块S2的边界10-11和土块S3的边界15-10的交点为15’。则土块S2的边界变为1-2-3-9’-4-1；土块S1的边界变为6-7-12’-8-9-3’-6；土块S2的边界变为7-10-15’-11-12-7。
(3)计算土块S01的边界线段的中点坐标(x0i，y0i),并判断(x0i，y0i+0.01)是否在土块中，则可知边界点9’和4在地表上；计算土块S1的边界线段的中点坐标(x0i，y0i),并判断(x0i，y0i+0.01)是否在土块中，则可知边界点12’和8在地表上；计算土块S2的边界线段的中点坐标(x0i，y0i),并判断(x0i，y0i+0.01)是否在土块中，则可知边界点15’和11在地表上，计算土块S3的边界线段的中点坐标(x0i，y0i),并判断(x0i，y0i+0.01)是否在土块中，则可知边界点13和14在地表上。
(4)按照x从小到大排列(3)中计算得到的地表点，则堆载第一步时，土块的地表点为4-9’-8-12’-11-15’-14-13，如图5所示。
(5) 设置圆心区域坐标，以及坡顶可能的破坏区域，以及外荷载（也可能没有外荷载，根据实际情况确定），采用圆弧滑动，就可以得到第三次堆载时的边坡安全系数。
实施例2
如图6所示，边坡有三层土，其中土层1为原始土层，土层2和土层3分别为堆载上去的。每个土层的坐标如表1所示，其物理参数如表2所示。
表1 土层坐标
表2 土层属性
各级边坡圆弧圆心范围、坡顶可能的破坏区域选取见表3。
表3 边坡输入参数
从图7-图8所示的结果中可以看出，每次堆载后，地表是变化的，且对于整个边坡来说，第一次堆载的安全系数是局部安全系数，是施工过程可参考的边坡，而对于设计人员来说，其考虑的是第二步堆载后的边坡安全系数是否满足规范要求。但是当堆载高度较高时，施工需要分层堆载才能实现整个工程，故需要考虑堆载过程中的安全系数。
Claims (6)
1.一种计算二维多级堆载边坡局部和全局安全系数的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1:几何模型的输入；
S2:土块数量判断，首先判断土块个数是否大于1；若大于1个，转第S3步；等于1个，转第S4步；
S3：土块数量大于1的边界划分；
S4：土块数量等于1的边界分析；
S5：土块数量等于1的边界划分；
S6：极限平衡分析；
S7：多级边坡循环分析，重复步骤S2-S7计算得到下一个边坡的安全系数。
2.根据权利要求1所述的一种计算二维多级堆载边坡局部和全局安全系数的方法，其特征在于，所述几何模型的输入中，每个土块都是由逆时针闭合的点集构成的封闭图形，相邻的两个点构成土块的边界线段。
3.根据权利要求1所述的一种计算二维多级堆载边坡局部和全局安全系数的方法，其特征在于，所述土块数量大于1的边界划分，是当土块个数大于1个时，计算不同土块边界之间的交点，并把得到的交点插入原来的相应的边界线节点中，构成逆时针边界。
4.根据权利要求1所述的一种计算二维多级堆载边坡局部和全局安全系数的方法，其特征在于，所述土块数量等于1的边界分析，是计算所有边界(xi, yi)~ (xi+1, yi+1)的中点坐标(x0, y0),然后计算点(x0, y0+0.01)是否在所有的土块中，如果点(x0, y0+0.01)不在任何土块中，则点(xi, yi)和 (xi+1, yi+1)都在地表上，否则，点(xi, yi)和 (xi+1,yi+1)都不在地表上。
5.根据权利要求1所述的一种计算二维多级堆载边坡局部和全局安全系数的方法，其特征在于，所述土块数量等于1的边界划分，是将步骤S4边界分析后，所有得到的点按照x坐标从小到大排列，则可得到地表线段。
6.根据权利要求1所述的一种计算二维多级堆载边坡局部和全局安全系数的方法，其特征在于，所述极限平衡分析，是设置圆心区域坐标，以及坡顶可能的破坏区域，以及外荷载，根据得到的地表点采用圆弧滑动方法计算边坡安全系数。
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