本發(fā)明屬于交通邊坡工程領(lǐng)域，具體涉及一種二維數(shù)值模擬計(jì)算中邊坡潛在滑動(dòng)面識(shí)別與提取方法。

背景技術(shù)：

1、滑坡是一種常見(jiàn)的自然災(zāi)害，每年因其發(fā)生所引起的損失相當(dāng)巨大。為了減小滑坡災(zāi)害所造成的損失或盡量避免滑坡災(zāi)害發(fā)生，準(zhǔn)確確定邊坡潛在滑動(dòng)面顯得十分必要。

2、在確定邊坡潛在滑動(dòng)面后，一方面可獲取潛在滑動(dòng)面的具體位置和形態(tài)，用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)與施工優(yōu)化，并為選擇合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)以及加固措施提供前提基礎(chǔ)，從而確保工程加固措施的有效性和經(jīng)濟(jì)性，另一方面可明確邊坡位移監(jiān)測(cè)設(shè)備的布置范圍，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控邊坡變形情況，為采取應(yīng)急措施和滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)警提供信息基礎(chǔ)。

3、現(xiàn)有邊坡潛在滑動(dòng)面確定方法主要有理論分析方法、數(shù)值模擬方法和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法。理論分析方法包括有以剛體極限平衡理論為基礎(chǔ)的極限平衡法和以塑性力學(xué)理論為基礎(chǔ)的極限分析法。對(duì)于極限平衡法和極限分析法均需預(yù)先假定滑面模式(如前者為圓弧滑面模式，后者為對(duì)數(shù)螺旋滑面模式)，然后依照各自理論(如前者為對(duì)條間力作用點(diǎn)或大小進(jìn)行合理假設(shè)并應(yīng)用力學(xué)平衡條件，后者為應(yīng)用滑體的功能平衡關(guān)系)來(lái)建立邊坡安全系數(shù)計(jì)算公式。基于此，在對(duì)預(yù)先假定模式的滑面設(shè)定相應(yīng)尺寸范圍后，可以邊坡安全系數(shù)最小值為搜索目標(biāo)來(lái)確定邊坡潛在滑動(dòng)面。數(shù)值模擬方法根據(jù)邊坡實(shí)際幾何形態(tài)以及合理的物理力學(xué)參數(shù)來(lái)建立邊坡數(shù)值模型，并利用數(shù)值計(jì)算獲取邊坡應(yīng)力、應(yīng)變和位移場(chǎng)，以用于判斷邊坡是否發(fā)生失穩(wěn)破壞，在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，通常引入強(qiáng)度折減技術(shù)，以此逐步降低巖土體剪切強(qiáng)度，從而迫使邊坡發(fā)生剪切破壞，進(jìn)而根據(jù)剪切破壞時(shí)連通的剪應(yīng)變塑性區(qū)來(lái)確定邊坡潛在滑動(dòng)面?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法基于已獲取的邊坡地質(zhì)條件、巖土特性以及歷史滑坡情況來(lái)確定邊坡地表和深部變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置范圍和位置，然后通過(guò)定期收集邊坡地表和深部變形數(shù)據(jù)，并根據(jù)邊坡地表和深部變形隨時(shí)間的增量變化關(guān)系來(lái)大致確定邊坡潛在滑動(dòng)范圍，同時(shí)據(jù)此對(duì)邊坡滑塌災(zāi)變進(jìn)行預(yù)警。

4、上述幾種邊坡潛在滑面確定方法中，理論分析方法需提前假定滑面模式，其可能與實(shí)際情況不相符，且實(shí)際工程應(yīng)用最為廣泛的極限平衡法將巖土體剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則主要限定為線性m-c強(qiáng)度準(zhǔn)則，從而使得其難以獲得復(fù)雜條件下邊坡穩(wěn)定性分析可靠結(jié)果，極限分析法則需引入強(qiáng)度折減技術(shù)，并將折減后的滑面強(qiáng)度參數(shù)作為滑面形狀的控制參數(shù)，從而導(dǎo)致其獲得的潛在滑面在一定程度上會(huì)失真。數(shù)值模擬方法雖然具有精度高、適用范圍廣、動(dòng)態(tài)分析以及多場(chǎng)耦合等優(yōu)點(diǎn)，但數(shù)值模擬法同樣引入了強(qiáng)度折減技術(shù)，導(dǎo)致數(shù)值分析中強(qiáng)度參數(shù)折減后邊坡應(yīng)力場(chǎng)并非實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)，由此引起所推斷得的潛在滑動(dòng)面也并非實(shí)際潛在滑動(dòng)面，此外，數(shù)值分析中邊坡失穩(wěn)識(shí)別存在多種判據(jù)，而不同判據(jù)之間存在有計(jì)算結(jié)果偏差?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法可依據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)大致確定邊坡潛在滑面的形態(tài)和位置，但邊坡潛在滑動(dòng)面的確定精度與監(jiān)測(cè)布點(diǎn)的密度存在緊密關(guān)系，要獲得較為準(zhǔn)確的潛在滑動(dòng)面則需要較多數(shù)量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)元器件，從而導(dǎo)致相應(yīng)的人工和監(jiān)測(cè)成本也隨之增加，另外，監(jiān)測(cè)元器件的可靠性、耐用性以及精準(zhǔn)度也同樣制約著邊坡潛在滑動(dòng)面判別的準(zhǔn)確性。

5、中國(guó)發(fā)明專利cn201910211393.3公開(kāi)一種基于動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減dda法的邊坡穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)為了考慮真實(shí)情況中巖體結(jié)構(gòu)面損傷的程度不一性問(wèn)題，提出對(duì)位移變化不小于閾值的塊體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和進(jìn)行動(dòng)態(tài)折減變化。在程序計(jì)算中，塊體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)每隔一定時(shí)步(10000步，每一時(shí)步為0.001s)按照塊體相對(duì)位移變化與閾值的關(guān)系只針對(duì)位移變化符合要求的結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，折減系數(shù)從1.000開(kāi)始，依次增加0.001，直至發(fā)生急劇變形，則此時(shí)其取值為該邊坡滑落面安全系數(shù)，可根據(jù)檢索出的滑落面位置提前剝離邊坡危險(xiǎn)區(qū)域巖體，實(shí)用性強(qiáng)，為邊坡多滑面穩(wěn)定性分析及治理貢獻(xiàn)了一種新手段。該發(fā)明專利利用dda方法，并應(yīng)用動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析；但由于該發(fā)明專利引入了強(qiáng)度折減技術(shù)，導(dǎo)致數(shù)值分析中強(qiáng)度參數(shù)折減后邊坡應(yīng)力場(chǎng)并非實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)而使所推斷而得的邊坡潛在滑動(dòng)面也并非為實(shí)際邊坡滑動(dòng)面；此外，該專利并未明確如何利用數(shù)值手段來(lái)提取和識(shí)別邊坡潛在滑動(dòng)面；因此，該發(fā)明專利在實(shí)施精度和效果上仍有欠缺。

6、中國(guó)發(fā)明專利cn202210520129.x公開(kāi)了一種基于改進(jìn)狼群算法的非圓弧邊坡滑面搜索方法，包括以下步驟：建立數(shù)值模型，提取數(shù)值模型的基本信息；根據(jù)單元材料編號(hào)對(duì)單元格進(jìn)行分類，將邊坡圖像分層繪出；將邊坡圖像中坡頂和坡腳某一范圍內(nèi)邊坡表面的區(qū)域設(shè)置為頭狼及母狼可能活動(dòng)范圍；頭狼、母狼、探狼以固定步長(zhǎng)游走，共同組成狼群組合，確定路徑上各點(diǎn)的應(yīng)力信息；根據(jù)應(yīng)力信息計(jì)算出相鄰兩匹狼之間的滑動(dòng)力及抗滑力，定義狼群的適應(yīng)度為安全系數(shù)的倒數(shù)，將適應(yīng)度值最大的樣條曲線作為最優(yōu)化樣條曲線。該發(fā)明能夠彌補(bǔ)圓弧形滑面假設(shè)與實(shí)際不符的缺點(diǎn)，快速準(zhǔn)確確定邊坡滑動(dòng)面位置并計(jì)算安全系數(shù)。具體地，該發(fā)明專利應(yīng)用改進(jìn)的狼群算法來(lái)對(duì)邊坡潛在非圓弧滑動(dòng)面進(jìn)行搜索，在潛在滑動(dòng)面搜索過(guò)程中，將滑動(dòng)面分為三段，并將各滑動(dòng)面段曲線假定為光滑連續(xù)的三次樣條曲線，基于此，依據(jù)各滑動(dòng)面段應(yīng)力信息以及巖土體剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)求解邊坡安全系數(shù)，與此同時(shí)，將邊坡安全系數(shù)最小值所對(duì)應(yīng)的潛在滑動(dòng)面作為搜索目標(biāo)。因此，該發(fā)明專利并不滿足滑動(dòng)面各部位均服從于邊坡剪切破壞機(jī)制，從而使得該發(fā)明專利搜索所確定的邊坡潛在滑動(dòng)面與實(shí)際邊坡滑動(dòng)面會(huì)有所出入；此外，其中各滑動(dòng)面段應(yīng)力信息獲取還需應(yīng)用到機(jī)器學(xué)習(xí)方法，進(jìn)而增大了該專利實(shí)施的復(fù)雜程度，使得該專利的實(shí)用性大打折扣。

7、隨著工程建設(shè)向著艱險(xiǎn)山區(qū)地段推進(jìn)，邊坡工程設(shè)計(jì)與施工呈現(xiàn)復(fù)雜化，及時(shí)有效防治滑坡任務(wù)非常緊迫，準(zhǔn)確確定邊坡潛在滑動(dòng)面的需求變得十分迫切。為了達(dá)到這一要求，需要找到一種適用范圍廣、精度高、通用性好、效果佳等特點(diǎn)且具備自動(dòng)化和智能化特征的邊坡潛在滑動(dòng)面準(zhǔn)則確定方法。

8、也就是說(shuō)，本領(lǐng)域需要一種新的二維數(shù)值模擬計(jì)算中邊坡潛在滑動(dòng)面識(shí)別與提取方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明提供一種二維數(shù)值模擬計(jì)算中邊坡潛在滑動(dòng)面識(shí)別與提取方法，所述方法包括如下步驟：

2、步驟s1：建立二維邊坡數(shù)值計(jì)算模型，開(kāi)展數(shù)值計(jì)算，提取數(shù)值模型中各數(shù)值單元信息；

3、步驟s2：計(jì)算數(shù)值模型中各數(shù)值單元局部安全系數(shù)，并獲取各數(shù)值單元的最不利剪切方向與水平面方向之間的夾角αcritical；

4、步驟s3：確定局部安全系數(shù)最小的邊坡表層數(shù)值單元，并基于局部安全系數(shù)最小和局部安全系數(shù)次小的邊坡表層數(shù)值單元的位置關(guān)系，判定所確定的邊坡表層數(shù)值單元是為潛在滑面下緣邊界位置還是為潛在滑面上緣邊界位置；

5、步驟s4：將所確定的邊坡表層數(shù)值單元的中心點(diǎn)作為潛在滑面識(shí)別與提取的起點(diǎn)，并令該中心點(diǎn)的坐標(biāo)為(x0，z0)；

6、步驟s5：應(yīng)用分段逐步識(shí)別方式，基于上一個(gè)已知潛在滑面點(diǎn)i–1，求解出下一個(gè)未知潛在滑面點(diǎn)i的位置，具體計(jì)算式為xi＝xi–1+δd×cosαi–1和zi＝zi–1+δd×sinαi–1；其中，αi–1為點(diǎn)i–1所在數(shù)值單元的最不利剪切方向與水平面方向之間的夾角；且若所確定的邊坡表層數(shù)值單元為潛在滑面下緣邊界位置，則取δd為正值；否則，取δd為負(fù)值；

7、其中，(xi–1，zi–1)為上一個(gè)已知潛在滑面點(diǎn)i–1的坐標(biāo)，(xi，zi)為下一個(gè)未知潛在滑面點(diǎn)的坐標(biāo)，δd為分段滑面長(zhǎng)度，αi–1為點(diǎn)i–1所在數(shù)值單元的最不利剪切方向與水平面方向之間的夾角；

8、步驟s6：計(jì)算潛在滑面點(diǎn)i與每個(gè)數(shù)值單元中各側(cè)面上頂點(diǎn)相連所形成空間幾何體的體積之和，并依據(jù)此體積之和與某數(shù)值單元體積相等來(lái)確定潛在滑面點(diǎn)i所在數(shù)值單元；

9、步驟s7：根據(jù)潛在滑面點(diǎn)是否位于某數(shù)值單元上，判斷潛在滑面點(diǎn)i是否超出坡面；若潛在滑面點(diǎn)i超出坡面，則停止?jié)撛诨娴淖R(shí)別與提?。环駝t，重復(fù)步驟s5～步驟s6；

10、步驟s8：依次連接識(shí)別與提取出的潛在滑面點(diǎn)，進(jìn)而獲得二維邊坡潛在滑面。

11、在一種具體的實(shí)施方式中，步驟s2具體包括如下步驟：

12、步驟s2-1：令巖土體剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則通用表達(dá)式為τf＝f(σ)，其中，σ為作用面上的正應(yīng)力，τf為作用面上的剪切強(qiáng)度；

13、步驟s2-2：基于反映數(shù)值單元應(yīng)力狀態(tài)的莫爾應(yīng)力圓，確定數(shù)值單元中不同方向作用面上正應(yīng)力σ的取值范圍為[σ3，σ1]，并獲取數(shù)值單元中對(duì)應(yīng)正應(yīng)力下不同方向作用面上剪應(yīng)力為τ＝[(σ1–σ)(σ–σ3)]1/2；其中，σ3為該數(shù)值單元的小主應(yīng)力，σ1為該數(shù)值單元的大主應(yīng)力；

14、步驟s2-3：結(jié)合巖土體剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則，計(jì)算對(duì)應(yīng)正應(yīng)力下不同方向作用面上的剪切強(qiáng)度為τf＝f(σ)；

15、步驟s2-4：根據(jù)安全系數(shù)定義，計(jì)算作用面上剪切強(qiáng)度τf與剪應(yīng)力τ的比值ks，且ks＝f(σ)/[(σ1–σ)(σ–σ3)]1/2；

16、步驟s2-5：當(dāng)正應(yīng)力σ位于[σ3，σ1]區(qū)間內(nèi)時(shí)，利用數(shù)學(xué)求極值方法，求解ks的最小值，并令為min(ks)，其為數(shù)值單元局部安全系數(shù)fs_local，即fs_local＝min(ks)；

17、步驟s2-6：基于數(shù)值單元的最不利剪切方向?yàn)閗s取最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)作用面方向，利用數(shù)值單元中不同方向作用面上正應(yīng)力σ與角度α之間的關(guān)系式σ＝(σ3+σ1)/2–[(σ1–σ3)/2]cos2α，求解數(shù)值單元的最不利剪切方向與小主應(yīng)力作用面方向之間的夾角為αk＝(1/2)×arcos{[(σ3+σ1)–2σk]/(σ1–σ3)}，其中，σk為ks取最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)作用面上正應(yīng)力；

18、步驟s2-7：利用關(guān)系式σ＝(σ3+σ1)/2–[(σ1–σ3)/2]cos2α，求解水平面與小主應(yīng)力作用面之間的夾角為αz＝(1/2)×arcos{[(σ3+σ1)–2σz]/(σ1–σ3)}；σz為該數(shù)值單元沿豎直方向上的正應(yīng)力；

19、步驟s2-8：根據(jù)數(shù)值單元的最不利剪切方向與小主應(yīng)力作用面方向之間的夾角以及水平面與小主應(yīng)力作用面之間的夾角，推導(dǎo)得最不利剪切方向與水平面方向之間的夾角為αcritical＝αz–αk，其中，αcritical大于0時(shí)，角度方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，反之則為順時(shí)針?lè)较颉?/p>

20、在一種具體的實(shí)施方式中，所述邊坡符合廣義非線性h-b強(qiáng)度準(zhǔn)則，且步驟s2中，巖土體剪切強(qiáng)度計(jì)算公式為：

21、

22、其中，mb為材料常數(shù)，s為反映巖體破碎程度的參數(shù)，α為與巖體結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)面表面條件相關(guān)的常數(shù)，為巖體瞬時(shí)內(nèi)摩擦角。

23、在一種具體的實(shí)施方式中，步驟s2中，參數(shù)mb、s、α和的計(jì)算式分別為：

24、

25、α＝0.5+(1/6)×[exp(–gsi/15)–exp(–20/3)]

26、

27、其中，gsi為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，σc為完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，mi為完整巖石的材料常數(shù)，d為巖體的擾動(dòng)因子。

28、在一種具體的實(shí)施方式中，步驟s5中，提取到中心點(diǎn)的坐標(biāo)(x0，z0)后，沿其滑動(dòng)趨勢(shì)向上延伸，每次延伸長(zhǎng)度為δd，其中，δd取為0.1～0.5m，進(jìn)而應(yīng)用分段逐步識(shí)別方式，基于上一個(gè)已知潛在滑面點(diǎn)i–1，求解出下一個(gè)未知潛在滑面點(diǎn)i的位置；且為了滿足滑動(dòng)面的凹型特征，αi–1應(yīng)滿足αi–1≥αi–2；否則，若αi–1<αi–2，則令αi–1＝αi–2。

29、在一種具體的實(shí)施方式中，利用軟件flac3d進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

30、本文發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明提供的方法無(wú)需引入強(qiáng)度折減技術(shù)且不限定巖土體剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則，在利用數(shù)值模擬計(jì)算獲得邊坡應(yīng)力場(chǎng)后，即可自動(dòng)識(shí)別與提取二維邊坡潛在滑動(dòng)面，所得到的潛在滑動(dòng)面符合邊坡剪切破壞機(jī)制，并能有效地展現(xiàn)出真實(shí)場(chǎng)景下二維邊坡實(shí)際破壞形態(tài)；與此同時(shí)，分段逐步識(shí)別方式可較好地控制潛在滑面識(shí)別和提取的精細(xì)程度，有利于實(shí)現(xiàn)二維潛在滑面的智能識(shí)別和提取。因此，本發(fā)明具有適用范圍廣、精度高、通用性好、效果佳、成本低等特點(diǎn)，且具備自動(dòng)化和智能化特征，可為實(shí)際工程中邊坡潛在失穩(wěn)范圍預(yù)測(cè)以及加固區(qū)域確定提供強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)。