一種邊坡三維滑裂面模型構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及建筑技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種邊坡三維滑裂面模型構(gòu)建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國地域?qū)拸V，地質(zhì)構(gòu)造豐富，自然條件復(fù)雜，存在著大量的天然邊坡；同時(shí)隨著 交通、水利、礦山等工程建設(shè)的大力推進(jìn)，造就了眾多的工程邊坡;邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生了滑坡、泥 石流、崩塌等災(zāi)害，給人類的生產(chǎn)和生活造成了嚴(yán)重的影響。因此，在工程中進(jìn)行邊坡穩(wěn)定 性分析研究十分重要且必要。
[0003] 通常，邊坡穩(wěn)定性分析研究主要包括了兩個(gè)方面的內(nèi)容:一是計(jì)算，對確定的滑裂 面邊坡采用分析方法計(jì)算其穩(wěn)定性安全系數(shù);二是搜索，在所有可能的滑裂面中尋找出最 小安全系數(shù)及其所對應(yīng)的邊坡臨界滑裂面。其中，搜索研究中所指的"所有可能的滑裂面" 即為進(jìn)行滑裂面的構(gòu)建。一般而言，邊坡失穩(wěn)破壞的滑裂面呈現(xiàn)的是三維形態(tài)，那么構(gòu)建三 維滑裂面才具有更深的研究意義。目前，針對三維形狀滑裂面的構(gòu)建研究，控制參數(shù)較多、 難度較大，理論上具有較大的可行性，但實(shí)現(xiàn)難度比較大。
[0004] 中國發(fā)明專利申請CN 105045977 A公開了一種研究抗滑粧位的三位邊坡模型建 立方法，對稱布置兩根抗滑粧，在抗滑粧粧頂中心部位加設(shè)一排預(yù)應(yīng)力錨索，在中層滑面上 布置4排錨索，短邊為受力面，植入與實(shí)體抗滑粧耦合的二維無質(zhì)量、無厚度的梁單元，并在 粧土之間以及軟弱層和潛在滑裂面層設(shè)置了三維Goodman接觸單元，抗滑粧采用C25混凝 土，在建立實(shí)體邊坡及實(shí)體抗滑粧時(shí)，采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，一維桁架及植入式桁架均 采用線彈性本構(gòu)模型來模擬。此發(fā)明涉及的是三維邊坡的抗滑粧位的模型建立，并沒有涉 及邊坡三維滑裂面模型建立。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供一種簡化且易于實(shí)現(xiàn)的邊坡三維滑裂面模型 構(gòu)建方法。
[0006] 為解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的一種邊坡三維滑裂面模型構(gòu)建方法，包括以下 步驟，
[0007] 步驟S101:邊坡尺寸確定，對邊坡設(shè)定坐標(biāo)系，測得邊坡的坡高、坡率參數(shù)；
[0008] 步驟S102:二維滑裂面構(gòu)建，在滑入?yún)^(qū)域內(nèi)設(shè)置滑入點(diǎn)，在滑出區(qū)域內(nèi)設(shè)置滑出 點(diǎn)，通過橢圓弧連接滑入點(diǎn)和滑出點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)二維滑裂面的構(gòu)建；
[0009] 步驟S103:三維滑裂面構(gòu)建，將得到的二維橢圓在另一個(gè)坐標(biāo)軸方向進(jìn)行三維擴(kuò) 展，得到三維橢球滑裂面；
[0010] 步驟S104:控制參數(shù)確定，根據(jù)已知相應(yīng)的控制參數(shù)的切確值或范圍，確定出一個(gè) 或一系列的三維橢球滑裂面。
[0011 ]進(jìn)一步的，所述步驟S102中滑入點(diǎn)為坡頂上B點(diǎn)，且BUb，Zb);滑出點(diǎn)為坡腳處A點(diǎn)， 且A(Xa，za);邊坡坡高為h，設(shè)置橢圓弧中心點(diǎn)為F點(diǎn)，且F(XQ， ZQ);橢圓沿X軸和z軸的半軸長 分別為R4PR。。
[0012] 更進(jìn)一步的，所述橢圓弧通過A、B兩點(diǎn)，故而兩點(diǎn)坐標(biāo)滿足橢圓方程，即：
[0013]
[0014] 通過式（1)可得：
[0015]
[0016] 進(jìn)一步的，所述橢圓弧中心點(diǎn)為F點(diǎn)位于Α、Β兩點(diǎn)中線偏左位置，垂直高度將不低 于坡高，確定出中心點(diǎn)F的坐標(biāo)為：
[0017]
[0018]進(jìn)一步的，所述步驟S103中三維滑裂面構(gòu)建為將二維橢圓繞ζ軸旋轉(zhuǎn)成三維橢球。
[0019] 采用上述發(fā)明后，本發(fā)明的邊坡三維滑裂面模型構(gòu)建方法，將邊坡失穩(wěn)破壞的滑 裂面簡化為三維橢球面，構(gòu)建過程通俗易懂、簡單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠極大地方便后續(xù)邊坡臨 界滑裂面搜索研究。
【附圖說明】
[0020] 下面將結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0021] 圖1為本發(fā)明的邊坡示意圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明二維橢圓滑裂面示意圖。
[0023]圖3為本發(fā)明三維橢球滑裂面示意圖。
[0024] 圖4為本發(fā)明搜索變化趨勢示意圖。
[0025] 圖5為本發(fā)明與其他方法的滑裂面搜索對比示意圖。
[0026] 圖中：1為原始滑面，2為基于本發(fā)明搜索的滑面，3為Janbu法搜索的滑面，4為 Bishop法搜索的滑面
【具體實(shí)施方式】
[0027]本發(fā)明的一種邊坡三維滑裂面模型構(gòu)建方法，包括以下步驟：
[0028]步驟S101:邊坡尺寸確定，對邊坡設(shè)定坐標(biāo)系，測得邊坡的坡高、坡率參數(shù)。如圖1 所示，設(shè)定坐標(biāo)系之后，可以直接測得坡高、坡率等參數(shù)，但邊坡內(nèi)部潛在的滑裂面位置未 知。于是，根據(jù)邊坡失穩(wěn)破壞的形式，設(shè)定邊坡失穩(wěn)破壞時(shí)滑裂面的滑入?yún)^(qū)域和滑出區(qū)域。 [0029]步驟S102:二維滑裂面構(gòu)建，在圖1的邊坡示意圖中，在滑入?yún)^(qū)域內(nèi)設(shè)置滑入點(diǎn)，在 滑出區(qū)域內(nèi)設(shè)置滑出點(diǎn)。邊坡滑裂面為橢圓弧，與邊坡相交于A、B兩點(diǎn)，滑入點(diǎn)為坡頂上B 點(diǎn)，且B(Xb，zb);滑出點(diǎn)為坡腳處A點(diǎn)，且A(Xa，za);邊坡坡高為h。假設(shè)橢圓弧中心點(diǎn)為F點(diǎn)， 且F( XQ，ZQ);橢圓沿X軸和z軸的半軸長分別為RjPR。。
[0030] 在圖2中，橢圓弧通過A、B兩點(diǎn)，故而兩點(diǎn)坐標(biāo)滿足橢圓方程，即：
[0031]
[0032] 對式（1)解方程可得：
[0033]
[0034] 根據(jù)圖2以及橢圓的幾何知識可知，橢圓弧中心點(diǎn)F需位于A、B兩點(diǎn)中線偏左位置， 垂直高度將不低于坡高(低于坡高將出現(xiàn)圓弧反翹情況，坡頂早已開裂），即滑裂面是橢圓 下半部分弧段。因此，進(jìn)一步可以確定出中心點(diǎn)F的坐標(biāo)為：
[0035]
[0036] 在滑入點(diǎn)、滑出點(diǎn)、半軸長已知的條件下，就能確定二維滑裂面方程為z = f(x)，或 -h
[0037]步驟S103:三維滑裂面構(gòu)建，將得到的二維橢圓在另一個(gè)坐標(biāo)軸方向進(jìn)行三維擴(kuò) 展，得到三維橢球滑裂面。以圖2所示滑裂面為基礎(chǔ)，將二維橢圓（滑裂面)繞z軸旋轉(zhuǎn)成三維 橢球，如圖3所示。此時(shí)，在三維坐標(biāo)系oxyz中，橢球中心點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為F(xq，0，zq)，該橢球沿 xoz平面對稱，即邊坡滑裂面為對稱橢球滑裂面。因此，橢球方程可表示為：
[0038]
[0039]式中，Rb為沿y軸方向上的橢球半軸長。
[0040] 同時(shí)，為體現(xiàn)橢球滑裂面的一般化，設(shè)定橢球滑裂面與水平面有一夾角，大小為Θ。 于是，邊坡三維橢球滑裂面可表示為：
[0041] z = f(x，y，0)，或者
[0042]
[0043]步驟S104:控制參數(shù)確定，根據(jù)已知相應(yīng)的控制參數(shù)的切確值或范圍，確定出一個(gè) 或一系列的三維橢球滑裂面。根據(jù)三維橢球滑裂面的構(gòu)建，方程中所含有的未知變量有： (13^)、&^)、1^、辦、1^以及9。在圖2所示的坐標(biāo)系中，若滑出點(diǎn)位于在地面線上時(shí)，即1 3 < 0，za = 0;若滑出點(diǎn)在坡面上時(shí)，即xa>0，za = i · xa，i為邊坡坡率;坡率和坡高是能夠確定 的已知參數(shù)，此時(shí)zb = h。因此，三維橢球滑裂面方程中將只含xa，xb，Ra，Rb，R c，Θ等6個(gè)控制參 數(shù)，即由這6個(gè)參數(shù)就可以確定一個(gè)三維橢球滑裂面，實(shí)現(xiàn)滑裂面的構(gòu)建。因此，邊坡三維滑 裂面方程為：
[0044] Z = f(Xa，Xb，Ra，Rb，Rc，Θ)
[0045] (6)
[0046] 按照本發(fā)明的邊坡三維滑裂面的構(gòu)建方法，首先進(jìn)行滑裂面的構(gòu)建，得到了邊坡 的所有可能的滑裂面，即為：
[0047
[0048] 然后設(shè)定控制參數(shù)的變化范圍，依次為:Xae[-6.5，-5.5]，Xbe[28,29]，R ae[23， 25]，Rbe[24,25]，Rce[24,25]，9 = [85° ,90°]。
[0049] 將滑裂面方程代入邊坡穩(wěn)定性分析方法中確定出滑裂面搜索的目標(biāo)函數(shù)并進(jìn)行 滑裂面搜索。搜索過程的變化趨勢如圖4所示，搜索結(jié)果如表1所示。
[0050] 表1搜索結(jié)果
[0051]
[0052] 進(jìn)一步的，所還步驟S102中滑人點(diǎn)為坂」貝上B點(diǎn)，且B(Xb，zb);滑出點(diǎn)為坂腳處A點(diǎn)， 且A(Xa，Za);邊坡坡高為h，設(shè)置橢圓弧中心點(diǎn)為F點(diǎn)，且F(XQ， ZQ);橢圓沿x軸和z軸的半軸長 分別為R4PR。。
[0053] 更進(jìn)一步的，所述橢圓弧通過A、B兩點(diǎn)，故而兩點(diǎn)坐標(biāo)滿足橢圓方程，即：
[0054]
[0055]
[0056]
[0057] 進(jìn)一步的，所述橢圓弧中心點(diǎn)為F點(diǎn)位于A、B兩點(diǎn)中線偏左位置，垂直高度將不低 于坡高，確定出中心點(diǎn)F的坐標(biāo)為：
[0058]
[0059]進(jìn)一步的，所述步驟S103中三維滑裂面構(gòu)建為將二維橢圓繞z軸旋轉(zhuǎn)成三維橢球。
[0060] 如圖5所示，圖中將原始滑面1，基于本發(fā)明搜索的滑面，Janbu法搜索的滑面3， Bishop法搜索的滑面4進(jìn)行對比。采用本發(fā)明的方法進(jìn)行滑裂面構(gòu)建，然后再進(jìn)行后期的滑 裂面搜索，搜索的結(jié)果與其他搜索方法的搜索結(jié)果較為接近，表明本發(fā)明的三維滑裂面的 構(gòu)建方法是可行的，對后期的臨界滑裂面搜索工作是有利的。
[0061] 雖然以上描述了本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但是本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這 些僅是舉例說明，可以對本實(shí)施方式作出多種變更或修改，而不背離發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)，本 發(fā)明的保護(hù)范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種邊坡三維滑裂面模型構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟， 步驟S101:邊坡尺寸確定，對邊坡設(shè)定坐標(biāo)系，測得邊坡的坡高、坡率參數(shù)； 步驟S102:二維滑裂面構(gòu)建，在滑入?yún)^(qū)域內(nèi)設(shè)置滑入點(diǎn)，在滑出區(qū)域內(nèi)設(shè)置滑出點(diǎn)，通 過橢圓弧連接滑入點(diǎn)和滑出點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)二維滑裂面的構(gòu)建； 步驟S103:三維滑裂面構(gòu)建，將得到的二維橢圓在另一個(gè)坐標(biāo)軸方向進(jìn)行三維擴(kuò)展，得 到三維橢球滑裂面； 步驟S104:控制參數(shù)確定，根據(jù)已知相應(yīng)的控制參數(shù)的切確值或范圍，確定出一個(gè)或一 系列的三維橢球滑裂面。2. 按照權(quán)利要求1所述的一種邊坡三維滑裂面模型構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟 S102中滑入點(diǎn)為坡頂上B點(diǎn)，且B(xb，zb);滑出點(diǎn)為坡腳處A點(diǎn)，且A(x a，za);邊坡坡高為h，設(shè) 置橢圓弧中心點(diǎn)為F點(diǎn)，且F(xo，zo);橢圓沿X軸和z軸的半軸長分別為iaPR。。3. 按照權(quán)利要求2所述的一種邊坡三維滑裂面模型構(gòu)建方法，其特征在于:所述橢圓弧 通過A、B兩點(diǎn)，故而兩點(diǎn)坐標(biāo)滿足橢圓方程，即：通過式（1)可得：4. 按照權(quán)利要求3所述的一種邊坡三維滑裂面模型構(gòu)建方法，其特征在于:所述橢圓弧 中心點(diǎn)為F點(diǎn)位于A、B兩點(diǎn)中線偏左位置，垂直高度將不低于坡高，確定出中心點(diǎn)F的坐標(biāo) 為： 5. 按照權(quán)利要求4所述的一種邊坡三維滑裂面模型構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟 S103中三維滑裂面構(gòu)建為將二維橢圓繞z軸旋轉(zhuǎn)成三維橢球。
【專利摘要】本發(fā)明涉及建筑技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種邊坡三維滑裂面模型構(gòu)建方法，包括以下步驟，步驟S101：邊坡尺寸確定，對邊坡設(shè)定坐標(biāo)系，測得邊坡的坡高、坡率參數(shù)；步驟S102：二維滑裂面構(gòu)建，在滑入?yún)^(qū)域內(nèi)設(shè)置滑入點(diǎn)，在滑出區(qū)域內(nèi)設(shè)置滑出點(diǎn)，通過橢圓弧連接滑入點(diǎn)和滑出點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)二維滑裂面的構(gòu)建；步驟S103：三維滑裂面構(gòu)建，將得到的二維橢圓在另一個(gè)坐標(biāo)軸方向進(jìn)行三維擴(kuò)展，得到三維橢球滑裂面；步驟S104：控制參數(shù)確定，根據(jù)已知相應(yīng)的控制參數(shù)的切確值或范圍，確定出一個(gè)或一系列的三維橢球滑裂面。采用上述發(fā)明后，將邊坡失穩(wěn)破壞的滑裂面簡化為三維橢球面，構(gòu)建過程通俗易懂、簡單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠極大地方便后續(xù)邊坡臨界滑裂面搜索研究。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105677961
【申請?zhí)枴緾N201610003937
【發(fā)明人】溫樹杰, 胡國保, 孫加平, 劉文俊
【申請人】江西理工大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月5日