专利名称：一种三维边坡稳定性预测方法
一种三维边坡稳定性预测方法技术领域
本发明属于地质灾害防控技术领域，具体涉及一种三维边坡稳定性预测方法。
背景技术：
我国属地形地貌极为复杂的国家，也是一个多山的国家，尤其是我国西南地区以及东南沿海的福建、广西、广东和海南等地。在过去的几百年里，发生过多起特大型滑坡事件。特别是随着国民经济的发展，大量铁路、公路、水利、矿山和城镇等设施的修建，特别是在丘陵和山区建设中，人类工程活动中开挖和堆填的边坡数量会越来越多，高度将越来越大。边坡滑坡等地质灾害给受灾区造成巨大地经济损失和重大的人员伤亡。尽管在过去的一百年里，人们对边坡稳定性的数值方法研究已有长足的发展，但是目前每年发生大量的边坡破坏事件，表明现有的边坡智能预测方法仍存在不足。
对边坡稳定性分析而言，运用最广泛的方法是二维极限平衡法。经过数十年的发展，运用二维极限平衡法研究边坡稳定性已相当成熟。对于二维边坡问题，应用满足严格平衡条件的极限平衡条分法可以得到足够精度的边坡稳定系数。
但是自然界的边坡工程问题通常具有三维特征，目前对于三维边坡稳定性分析的极限平衡条柱法需做过多的人为假设，并且只能满足部分平衡条件，与实际的受力情况存在明显差异，得到稳定系数的可靠性不能完全满足工程要求。例如，“边坡稳定分析的三维Spencer法”，张均 锋，王思莹，祈涛，岩石力学与工程学报，第24卷第19期，第343Γ3439页，2005年10月记载了采用极限平衡条分法对三维边坡稳定性进行了分析。该方法引入了多个基本假定，最后根据每个条柱三个方向上力的平衡和滑坡体绕X轴和y轴的力矩平衡方程，求解得到三维边坡的稳定系数。这种方法的不足是缺失z轴力矩平衡方程，导致该方向的不平衡，由此获得的预测结果必然不可靠。发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种三维边坡稳定性预测方法，它能够满足所有力的平衡和绕三个轴的力矩平衡，以提高边坡稳定性预测的准确性。
为了解决上述技术问题，本发明的三维边坡稳定性预测方法包括以下步骤:步骤1、选定具体待预测的滑坡体，确定三维滑面形状及滑坡体几何尺寸；三维滑面分为滑裂面和边坡表面，将滑裂面和边坡表面用方程表示；边坡表面的参数有边坡斜面在水平面上的投影长度7，边坡斜面在竖直方向上的投影长度滑裂面的参数依据实际几何形状确定，确定岩土材料的强度参数粘聚力c和内摩擦角Φ ；步骤2、将三维滑坡体离散化，三维滑坡体被垂直离散为I 行和》列条柱，每个条柱按所在的行号 和列号J足义为;假定行方向的条柱间作用力与水平面夹角为土 α，假定列方向的条柱间作用力与水平面夹角为土 β ;步骤3、建立三维边坡稳定性预测的方程组，由方程组求解得到三维边坡稳定系数Fs的值；步骤4、根据稳定系数临界值判定三维边坡的稳定性，若三维边坡稳定系数大于等于稳定系数临界值，则三维边坡稳定；若三维边坡稳定系数小于稳定系数临界值，则三维边坡不稳定。
上述步骤3中，建立三维边坡稳定性预测的方程组包括以下步骤:步骤I)、确定每个条柱底面法向力和剪切力的方向:步骤2)、根据三个轴向力的平衡方程，解出(i，j)条柱底面的法向力NU和剪切力Slj:步骤3)、将法向力妒j和剪切力Si'j代入到滑坡体绕三个坐标轴的力矩平衡方程，得到三维边坡稳定性预测的方程组:由于本发明将三维滑坡体离散化，并考虑了更多力和力矩的平衡关系，使得计算精度有所提高，预测结果更为可靠。另外，所有建模过程都程序化，便于操作和编程，大大的减少了人为的计算量，由计算机实现三维边坡的稳定系数的预测。所以本发明的优点是:提高了计算精度，预测结果更为可靠。
本发明的
如下: 图1为本发明的一个实施例的滑坡体滑裂面和边坡表面的剖面图； 图2为三维滑坡体离散化结构图； 图3为离散化条柱的受力模型图； 图4为图1中y=78.35m处的实施例的滑坡体滑裂面和边坡表面的剖面图； 图5为图4实施例的稳定系数拟合曲线； 图6为图4实施例的拟合残差曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:步骤1、选定具体待预测的滑坡体，将滑裂面和边坡表面用方程表示； 如图1所示，三维边坡表面的高为H，坡面水平投影为I的，建立三维空间坐标系
权利要求
1.一种三维边坡稳定性预测方法，其特征是:它包括以下步骤: 步骤1、选定具体待预测的滑坡体，确定三维滑面形状及滑坡体几何尺寸；三维滑面分为滑裂面和边坡表面，将滑裂面和边坡表面用方程表示；边坡表面的参数有边坡斜面在水平面上的投影长度7，边坡斜面在竖直方向上的投影长度滑裂面的参数依据实际几何形状确定，确定岩土材料的强度参数粘聚力c和内摩擦角Φ ； 步骤2、将三维滑坡体离散化，三维滑坡体被垂直离散为 行和《列条柱，每个条柱按所在的行号i和列号J定义为A ;假定行方向的条柱间作用力与水平面夹角为土 α，假定列方向的条柱间作用力与水平面夹角为土 β ; 步骤3、建立三维边坡稳定性预测的方程组，由方程组求解得到三维边坡稳定系数Fs的值； 步骤4、根据稳定系数临界值判定三维边坡的稳定性，若三维边坡稳定系数大于等于稳定系数临界值，则三维边坡稳定；若三维边坡稳定系数小于稳定系数临界值，则三维边坡不稳定。
2.根据权利要求1所述的三维边坡稳定性预测方法，其特征是:所述步骤3中包括以下步骤: 步骤I)、确定每个条柱底面法向力和剪切力的方向: 步骤2)、根据三个轴向力的平衡方程，解出_/]条柱底面的法向力NU和剪切力SiJ:步骤3)、将法向力NU和剪切力SU代入到滑坡体绕三个坐标轴的力矩平衡方程，得到三维边坡稳定性预测的方程组。
3.根据权利要求2所述的三维边坡稳定性预测方法，其特征是:步骤I)中确定每个条柱底面法向力和剪切力方向的式子: 条柱底面上法向力方向的单位矢量为......1 df Bf i
4.根据权利要求3所述的三维边坡稳定性预测方法，其特征是:步骤2)中三个轴向力的平衡方程为:
5.根据权利要求4所述的三维边坡稳定性预测方法，其特征是:步骤3)中滑坡体绕三个坐标轴的力矩平衡方程为:
6.根据权利要求5所述的三维边坡稳定性预测方法，其特征是:求解不同滑裂面宽度b下的三维边坡稳定系数值Fs,由Levenberg-Marquardt最小二乘法拟合出稳定系数Fs与滑裂面宽度b的非线性关系曲线，获得关系式:
7.根据权利要求6所述的三维边坡的预测方法，其特征是:将滑裂面宽度b取无穷大后
全文摘要
本发明涉及一种三维边坡稳定性预测方法。它包括以下步骤步骤1、选定具体待预测的滑坡体，确定三维滑面形状及滑坡体几何尺寸；三维滑面分为滑裂面和边坡表面，将滑裂面和边坡表面用方程表示；步骤2、将三维滑坡体离散化；步骤3、建立三维边坡稳定性预测的方程组，由方程组求解得到三维边坡稳定系数Fs的值；步骤4、根据稳定系数临界值判定三维边坡的稳定性。本发明的优点是计算精度有所提高，预测结果更为可靠。
文档编号G01V9/00GK103163563SQ20131003662
公开日2013年6月19日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者周小平, 程浩 申请人:重庆大学