一种基于监测信息的边坡施工过程的稳定性数值分析与优化设计方法

专利名称：一种基于监测信息的边坡施工过程的稳定性数值分析与优化设计方法
技术领域：
本发明涉及一种基于监测信息的边坡施工过程的稳定性数值分析与优化设计方法。根据当前施工步监测信息，解决边坡分步施工动态响应的数值模拟方法，在此基础上，解决施工方案的优化设计，并对边坡工程的可靠度分析和风险预测，属于岩土边坡动态施工和灾害防控技术领域。
背景技术：
岩土边坡工程数值分析是目前岩土工程设计和风险控制的重要手段之一。目前数值分析方法主要有离散单元法、有限单元法、边界单元法、DDA以及流形元等。然而，由于岩土边坡工程固有的复杂性和动态施工过程，导致边坡工程数值分析结果与实际工程存在较大差异，使得数值分析一直处于定量分析和定性应用的尴尬局面。影响边坡稳定性数值分析的可靠性主要有两个方面其一，岩土体介质复杂性和节理岩体的结构效应，使得岩土体参数难以准确获得；其二，边坡工程多步开挖和分次加固的动态施工效应难以定量模拟。
背景技术：
中，中国专利“基于安全监控的边坡位移反分析方法”(专利号20100159897. 4)，已经解决了边坡数值分析中第一个技术难题。本技术发明是针对第二个关键技术难题，采用监测信息和边坡动态施工响应曲线，确定分步施工边坡数值模拟中迭代步，由此解决动态施工效应的数值分析技术。

发明内容
本发明目的是采用边坡监测信息，提供一种模拟边坡工程动态施工(开挖与加固)过程的稳定性动态数值分析和优化设计方法。首先基于“基于安全监控的边坡位移反分析方法”(专利号20100159897. 4)，建立边坡工程等效数值模型；然后采用等效数值模型，获取当前施工边坡的动力响应曲线；最后，根据当前施工边坡监测的位移，确定当前施工步数值模拟的迭代步，这就是背景技术存在的第二个问题。在此基础上，提出下一步施工边坡的稳定性分析和施工方案的优化设计方法，并给出了施工边坡的风险预测与防控数值分析技术。通过“基于安全监控的边坡位移反分析方法”(专利号20100159897. 4)和本项发明，从而提高边坡工程稳定性数值分析的可靠性，实现边坡工程稳定性的定量分析、优化设计和风险预测，为边坡工程的安全、经济和可靠运行奠定基础。本发明技术方案如下
基于监测信息的边坡施工过程的稳定性数值分析与优化设计方法的实施步骤如下，
(a)借助已经授权的中国专利“基于安全监控的边坡位移反分析方法”，建立当前施工步的等效数值分析模型；(b)基于建立的边坡工程等效数值分析模型，技术当前施工边坡工程的动力响应曲线；(C)基于监测点监测到的当前施工步的监测位移，确定当前施工边坡数值模拟的迭代步；(d)根据等效数值模型和确定的迭代步，进行下一步施工边坡的稳定性数值分析和施工方案优化；(e)根据边坡优化施工方案，进行边坡稳定性可靠度分析与风险调控；(f)根据优化方案和风险调控措施进行边坡施工，同时开展边坡变形监测，再进行下一施工步的边坡工程稳定性动态分析和方案优化，以此类推，直至完成整个边坡的施工过程。本发明的数值分析方法采用FLAC程序。该程序是大变形有限差分分析系统，采用给定迭代步(Step)来模拟开挖或加固的施工边坡时间效应。下面结合FLAC程序，详细说明边坡工程动态施工过程的数值分析和方案优化的实施步骤(I)将边坡工程划分为若干施工步，施工步包括边坡开挖、工程加固以及其他的工程维护措施；同时，在坡顶埋设边坡变形监测点进行位移监测，获取每一施工步的边坡岩体位移；
(2)针对第i次施工步，利用FLAC数值分析软件和边坡监测信息，以及“基于安全监控的边坡位移反分析方法”，建立边坡等效数值模型，进行第i施工边坡岩体力学与变形参数(包括岩体变形模量、粘聚力、内摩擦角和抗拉强度等)的反演，获得对应于第i次施工步边坡岩体等效参数；
(3)根据获得的边坡岩体等效参数进行边坡数值分析，获取当前施工边坡的动力响应 曲线，即边坡监测点的计算位移与迭代步的关系曲线；
(4)根据第f次施工边坡动力响应曲线和当前施工步获得的监测点的监测位移，确定当前(第I步)施工边坡的数值分析迭代步。(5)根据第I次施工边坡的等效模型和迭代步，进行下一施工(第I +1步)边坡数值分析和方案优化；
(6)根据边坡施工优化方案，进行下一步施工边坡的稳定性可靠度分析和风险调控；
(7 )基于优化方案和调控措施进行下步边坡施工和变形监测，依次类推，直至完成整个边坡的施工过程。本发明的主要创新点是基于边坡等效数值模型建立当前施工边坡动力响应曲线，并根据当前施工步监测信息，确定施工边坡数值模拟的迭代步，解决边坡工程动态施工时间效应。本发明的重要作用在“基于安全监控的边坡位移反分析方法”，的基础上，采用边坡工程动力响应曲线，解决了边坡分步施工过程中的施工时间效应的数值模拟技术。提高了岩土边坡工程数值模拟的可靠性，并实现了边坡工程的动态施工方案优化和风险调控。


图I是本发明实例边坡工程划分为若干施工步示意 图2是第I次施工的不稳定边坡工程动力响应曲线示意 图3是第I次施工的稳定边坡工程动力响应曲线示意图；图4是边坡典型测点不同施工步的监测位移曲线示意具体实施例方式以下结合附图，通过实施案例对本发明作进一步说明。本实施案例是以边坡工程二维数值分析模型和FLAC程序来叙述发明的技术方案，具体的步骤如下
(I)划分边坡工程施工步。根据实际工程规模和施工技术，将边坡工程划分为若干施工步，参见附图I。本实施案例将边坡X程划分为①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨、⑩共10次施工步。
(2)边坡变形监测布设与位移监测。实施案例采用在坡顶埋设变形监测点A、B、D、E、F、G和H共7个监测点，其中H点位于坡顶，为最大位移监测点，作为典型监测点。在边坡施工过程，对各监测点进行位移监测。其中前6个监测位移应用为边坡等效岩体参数反演和等效数值模型识别，第7个测点的监测位移用作确定动态数值分析的迭代步；
(3)边坡岩体参数反演与模式识别。以第⑦步作为边坡当前施工步进行分析，即在完成
① ⑦施工后的边坡参见附图I ;采用“基于安全监控的边坡位移反分析方法”进行等效岩体参
数反演,获得当前边坡工程等效岩体参数{JT} = { R% cs gf Ee 其参数依次为等
效抗拉强度、等效粘聚力、等效内摩擦角和等效变形模量； (4)当前施工边坡动力响应曲线分析。采用等效岩体参数进行当前施工边坡工程的数值仿真分析，获得当前施工边坡的动力响应曲线，即典型监测点的计算位移与迭代步的关
系曲线(见附图2和附图3)；
(5)确定当前施工步边坡工程数值分析的迭代步。根据典型测点H的监测位移与施工步的关系曲线上第⑦施工步结束时刻监测的位移值‘〃(附图4)，再利用当前施工边坡的动力响应曲线(附图2或附图3)，确定第⑦施工步边坡工程数值分析的计算迭代步Stej ；
(6)下一次施工边坡的稳定性预测和施工方案的优化设计与风险控制。采用等效岩体参数和确定的数值分析迭代步，进行下一步边坡加固方案优化设计与风险控制。其优化设计步骤如下①加固方案参数选取。本发明的边坡加固方案为预应力锚索支护型式，其设计参数为锚索长度i、间距仏、排距#和锚索预应力P，以此作为优化设计参数 ’②锚固参数正交设计。对预应力锚索加固方案的4个参数分别取3个水平，采用试验设计表中的4
因素3水平正交试验表，获得9次数值计算方案，由此组成加固方案参数矩阵;同时，
根据每一个加固方案参数，计算出边坡加固费用列向量锚固方案正交数值分析。采用第⑦施工步的等效参数和迭代步，进行9个施工方案的计算，获得当前加固边坡的安全系数1^(1_ = 1,9),由此构成安全系数列向量边坡安全系数与锚固参数的
回归分析。根据加固方案参数矩阵和安全系数列向量采用数理统计分析中
的最小二乘法进行回归分析，由此建立当前加固边坡的安全系数与加固方案参数的回归函数Fs=f(Lsa,e:P) 边坡加固费用与锚固参数的回归分析。根据加固方案参数矩阵
和锚固成本列向量,采用数理统计分析中的最小二乘法进行回归分析，由此建立当前加固边坡的费用与加固方案参数的回归函数:C=G(L,a,e,P) 建立当前施工步加固方案优化模型。以边坡加固费用为优化目标，以加固边坡的安全系数为约束条件，建立边坡加固方案优化模型
目标函数AfiwC = MinG (L. a, e. P)
约束条件A =/(厶(: ^为边坡临界安全系数)
⑦求解优化模型。求解边坡加固方案的优化模型，获得当前施工步加固方案的优化参MLL ,a ,e ,P。(7)当前施工边坡的安全评价与风险预测。采用上一施工步的边坡岩体等效参数、迭代步和优化锚固参数，进行边坡稳定性可靠度分析，其分析步骤如下
①选择边坡稳定性分析的不确定性参数。考虑到当前施工步施工边坡等效岩体参数的影响，造成边坡岩体参数存在不确定性，为此选取当前施工步的岩体力学参数 (作为随机变量，选择边坡等效岩体参数作为均值，BP^ ；
②确定随机变量的变异性参数。借鉴锚固岩体力学强化效应的工程经验，确定每一个随机变量的变异性，即确定每一随机变量的均方差为③采用均值加减I倍均方差和均值，构成随机变量的3个水平值，由此构成了 4个随机变量的4因素3水平的9个正交数值分析方案，此时随机岩体参数矩阵为[忍]W4 ；
④针对每一个方案的岩体力学参数和优化设计锚固参数,进行9次正交数值试验，获得9个加固边坡的稳定安全系数列向量Ii^9xl ；
⑤根据随机岩体参数矩阵和边坡稳定安全系数列向量,采用响应面法
建立当前施工步边坡的响应面函数作为可靠度分析的极限状态函数；
⑥采用可靠度分析中JC法，求解当前施工步边坡的失稳概率，由此预测当前施工加固边坡的失稳风险。(8)当前施工边坡风险控制。根据当前施工边坡的失稳风险，采取适当措施进行边坡失稳风险调控，实现边坡工程的安全和经济的运行。(9)下一施工步的稳定性分析和风险调控。根据优化调控边坡施工方案进行边坡施工，并继续进行边坡变形监测。依次进行下一步施工步边坡等效岩体参数反演，并根据典型测点的监测位移和动力响应曲线，确定边坡数值计算的迭代步，由此进行下步施工方案优化和风险调控。如此依次进行，直至完成整个边坡工程的施工阶段。本发明首先是解决边坡工程分步施工过程施工时间效应的数值模拟方法，即根据监测位移和动力响应曲线确定数值模拟的迭代步；然后，基于等效岩体参数和数值模拟计算迭代步，进行下一步边坡施工方案的优化设计；最后，考虑施工对边坡岩体参数的影响，以工程边坡岩体参数作为随机变量，进行下一步施工(加固)边坡的稳定性可靠度分析和风险预测，并根据预测风险进行边坡的风险调控，实现边坡工程的安全、经济和可靠运行。
权利要求
1.一种基于监测信息的边坡施工过程的稳定性数值分析与优化设计方法，其特征在于通过施工边坡的动力响应曲线来解决分步施工边坡数值分析的时间效应问题，包含如下步骤a、基于边坡坡顶或坡面变形监测，进行岩体等效参数反演，获得对应于当前施工步的等效岩体参数，建立边坡等效数值分析模型山、借助于边坡等效数值模型和典型测点的监测信息，确定考虑动态施工的时间效应的数值分析迭代步；C、以等效数值模型和迭代步，进行下一施工步数值分析和方案优化设计；d、根据优化设计方案进行下一步施工边坡的可靠度分析与风险预测；e、根据下一步施工步边坡的预测风险，进行边坡施工方案的风险调控；f、根据优化设计方案和风险调控措施，进行下步边坡工程的施工和变形监测；g、依次类推，直至完成整个边坡工程的动态分析和实施方案优化设计。
2.根据权利要求I所述的基于监测信息的边坡施工过程数值分析与优化设计方法，其特征在于使用的目前国内外通用的FLAC软件系统，以设定的迭代步来模拟边坡稳定性与施工时间的关系。
3.根据权利要求I或2所述的基于监测信息的边坡施工过程数值分析与优化设计方法，其特征在于采用施工边坡的动力响应曲线和典型测点的监测位移，来确定分步施工的时间效应的迭代步 (1)划分边坡工程施工步；将边坡工程划分为若干施工步，于边坡施工前在坡顶埋设变形监测点对边坡变形进行实时监测，从而获得不同施工步所对应的位移监测值； (2)为当前施工步进行岩体参数反演，建立边坡等效模型； (3)计算当前施工步边坡的动力响应曲线； (4)确定分步施工时间效应的数值模拟迭代步； (5)进行下步施工方案的优化设计； (6)进行下步施工边坡的稳定性可靠度分析和风险预测； (7)进行下步施工步边坡方案的风险调控； (8)根据优化设计方案和风险调控措施进行边坡施工和变形监测； (9)依次类推，直至完成整个边坡的施工。
全文摘要
本发明涉及一种基于监测信息的边坡施工过程的稳定性数值分析与优化设计方法，属于岩土边坡工程动态施工、优化设计和风险防控的技术领域。技术方案是基于边坡监测信息，建立当前施工步边坡的等效参数反演和分步施工时间效应分析，由此获得对应于当前施工步的等效数值模型和数值模拟迭代步；在此基础上，进行下步施工边坡方案的优化设计和边坡工程的稳定性可靠度分析与风险预测；最后根据预测的边坡失稳风险进行调控和施工，并进一步开展变形监测和动态分析和优化设计，直至完成整个边坡的施工。本发明在“基于安全监控的边坡位移反分析方法”的基础上，重点解决边坡工程分步施工过程的时间效应的数值模拟技术，并发明了边坡动态施工过程的施工方案优化与风险调控分析方法。
文档编号G06F17/50GK102789516SQ201210158128
公开日2012年11月21日 申请日期2012年5月21日 优先权日2012年5月21日
发明者南世卿, 宋爱东, 张光存, 李刚, 王金安, 董璐, 高谦 申请人:河北钢铁集团有限公司, 河北钢铁集团矿业有限公司