一种应变软化边坡的稳定性动态评价方法与流程

本发明涉及地质工程技术领域，尤其涉及一种应变软化边坡的稳定性动态评价方法。

背景技术：

我国各类自然及人工边坡广泛分布，频发的边坡地质灾害对社会和经济财产造成了巨大的损失。因此，边坡稳定性的科学合理评价具有重要的科学和实际意义。边坡的稳定性定量分析主要包括极限平衡法、数值模拟方法，其中数值模拟方法由于其便捷性和准确性得到了广泛应用。

岩土体多具有应变软化的特性，软化阶段岩土体强度参数可能出现不同程度的弱化甚至强化，但目前边坡渐进破坏研究方面仍鲜有考虑岩土体峰后强度参数变化模式的研究。此外，现有的数值模拟研究多借助强度折减法或极限平衡法等手段确定边坡在不同阶段的安全系数，但应变软化材料在软化阶段强度参数发挥的作用可能不同，且具有残余强度下限(或上限)，强度折减法显然与此相矛盾，而极限平衡法多需进行繁琐的模型、参数甚至软件转换。因此，目前对于应变软化边坡渐进破坏的分析仍有一定局限性。

技术实现要素：

鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于重力增加法利用处理软件与统计分析软件对边坡的稳定性进行分析，充分考虑边坡的渐进破坏过程，可得到边坡破坏过程中稳定性系数的动态变化情况与边坡的潜在滑动面的应变软化边坡的稳定性动态评价方法。

本发明的实施例提供一种应变软化边坡的稳定性动态评价方法，包括以下步骤：

(1)根据待分析边坡的几何尺寸、地层状况及地表形态在处理软件中建立边坡模型，并确定边坡岩土体线性应变软化摩尔-库仑模型参数；

(2)在处理软件中设置步骤(1)确定的线性应变软化摩尔-库仑模型参数，计算边坡模型的弹性初始应力场，再计算边坡模型各单元的弹塑性，并保存不同时步边坡模型各单元的弹塑性计算结果；

(3)读取不同时步边坡模型各单元的弹塑性，并在处理软件中利用二次开发功能编写函数，通过函数提取不同时步边坡模型对应的各单元的塑性剪应变值，并对地层进行重新分组；

(4)通过步骤(3)重新分组的边坡模型各单元的塑性剪应变值计算得到相应的地层的抗剪强度参数，并基于强度残余强度系数分析边坡模型的抗剪强度参数的时空分布规律；

(5)提取步骤(4)的计算文件，根据边坡模型的抗剪强度参数的时空分布规律对边坡岩土体的力学强度参数进行重新赋值，并根据重力增加法计算不同时步边坡模型的稳定系数，进而分析边坡模型的稳定性动态变化过程；

(6)通过建模软件提取步骤(5)中稳定系数趋于稳定后的计算文件，导出边坡模型临界破坏状态的位移分布云图，进而得到位移分布云图上潜在的滑带与滑床分界面上点的坐标，统计分界面上点的坐标，并在统计分析软件中通过最小二乘法进行拟合，最终拟合曲线即反应待分析边坡的潜在滑动面。

进一步，所述步骤(1)中，处理软件为有限差分数值模拟软件。

进一步，所述步骤(1)中，边坡模型的坡高为10m，坡角为45°，坡顶到右边界的距离为25m，上下边界总高为25m，边坡单元数为4189。

进一步，所述步骤(1)中，莫尔-库仑模型参数包括岩土体的重度γ，弹性模量e，泊松比μ，峰值粘聚力cp和峰值内摩擦角残余粘聚力cr和峰值内摩擦角峰值塑性剪应变阈值κp^ps和残余塑性剪应变阈值κr^ps。

进一步，所述峰值塑性剪应变阈值的增量形式为：

式中：δε1^ps和δε3^ps为塑性剪应变主增量，δεm^ps为塑性剪切体应变增量。

进一步，莫尔-库仑模型的强度准则表达式为：

式中：σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，拉应力为正，压应力为负。

进一步，所述步骤(4)中，抗剪强度参数的时空分布规律为：

式中：k代表粘聚力或内摩擦角，0≤rs≤1。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明考虑边坡岩土体的不同应变软化特性，利用重力增加法分析应变软化边坡的渐进破坏过程，有效避免了极限平衡法繁琐的计算过程与强度折减法原理上的缺陷，并可准确快速识别边坡潜在滑动面，该方法原理清晰，概念明确，计算方便，结果可靠，具有良好的科学研究价值和工程应用前景。

附图说明

图1是本发明一种应变软化边坡的稳定性动态评价方法的一流程图。

图2为本发明所采用线性应变软化莫尔-库仑模型的强度参数演化示意图；

图3为本发明边坡模型的一示意图；

图4为本发明边坡残余强度参数演化过程的示意图；

图5为本发明边坡稳定性系数动态变化过程的示意图；

图6为本发明边坡利用不同方法确定的潜在滑动面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种应变软化边坡的稳定性动态评价方法，包括以下步骤：

(1)根据待分析边坡的集合尺寸、地层状况及地表形态在处理软件1中建立边坡模型，并确定边坡岩土体线性应变软化的莫尔-库仑模型参数；

处理软件1优选为有限差分数值模拟软件。

如图3所示，边坡模型的坡高为10m，坡角为45°，坡顶到右边界的距离为25m，上下边界总高为25m，边坡单元数为4189。

线性应变软化摩尔-库仑模型参数包括岩土体的重度γ，弹性模量e，泊松比μ，峰值粘聚力cp和峰值内摩擦角残余粘聚力cr和峰值内摩擦角峰值塑性剪应变阈值κp^ps和残余塑性剪应变阈值κr^ps。

如图2所示，峰值塑性剪应变阈值的增量形式为：

式中：δε1^ps和δε3^ps为塑性剪应变主增量，δεm^ps为塑性剪切体应变增量。

线性应变软化摩尔-库仑模型的强度准则表达式为：

式中：σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，拉应力为正，压应力为负。

(2)在处理软件1中设置步骤(1)确定的线性应变软化摩尔-库仑模型参数，计算边坡模型的弹性初始应力场，再计算边坡模型各单元的弹塑性，并保存不同时步边坡模型各单元的弹塑性计算结果；

(3)读取不同时步边坡模型各单元的弹塑性计算结果，并在处理软件1中利用二次开发功能编写函数，通过函数提取边坡模型各单元的弹塑性对应的边坡模型各单元的塑性剪应变值，并对地层进行重新分组；

二次开发功能编写函数的核心部分如下：

利用函数遍历不同时步边坡模型各单元的弹塑性计算结果，并提取边坡模型各单元的弹塑性对应的边坡模型各单元的塑性剪应变值，将塑性剪应变值大于0小于0.01的单元重新划分为“1”组，同理可完成步骤(3)所述分组。

(4)通过步骤(3)重新分组的边坡模型各单元的塑性剪应变值计算得到相应地层的抗剪强度参数，并基于强度残余强度系数分析边坡模型的抗剪强度参数的时空分布规律；

抗剪强度参数的时空分布规律为：

式中：k代表粘聚力或内摩擦角，0≤rs≤1。

(5)提取步骤(4)的计算文件，根据边坡模型的抗剪强度参数的时空分布规律对边坡岩土体的力学强度参数进行重新赋值，并根据重力增加法计算不同时步边坡模型的稳定系数，进而分析边坡模型的稳定性动态变化过程；

(6)通过建模软件2提取步骤(5)中稳定系数趋于稳定后的计算文件，导出边坡模型临界破坏状态的位移分布云图，并均匀提取位移分布云图上潜在的滑带与滑床分界面上点的坐标，统计分界面上点的坐标，并在统计分析软件3中通过最小二乘法进行拟合，最终拟合曲线即反应待分析边坡的潜在滑动面。

表1边坡岩土体力学强度参数表

边坡的强度残余系数演化过程如图4所示(与塑性剪应变演化过程相对应)：随着计算过程的进行，首先是坡脚部分产生塑性剪应变，强度参数降低，并在之后的过程中逐渐降低直到残余抗剪强度参数；随着塑性区域的不断向上发展与向周围加宽，边坡各区域强度参数逐渐弱化；当塑性剪应变区域贯通之后，滑带区域塑性剪应变不断增加，滑带逐渐加宽并最终区域稳定。

边坡的稳定性系数动态变化过程如图5所示，边坡稳定性系数随时步的增加逐渐减小，至6000时步以后趋于稳定减小速率降低至零。

本方法对边坡潜在滑动面的识别与基于最大剪应变增量及极限平衡法(morgenstern-price法)确定的潜在滑动面对比如图6所示。位移分界面法确定的滑动面位置较其他两种方法较深，滑动面下部分与极限平衡法确定滑动面基本重合，上部分与最大剪应变增量法确定的滑动面位置相近，极限平衡法与最大剪应变增量法确定的滑动面在中间部分有交叉。进一步验证了本发明确定应变软化边坡潜在滑动面方法的准确性。

本发明考虑边坡岩土体的不同应变软化特性，利用重力增加法分析应变软化边坡的渐进破坏过程，有效避免了极限平衡法繁琐的计算过程与强度折减法原理上的缺陷，并可准确快速识别边坡潜在滑动面，该方法原理清晰，概念明确，计算方便，结果可靠，具有良好的科学研究价值和工程应用前景。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。