一种对锚固边坡风险进行量化分析的方法

1.本发明涉及安全风险评估技术领域，具体涉及一种对锚固边坡风险进行量化分析的方法。


背景技术：

2.锚杆防护因其施工简单，成本较低，支护效果好，受到边坡工程界的青睐。锚杆施工后，相当于在岩土体中增加筋骨，并依赖其锚固段与周围岩土体之间的相互作用传递锚杆作用力，进而增强了锚固区岩土体的强度(如弹性模量e、粘聚力c和摩擦角等)，使岩土体本身得到加固，改善了岩土体的力学参数及应力状态，并限制其变形发展，以保持稳定。由于锚杆荷载传递机理的复杂性及支护参数的多样性，锚固边坡风险分析仍面临挑战，因此亟需一种适用于锚固边坡风险量化的方法。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种对锚固边坡风险进行量化分析的方法，该方法可以对锚固边坡的风险进行量化分析。
4.为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
5.一种对锚固边坡风险进行量化分析的方法，包括如下步骤：
6.步骤1、构建施加锚杆后的边坡数学模型m0，计算边坡数学模型m0的安全系数f
s0
，并找出此时安全系数f
s0
下的滑动面s0；
7.步骤2、在边坡数学模型m0的基础上，标记出边坡岩土体受锚固区影响的区域，撤去锚杆，增强受锚固区影响的区域的岩土体力学参数，建立一个新模型m
x
，基于滑动面s0在边坡数学模型m0与新模型m
x
下安全系数相等的原理，利用geo
‑
studio找出受锚固区影响的区域岩土体力学参数的范围值；
8.步骤3、将新模型m
x
运用光滑粒子流体动力学方法进行模拟，根据其初始滑动面与滑动面s0一致，可以确定受锚杆影响的区域的岩土体力学参数的准确值；
9.步骤4、再次利用光滑粒子流体动力学方法进行模拟，结合蒙特卡罗方法对锚固边坡风险进行量化分析。
10.优选的，所述的岩土体力学参数为粘聚力c和摩擦角
11.优选的，所述的步骤1中，所述的安全系数f
s0
通过geo
‑
studio中的极限平衡方法计算。
12.优选的，所述的步骤2中，将锚杆作用效果等效为岩土体自身强度增强，以此为依据增强受锚固区影响的区域的岩土体力学参数。
13.优选的，所述的步骤2中，确定受锚固区影响的区域岩土体力学参数的范围值的方法为：
14.将受锚固区影响的区域的岩土体力学参数视为相互独立的随机变量，利用随机方法产生n个参数样本x1,x2,
…
,x
n
，样本相对应的粘聚力和摩擦角为c1、c2、c
n
、
15.优选的，所述的步骤3中，将新模型m
x
运用光滑粒子流体动力学方法进行模拟时，用完全指定滑动面的方法计算与参数样本x1,x2,
…
,x
n
相应的安全系数fs1,fs2,
…
,fs
n
，并指定初始滑动面s
i
，且初始滑动面s
i
与滑动面s0相同，找出fs
i
＝f
s0
的样本记为z1，z2，
…
，z
m
，并得到相应的受锚固区影响的区域的岩土体粘聚力和摩擦角c
i
、其中i＝1，2，
…
，m，m≤n。
16.优选的，所述的步骤3中，确定受锚杆影响的区域的岩土体力学参数的准确值的方法为：
17.对样本z1，z2，
…
，z
m
进行滑动状态模拟，得到其初始滑动面p1，p2，
…
，p
m
；在p1，p2，
…
，p
m
中寻找与滑动面s0最接近的初始滑动面，以此确定锚固区影响区域岩土体的力学参数值c
f
，
18.优选的，所述的步骤4中，再次利用光滑粒子流体动力学方法进行模拟时，将力学参数值c
f
，输入到所要计算的锚固边坡中，通过计算边坡施加锚杆后边坡土体的滑动方量，结合蒙特卡罗抽样方法计算边坡的失效概率，以此对锚固边坡风险进行量化分析。
19.本发明一种对锚固边坡风险进行量化分析的方法具有如下有益效果：
20.1.本发明对锚固边坡的风险分析提供了技术解决方案，通过考虑到锚固效应对边坡土体强度的影响，使锚固边坡的风险分析更具有实际参考意义。
21.2.本发明相比起现有技术的方法，通过考虑受锚固区影响的区域的岩土强度，不但能够确定锚固边坡的滑移体积，还可以确定锚固边坡失稳后的滑移状态。
22.3.通过对锚固边坡的风险进行量化评估，可以为锚固边坡的风险评估、安全防护提供有力的依据。
附图说明
23.图1、本发明流程图；
24.图2、锚固边坡安全系数和滑动面；
25.图3、等效替换锚杆边坡锚固区影响岩土体区域示意图；
26.图4、运用geo
‑
studio计算等效替换锚杆边坡安全系数；
27.图5、运用sph计算等效替换锚固边坡滑动面和滑坡方量；
28.图6、算例边坡原始图；
29.图7、锚固边坡安全系数和滑动面s0；
30.图8、运用geo
‑
studio寻找等效替换锚杆区域粘聚力和摩擦角范围值；
31.图9、运用sph寻找与s0最接近的初始滑动面；
32.图10、运用geo
‑
studio计算滑移土体体积；
33.图11、运用sph计算等效替代锚杆锚固边坡滑坡方量；
具体实施方式
34.以下所述，是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明，该说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
35.本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“顶”“底”“内”“外”等指
示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.参考图1～11：
37.实施例1、
38.本发明一种对锚固边坡风险进行量化分析的方法，包括如下步骤：
39.步骤1、构建施加锚杆后的边坡数学模型m0，计算边坡数学模型m0的安全系数f
s0
，并找出此时安全系数f
s0
下的滑动面s0；
40.步骤2、在边坡数学模型m0的基础上，标记出边坡岩土体受锚固区影响的区域，撤去锚杆，增强受锚固区影响的区域的岩土体力学参数，建立一个新模型m
x
，基于滑动面s0在边坡数学模型m0与新模型m
x
下安全系数相等的原理，利用geo
‑
studio找出受锚固区影响的区域岩土体力学参数的范围值；
41.步骤3、将新模型m
x
运用光滑粒子流体动力学方法(smoothed particle hydrodynamics简写为sph)进行模拟，根据其初始滑动面与滑动面s0一致，可以确定受锚杆影响的区域的岩土体力学参数的准确值；
42.步骤4、再次利用光滑粒子流体动力学方法进行模拟，结合蒙特卡罗方法对锚固边坡风险进行量化分析；
43.所述的岩土体力学参数为粘聚力c和摩擦角
44.实施例2、
45.在实施例1的基础上，本实施例做出了进一步优化，具体为：
46.如图2所示，所述的步骤1中，所述的安全系数f
s0
通过geo
‑
studio中的极限平衡方法计算。
47.实施例3、
48.在实施例2的基础上，本实施例做出了进一步优化，具体为：
49.所述的步骤2中，将锚杆作用效果等效为岩土体自身强度增强，以此为依据增强受锚固区影响的区域的岩土体力学参数；
50.所述的步骤2中，确定受锚固区影响的区域岩土体力学参数的范围值的方法为：将受锚固区影响的区域的岩土体力学参数视为相互独立的随机变量，利用随机方法产生n个参数样本x1,x2,
…
,x
n
，样本相对应的粘聚力和摩擦角为c1、c2、c
n
、
51.如图3所示黑色区域，在分析时，将锚杆作用效果等效为岩土体自身强度增强，建立一个新模型m
x
，黑色区域为等效替换锚杆后岩土体自身强度增强的区域。
52.实施例3、
53.在实施例2的基础上，本实施例做出了进一步优化，具体为：
54.如图4所示，所述的步骤3中，将新模型m
x
运用光滑粒子流体动力学方法进行模拟时，用完全指定滑动面的方法计算与参数样本x1,x2,
…
,x
n
相应的安全系数fs1,fs2,
…
,fs
n
，并指定初始滑动面s
i
，且初始滑动面s
i
与滑动面s0相同，找出fs
i
＝f
s0
的样本记为z1，z2，
…
，z
m
，并得到相应的受锚固区影响的区域的岩土体粘聚力和摩擦角c
i
、其中i＝1，2，
…
，m，m≤n；
55.如图5所示，所述的步骤3中，确定受锚杆影响的区域的岩土体力学参数的准确值
的方法为：对样本z1，z2，
…
，z
m
进行滑动状态模拟，得到其初始滑动面p1，p2，
…
，p
m
；在p1，p2，
…
，p
m
中寻找与滑动面s0最接近的初始滑动面，以此确定锚固区影响区域岩土体的力学参数值c
f
，
56.实施例4、
57.在实施例3的基础上，本实施例做出了进一步优化，具体为：
58.所述的步骤4中，再次利用光滑粒子流体动力学方法进行模拟时，将力学参数值c
f
，输入到所要计算的锚固边坡中，通过计算边坡施加锚杆后边坡土体的滑动方量，结合蒙特卡罗抽样方法计算边坡的失效概率，以此对锚固边坡风险进行量化分析。
59.下面结合图6进行实例说明。
60.该边坡坡高10m，坡面水平投影长5m，边坡坡率为1：0.5。该边坡岩土体力学参数粘聚力c均值为5kpa、内摩擦角φ均值为25
°
、容重γ均值为19.5kn/m3；
61.运用本发明提出的方法对该案例进行分析，根据图6在geo
‑
studio的slope/w模块中建立锚固边坡几何模型m0，将岩土体力学参数的均值输入到模型中计算出此时锚固边坡的安全系数f
s0
＝1.34，并标记出此时的滑动面s0，如图7所示；在原模型基础上，撤去锚杆，建立一个新模型m
x
，如图3所示，黑色土条为锚固区影响的岩土体区域，接着将锚固区影响的区域岩土体的粘聚力c和摩擦角φ视为相互独立的随机变量，利用随机方法产生1000个参数样本x1,x2,
…
,x
1000
，样本相对应的粘聚力和摩擦角为c1、φ1，c2、φ2，
…
，c
1000
、φ
1000
；利用批处理计算在模型m0的滑动面s0下样本x1,x2,
…
,x
1000
相应的安全系数fs1,fs2,
……
,fs
1000
，找出fs
i
＝f
s0
＝1.34的样本(i＝1，2，
…
，m,m≤1000)，记为z1，z2，
…
，z
89
，如图8所示，并能得到相应的锚固区影响的区域的岩土体的粘聚力c和摩擦角φ的范围值(40kpa≤c≤200kpa，25
°
≤φ≤55
°
)；
62.运用sph方法对样本z1，z2，
…
，z
89
进行滑动状态模拟，得到其初始滑动面p1，p2，
…
，p
89
；在p1，p2，
…
，p
89
中寻找与s0最接近的初始滑动面，如图9所示，此时可以确定锚固区影响的区域岩土体的力学参数值c
f
＝85kpa，φ
f
＝36
°
；
63.将上述得到的力学参数值c
f
＝85kpa，φ
f
＝36
°
代替图3模型中黑色土体力学参数值，作为计算锚固边坡模型工具对锚固边坡风险量化分析。由于施工和岩土体参数的变异性，将图3所示灰色的土体的粘聚力c和摩擦角φ视为相互独立的随机变量，利用随机方法产生50个参数样本k1,k2,
…
,k
50
，再次运用sph方法，计算边坡施加锚杆后每个边坡的滑移土体方量v1,v2,
…
，v
50
，如图11为该样本中某一边坡失稳滑移状态，统计滑移土体方量该50个样本中发生滑动的样本为17个，其中安全系数在0.7～0.8之间有3个，相应的平均滑移土体方量为172.59m3/m，安全系数在0.8～0.9之间有6个，相应的平均滑移土体方量为119.79m3/m，安全系数在0.9～1.0之间有8个，相应的平均滑移土体方量为76.21m3/m，最后统计滑移土体方量v＝(172.59*3+119.79*6+76.21*8)/50＝36.92m3/m；为了证明本发明方法的有效性，现进行对比分析，如图10所示为运用geo
‑
studio商用软件基于极限平衡方法计算得到的滑移土体体积为v0＝31.07m3/m，本发明方法最终确定的边坡滑移土体体积为v＝36.92m3/m，传统方法得到结果偏小。
64.因此，对比发现：传统的方法虽然能得出锚固边坡滑移体积，但锚杆对土体强度的增强没有考虑，而本发明考虑到锚杆对锚固区影响区域岩土体强度的增强，不但可以确定
锚固边坡的滑移体积，而且还能得到锚固边坡失稳后的滑移状态。