坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性预测方法及系统

本发明属于地质灾害防控，具体涉及坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性预测方法及系统。

背景技术：

1、随着高速公路、水力水电以及其他基础设施的建设，导致人为揭露和扰动了大量的天然边坡，滑坡灾害频发，其中反倾岩质边坡的倾倒破坏是一种典型的边坡破坏模式，评价反倾岩质边坡在受到坡顶载荷工况下的稳定性至关重要。

2、反倾岩质边坡的特点是存在一组或多组与边坡走向一致、倾向相反的层理或页理，破坏过程非线性大变形特点突出，难以用有限元方法进行稳定性分析。目前，反倾岩质边坡的稳定性的评价方法主要是极限平衡法，从上到下对岩块间作用力进行逐步分析，但该方法存在一些局限性，假设岩层底部是完全贯通的直线，且不考虑岩层间粘聚力和坡顶载荷的影响，与实际情况不符，同时岩层的抗拉强度是倾倒破坏的决定性因素之一，但极限平衡法进行分析并没有考虑在内。此外，在坡顶载荷下，现有方法大多数假设破坏面经过坡脚，并且与层面法线呈一定夹角，实际破坏面多呈现出曲折面，并且破坏面不一定经过坡脚，该假设明显不符合实际情况。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性预测方法及系统，提出了符合实际情况的边坡倾倒破坏面确定准则，通过反倾岩质边坡的几何边界条件和岩体力学参数进行稳定性评价，能够快速准确确定破坏面和边坡稳定性。

2、<方法>

3、本发明提供的坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、步骤1：基于反倾岩质边坡的几何参数和岩体力学参数构建二维反倾岩质边坡分析模型；

5、步骤2：对二维反倾岩质边坡分析模型，基于边坡倾倒破坏面确定准则确定反倾岩质边坡倾倒破坏的破坏面；边坡倾倒破坏面确定准则为：

6、1)随着坡顶载荷加载范围增加，破坏区域增加；

7、2)初始破坏竖直向下，到达节理时产生垂直节理方向破坏；

8、3)到达最大基准面后，沿着最大基准面破坏；

9、4)坡顶载荷加载范围的右侧做垂线与垂直层理的直线相交点为破坏面的转折点；

10、5)超过最大加载长度后，破坏模式固定，破坏面不变；

11、不同坡顶载荷加载范围划分的破坏面不一样，大体上分为三个破坏周期，第一周期和第二周期间隔分布，第三周期最后出现；并且，划分遵循坡顶载荷加载范围越大滑坡体积越大原则；坡顶载荷加载范围为反倾岩质边坡坡顶载荷下的加载范围；

12、第一周期：与准则1)、2)、4)对应；加载范围最右端点在岩块前半部分，竖直向下与垂直层理的基准面相交，形成破坏面；但随着加载范围的增加，发生倾倒破坏的坡体应增加，单纯按准则2)划分破坏面将使得滑坡体积变小，应该同时遵循准则1)，所以初始破坏竖直向下的线应该与n-1岩层的下表面相交，由此划分为第一破坏周期；

13、第二周期：与准则1)、2)、4)对应；当坡顶载荷加载范围落在岩层的后半部分时，坡顶载荷加载范围增加，初始破坏竖直向下直接与岩层n的下表面相交，与垂直层理的基准面相交形成破坏面，由此划分了第二周期；

14、第三周期：与准则1)、3)、5)对应；当坡顶载荷加载范围足够大时，初始破坏位置竖直向下总能与最大基准面相交，最大基准面就是经过边坡坡角与层理垂直的直线，该范围划分为第三周期；当初始破坏位置竖直向下总能与最大基准面相交时，就是第三周期划分范围的起点，而其终点就是最大基准面与坡顶的交点；当坡顶载荷加载范围超过最大基准面与坡顶的交点时，破坏模式固定不变，总沿着最大基准面破坏；

15、破坏面与边坡地表共同形成滑体区域，基于破坏面对该滑坡体区域中各岩层进行分割，离散出相应的岩块；

16、步骤3：基于岩块的尺寸及受力情况建立岩层间法向力的关系式，确定岩层间受力情况；

17、步骤4：根据岩层间受力情况，判断坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性。

18、优选地，本发明提供的坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性预测方法，在步骤1中，反倾岩质边坡的几何参数和岩体力学参数包括：反倾岩质边坡的坡高h、坡角β，岩层厚度d和岩层倾角α，层理或结构面的粘聚力c1和内摩擦角岩体的粘聚力c2、内摩擦角和抗拉强度σt，坡顶载荷的长度l和载荷大小f。

19、优选地，本发明提供的坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性预测方法，在步骤2中，对于各周期，当基于准则2或准则3进行划分出现与准则1)相冲突的特殊情况，则破坏点竖直向下时应该延伸到下一个岩层层理，而不是本岩层层理。

20、优选地，本发明提供的坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性预测方法，在步骤2中，确定好滑体区域之后，将岩块由左及右进行编号，设发生倾倒破坏岩块中最右侧岩块编号为n，最左侧岩块编号为1，当加载范围的右端点落在第n+1个岩块时，将该切割的小部分岩块合并到第n个岩块中。

21、优选地，本发明提供的坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性预测方法，在步骤3中，岩层间法向力关系式为：

22、

23、式中：pi-1和pi分别是岩块i左侧和右侧受到的法向力，是岩块i受到的最大拉应力，wi是岩块i的自重，fi是岩块i上表面受到的外部均布载荷；c1'是经过强度折减后的结构面粘聚力，是经过强度折减后的结构面内聚力，c1'是经过强度折减后的结构面粘聚力，di是岩块i的厚度，hi、hi-1分别是岩块i右侧高度和左侧高度，h＝(hi+hi-1)/2，α是岩块i的倾角，li是岩块i上表面受到外载荷的长度，η是法向力的力集中系数。

24、优选地，本发明提供的坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性预测方法，在步骤3中，h取值为

25、优选地，本发明提供的坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性预测方法，在步骤4中，基于步骤3通过强度折减法不断改变岩层间的法向力大小，计算最外侧岩块的抗滑力和下滑力的大小，对比最外侧岩块的抗滑力和下滑力判断边坡是否稳定；

26、抗滑力和下滑力的计算公式为：

27、

28、式中：s1和t1分别代表最外侧岩块的抗滑力和下滑力，n1是最外侧岩块底部的法向力，w1是最外侧岩块的自重，c'2和分别是岩体强度折减后的粘聚力和摩擦角，p1是最外侧岩块内侧的法向力，d1和α分别是最外侧岩块的厚度和倾角；根据s1和t1的大小关系，判断反倾岩质边坡的稳定性，判断准则如下：

29、i)t1＜s1，边坡处于稳定状态；

30、ii)t1＝s1，边坡处于极限平衡状态；

31、iii)t1＞s1，边坡处于失稳状态；

32、当边坡处于极限平衡状态时，此时的折减系数就是反倾岩质边坡的安全系数；安全系数大于1.0，为稳定边坡；安全系数大于1.0，为不稳定边坡。

33、<装置>

34、进一步，本发明还提供了一种自动实现上述<方法>的坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性预测系统，包括：

35、模型初建部，基于反倾岩质边坡的几何参数和岩体力学参数构建二维反倾岩质边坡分析模型；

36、破坏面确定部，对二维反倾岩质边坡分析模型，基于边坡倾倒破坏面确定准则确定反倾岩质边坡倾倒破坏的破坏面；边坡倾倒破坏面确定准则为：

37、1)随着坡顶载荷加载范围增加，破坏区域增加；

38、2)初始破坏竖直向下，到达节理时产生垂直节理方向破坏；

39、3)到达最大基准面后，沿着最大基准面破坏；

40、4)坡顶载荷加载范围的右侧做垂线与垂直层理的直线相交点为破坏面的转折点；

41、5)超过最大加载长度后，破坏模式固定，破坏面不变；

42、不同坡顶载荷加载范围划分的破坏面不一样，大体上分为三个破坏周期，第一周期和第二周期间隔分布，第三周期最后出现；并且，划分遵循坡顶载荷加载范围越大滑坡体积越大原则；坡顶载荷加载范围为反倾岩质边坡坡顶载荷下的加载范围；

43、第一周期：与准则1)、2)、4)对应；加载范围最右端点在岩块前半部分，竖直向下与垂直层理的基准面相交，形成破坏面；但随着加载范围的增加，发生倾倒破坏的坡体应增加，单纯按准则2)划分破坏面将使得滑坡体积变小，应该同时遵循准则1)，所以初始破坏竖直向下的线应该与n-1岩层的下表面相交，由此划分为第一破坏周期；

44、第二周期：与准则1)、2)、4)对应；当坡顶载荷加载范围落在岩层的后半部分时，坡顶载荷加载范围增加，初始破坏竖直向下直接与岩层n的下表面相交，与垂直层理的基准面相交形成破坏面，由此划分了第二周期；

45、第三周期：与准则1)、3)、5)对应；当坡顶载荷加载范围足够大时，初始破坏位置竖直向下总能与最大基准面相交，最大基准面就是经过边坡坡角与层理垂直的直线，该范围划分为第三周期；当初始破坏位置竖直向下总能与最大基准面相交时，就是第三周期划分范围的起点，而其终点就是最大基准面与坡顶的交点；当坡顶载荷加载范围超过最大基准面与坡顶的交点时，破坏模式固定不变，总沿着最大基准面破坏；

46、岩块划分部，破坏面与边坡地表共同形成滑体区域，基于破坏面对该滑坡体区域中各岩层进行分割，离散出相应的岩块；

47、层间受力确定部，基于岩块的尺寸及受力情况建立岩层间法向力的关系式，确定岩层间受力情况；

48、稳定性预测部，根据岩层间受力情况，判断坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性；

49、控制部，与模型初建部、破坏面确定部、岩块划分部、层间受力确定部、稳定性预测部均通信相连，控制它们的运行。

50、优选地，本发明提供的坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性预测系统，还可以包括：输入显示部，与模型初建部、破坏面确定部、岩块划分部、层间受力确定部、稳定性预测部以及控制部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并根据操作指令对相应部的数据和文件以文字、表格、图形、静态或动态模型方式进行显示。

51、优选地，本发明提供的坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性预测系统，在层间受力确定部中，岩层间法向力关系式为：

52、

53、式中：pi-1和pi分别是岩块i左侧和右侧受到的法向力，是岩块i受到的最大拉应力，wi是岩块i的自重，fi是岩块i上表面受到的外部均布载荷；c1'是经过强度折减后的结构面粘聚力，是经过强度折减后的结构面内聚力，c1'是经过强度折减后的结构面粘聚力，di是岩块i的厚度，hi、hi-1分别是岩块i右侧高度和左侧高度，h＝(hi+hi-1)/2，α是岩块i的倾角，li是岩块i上表面受到外载荷的长度，η是法向力的力集中系数。

54、发明的作用与效果

55、本发明充分考虑结构面强度、岩体强度和力的分布特点，提出边坡倾倒破坏面确定准则，快速准确确定破坏面，以此改进坡顶载荷下的稳定性分析模型，并且进一步提出了岩层间法向力的关系式，从而确定岩层间受力情况，判断坡顶载荷作用下反倾岩质边坡稳定性，能够更加符合反倾岩质边坡在受到坡顶载荷发生倾倒破坏的实际情况，提高计算精度，使预测结果更为准确、可靠。本发明为公路边坡、露天矿山和水力水电设施等领域反倾岩质边坡的稳定性预测提供了科学、可靠的新途径，具有算法结构简单、计算结果精确，易实现程序化、计算效率高等优点。