一种边坡锚杆最优布置方案确定方法

本发明涉及一种边坡锚杆最优布置方案确定方法。

背景技术：

1、开挖后的岩体边坡处于一种不稳定的状态，因此，工程实践中采用不同的支护方式对岩土边坡进行加固，如抗滑桩、地下连续墙、锚杆等，其中锚杆是边坡支护中较为常用的边坡加固方式。

2、在边坡支护锚杆施工过程中，首先要确定锚杆的数量、锚杆的长度及锚杆的布置位置，目前边坡锚杆支护设计中锚杆的布置一般基于工程经验来确定，但该方法具有较大的人为主观性，为了确保边坡稳定性，采用过多及过长的锚杆进行边坡支护，这种边坡过度支护，容易造成支护浪费，经济上不合理。而支护锚杆数量较少或支护锚杆长度不够时，容易导致岩土边坡滑坡，因此确定经济、安全、合理的锚杆布置方案，能确保边坡安全稳定的前提下使用尽量少的锚杆，减少边坡支护支出。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种算法简单、经济安全的边坡锚杆最优布置方案确定方法。

2、本发明解决上述问题的技术方案是：一种边坡锚杆最优布置方案确定方法，包括以下步骤：

3、(1)根据边坡的几何尺寸，采用flac3d数值模拟计算软件对边坡模型进行建模，并确定岩土力学参数及锚杆力学参数；

4、(2)确定数值模拟计算的总迭代次数、锚杆数量n、锚杆的长度范围，迭代次数初始化为0；

5、(3)初次数值模拟计算随机产生锚杆数量，并计算得到锚杆端点坐标；

6、(4)根据锚杆的几何参数，将锚杆布置在边坡岩土体中，并采用强度折减法计算锚杆支护后的边坡安全系数；

7、(5)根据数值模拟计算得到安装锚杆后边坡安全系数，并根据边坡安全系数确定目标函数；

8、(6)根据数值模拟计算结果，计算目标函数，当目标函数小于目前最小值时，将最优计算结果替代；

9、(7)数值模拟计算迭代次数加1，当迭代次数大于总迭代次数时，数值模拟计算结束，进入步骤(8)，否则基于当前数值模拟计算最优解产生下次数值模拟计算解，进入步骤(4)；

10、(8)计算结束。

11、上述边坡锚杆最优布置方案确定方法，所述步骤(1)中，岩土力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角，锚杆力学参数包括横截面积、弹性模量、抗拉强度、单位长度刚度、锚杆单位长附着力。

12、上述边坡锚杆最优布置方案确定方法，所述步骤(2)中，总迭代次数为10000次，锚杆数量n的取值范围为1-10，锚杆的长度范围为大于0且锚杆杆体均处于岩体中。

13、上述边坡锚杆最优布置方案确定方法，所述步骤(3)中，锚杆的长度为l，锚杆的起始点均在边坡，锚杆杆体均在边坡岩土体中，锚杆的角度为α，锚杆在倾斜面的坐标为(x1,y1)，根据锚杆的几何参数，计算得到锚杆端点坐标(x2,y2)表示为：

14、

15、当锚杆数量超过1根时，则需要判别锚杆之间是否有重叠，如果有重叠则需重新确定锚杆的位置情况。

16、上述边坡锚杆最优布置方案确定方法，所述步骤(5)中，目标函数表示为：

17、

18、当锚杆支护后边坡安全系数fos小于1.25时，此时目标函数为无穷大，认为该边坡是不稳定的，而边坡安全系数fos大于或等于1.25时，则认为该边坡是稳定的，此时对应的目标函数值为锚杆的数量与锚杆的长度的乘积。

19、上述边坡锚杆最优布置方案确定方法，所述步骤(6)中，最优计算结果替代的公式为：

20、

21、式中，objpresent表示当前计算的目标函数值，objbest表示所有数值模拟计算的最小值，nbest表示目标函数最小值时对应的锚杆数量，npresent表示当前数值模拟计算中锚杆的数量，lbest表示目标函数取最小值时锚杆长度，lpresent表示当前数值模拟计算锚杆长度，表示目标函数取最小值时第i根锚杆的角度，i＝1,2,3,......,n，表示当数值模拟计算中第i根锚杆的角度，表示当前数值模拟计算中锚杆的起始坐标点，n为当前数值模拟计算锚杆的数量，表示目标函数取最小值锚杆的起始坐标值；如果是初次数值模拟计算时，将当前数值模拟计算结果作为最优结果。

22、上述边坡锚杆最优布置方案确定方法，所述步骤(7)中，产生下次数值模拟计算解的公式为：

23、

24、上式中，rand为-0.5到0.5之间正态分布随机数，int为函数取整表达式，nnext表示下次数值模拟计算锚杆数量，lnext表示下次数值模拟计算锚杆长度，αi-next表示下次数值模拟计算第i根锚杆角度，xi-next、yi-next表示下次数值模拟计算第i根锚杆的初始坐标点。

25、本发明的有益效果在于：本发明采用flac3d建立边坡模型，在边坡模型斜坡布置锚杆，锚杆的一端固定在边坡倾斜面上，而锚杆另一端布置在岩体中，其中锚杆的数量、锚杆位置及锚杆布置角度均为变量，以数值模拟计算结果中安装锚杆的边坡安全系数大于等于1.25为约束条件，以锚杆的总长度为目标函数，通过数值模拟迭代计算，能获取锚杆的最经济、安全的边坡锚杆布置方案。

技术特征：

1.一种边坡锚杆最优布置方案确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的边坡锚杆最优布置方案确定方法，其特征在于，所述步骤(1)中，岩土力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角，锚杆力学参数包括横截面积、弹性模量、抗拉强度、单位长度刚度、锚杆单位长附着力。

3.根据权利要求1所述的边坡锚杆最优布置方案确定方法，其特征在于，所述步骤(2)中，总迭代次数为10000次，锚杆数量n的取值范围为1-10，锚杆的长度范围为大于0且锚杆杆体均处于岩体中。

4.根据权利要求3所述的边坡锚杆最优布置方案确定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，锚杆的长度为l，锚杆的起始点均在边坡，锚杆杆体均在边坡岩土体中，锚杆的角度为α，锚杆在倾斜面的坐标为(x1,y1)，根据锚杆的几何参数，计算得到锚杆端点坐标(x2,y2)表示为：

5.根据权利要求4所述的边坡锚杆最优布置方案确定方法，其特征在于，所述步骤(5)中，目标函数表示为：

6.根据权利要求5所述的边坡锚杆最优布置方案确定方法，其特征在于，所述步骤(6)中，最优计算结果替代的公式为：

7.根据权利要求6所述的边坡锚杆最优布置方案确定方法，其特征在于，所述步骤(7)中，产生下次数值模拟计算解的公式为：

技术总结
本发明公开了公开一种边坡锚杆最优布置方案确定方法，采用FLAC3D建立边坡模型，在边坡模型斜坡布置锚杆，锚杆的一端固定在边坡倾斜面上，而锚杆另一端布置在岩体中，其中锚杆的数量、锚杆位置及锚杆布置角度均为变量，以数值模拟计算结果中安装锚杆的边坡安全系数大于等于1.25为约束条件，以锚杆的总长度为目标函数，通过数值模拟迭代计算，能获取锚杆的最经济、安全的边坡锚杆布置方案。

技术研发人员：王敏,万文,赵延林
受保护的技术使用者：湖南科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25