專利名稱：一種三維邊坡穩(wěn)定性預測方法
一種三維邊坡穩(wěn)定性預測方法技術領域
本發(fā)明屬于地質災害防控技術領域，具體涉及一種三維邊坡穩(wěn)定性預測方法。
背景技術：
我國屬地形地貌極為復雜的國家，也是一個多山的國家，尤其是我國西南地區(qū)以及東南沿海的福建、廣西、廣東和海南等地。在過去的幾百年里，發(fā)生過多起特大型滑坡事件。特別是隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，大量鐵路、公路、水利、礦山和城鎮(zhèn)等設施的修建，特別是在丘陵和山區(qū)建設中，人類工程活動中開挖和堆填的邊坡數(shù)量會越來越多，高度將越來越大。邊坡滑坡等地質災害給受災區(qū)造成巨大地經(jīng)濟損失和重大的人員傷亡。盡管在過去的一百年里，人們對邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值方法研究已有長足的發(fā)展，但是目前每年發(fā)生大量的邊坡破壞事件，表明現(xiàn)有的邊坡智能預測方法仍存在不足。
對邊坡穩(wěn)定性分析而言，運用最廣泛的方法是二維極限平衡法。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，運用二維極限平衡法研究邊坡穩(wěn)定性已相當成熟。對于二維邊坡問題，應用滿足嚴格平衡條件的極限平衡條分法可以得到足夠精度的邊坡穩(wěn)定系數(shù)。
但是自然界的邊坡工程問題通常具有三維特征，目前對于三維邊坡穩(wěn)定性分析的極限平衡條柱法需做過多的人為假設，并且只能滿足部分平衡條件，與實際的受力情況存在明顯差異，得到穩(wěn)定系數(shù)的可靠性不能完全滿足工程要求。例如，“邊坡穩(wěn)定分析的三維Spencer法”，張均 鋒，王思瑩，祈濤，巖石力學與工程學報，第24卷第19期，第343Γ3439頁，2005年10月記載了采用極限平衡條分法對三維邊坡穩(wěn)定性進行了分析。該方法引入了多個基本假定，最后根據(jù)每個條柱三個方向上力的平衡和滑坡體繞X軸和y軸的力矩平衡方程，求解得到三維邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。這種方法的不足是缺失z軸力矩平衡方程，導致該方向的不平衡，由此獲得的預測結果必然不可靠。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題就是提供一種三維邊坡穩(wěn)定性預測方法，它能夠滿足所有力的平衡和繞三個軸的力矩平衡，以提高邊坡穩(wěn)定性預測的準確性。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明的三維邊坡穩(wěn)定性預測方法包括以下步驟:步驟1、選定具體待預測的滑坡體，確定三維滑面形狀及滑坡體幾何尺寸；三維滑面分為滑裂面和邊坡表面，將滑裂面和邊坡表面用方程表示；邊坡表面的參數(shù)有邊坡斜面在水平面上的投影長度7，邊坡斜面在豎直方向上的投影長度滑裂面的參數(shù)依據(jù)實際幾何形狀確定，確定巖土材料的強度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角Φ ；步驟2、將三維滑坡體離散化，三維滑坡體被垂直離散為I 行和》列條柱，每個條柱按所在的行號 和列號J足義為;假定行方向的條柱間作用力與水平面夾角為土 α，假定列方向的條柱間作用力與水平面夾角為土 β ;步驟3、建立三維邊坡穩(wěn)定性預測的方程組，由方程組求解得到三維邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs的值；步驟4、根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)臨界值判定三維邊坡的穩(wěn)定性，若三維邊坡穩(wěn)定系數(shù)大于等于穩(wěn)定系數(shù)臨界值，則三維邊坡穩(wěn)定；若三維邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于穩(wěn)定系數(shù)臨界值，則三維邊坡不穩(wěn)定。
上述步驟3中，建立三維邊坡穩(wěn)定性預測的方程組包括以下步驟:步驟I)、確定每個條柱底面法向力和剪切力的方向:步驟2)、根據(jù)三個軸向力的平衡方程，解出(i，j)條柱底面的法向力NU和剪切力Slj:步驟3)、將法向力妒j和剪切力Si'j代入到滑坡體繞三個坐標軸的力矩平衡方程，得到三維邊坡穩(wěn)定性預測的方程組:由于本發(fā)明將三維滑坡體離散化，并考慮了更多力和力矩的平衡關系，使得計算精度有所提高，預測結果更為可靠。另外，所有建模過程都程序化，便于操作和編程，大大的減少了人為的計算量，由計算機實現(xiàn)三維邊坡的穩(wěn)定系數(shù)的預測。所以本發(fā)明的優(yōu)點是:提高了計算精度，預測結果更為可靠。


本發(fā)明的

如下: 圖1為本發(fā)明的一個實施例的滑坡體滑裂面和邊坡表面的剖面圖； 圖2為三維滑坡體離散化結構圖； 圖3為離散化條柱的受力模型圖； 圖4為圖1中y=78.35m處的實施例的滑坡體滑裂面和邊坡表面的剖面圖； 圖5為圖4實施例的穩(wěn)定系數(shù)擬合曲線； 圖6為圖4實施例的擬合殘差曲線。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明:步驟1、選定具體待預測的滑坡體，將滑裂面和邊坡表面用方程表示； 如圖1所示，三維邊坡表面的高為H，坡面水平投影為I的，建立三維空間坐標系
權利要求
1.一種三維邊坡穩(wěn)定性預測方法，其特征是:它包括以下步驟: 步驟1、選定具體待預測的滑坡體，確定三維滑面形狀及滑坡體幾何尺寸；三維滑面分為滑裂面和邊坡表面，將滑裂面和邊坡表面用方程表示；邊坡表面的參數(shù)有邊坡斜面在水平面上的投影長度7，邊坡斜面在豎直方向上的投影長度滑裂面的參數(shù)依據(jù)實際幾何形狀確定，確定巖土材料的強度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角Φ ； 步驟2、將三維滑坡體離散化，三維滑坡體被垂直離散為 行和《列條柱，每個條柱按所在的行號i和列號J定義為A ;假定行方向的條柱間作用力與水平面夾角為土 α，假定列方向的條柱間作用力與水平面夾角為土 β ; 步驟3、建立三維邊坡穩(wěn)定性預測的方程組，由方程組求解得到三維邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs的值； 步驟4、根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)臨界值判定三維邊坡的穩(wěn)定性，若三維邊坡穩(wěn)定系數(shù)大于等于穩(wěn)定系數(shù)臨界值，則三維邊坡穩(wěn)定；若三維邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于穩(wěn)定系數(shù)臨界值，則三維邊坡不穩(wěn)定。
2.根據(jù)權利要求1所述的三維邊坡穩(wěn)定性預測方法，其特征是:所述步驟3中包括以下步驟: 步驟I)、確定每個條柱底面法向力和剪切力的方向: 步驟2)、根據(jù)三個軸向力的平衡方程，解出_/]條柱底面的法向力NU和剪切力SiJ:步驟3)、將法向力NU和剪切力SU代入到滑坡體繞三個坐標軸的力矩平衡方程，得到三維邊坡穩(wěn)定性預測的方程組。
3.根據(jù)權利要求2所述的三維邊坡穩(wěn)定性預測方法，其特征是:步驟I)中確定每個條柱底面法向力和剪切力方向的式子: 條柱底面上法向力方向的單位矢量為......1 df Bf i
4.根據(jù)權利要求3所述的三維邊坡穩(wěn)定性預測方法，其特征是:步驟2)中三個軸向力的平衡方程為:
5.根據(jù)權利要求4所述的三維邊坡穩(wěn)定性預測方法，其特征是:步驟3)中滑坡體繞三個坐標軸的力矩平衡方程為:
6.根據(jù)權利要求5所述的三維邊坡穩(wěn)定性預測方法，其特征是:求解不同滑裂面寬度b下的三維邊坡穩(wěn)定系數(shù)值Fs,由Levenberg-Marquardt最小二乘法擬合出穩(wěn)定系數(shù)Fs與滑裂面寬度b的非線性關系曲線，獲得關系式:
7.根據(jù)權利要求6所述的三維邊坡的預測方法，其特征是:將滑裂面寬度b取無窮大后
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三維邊坡穩(wěn)定性預測方法。它包括以下步驟步驟1、選定具體待預測的滑坡體，確定三維滑面形狀及滑坡體幾何尺寸；三維滑面分為滑裂面和邊坡表面，將滑裂面和邊坡表面用方程表示；步驟2、將三維滑坡體離散化；步驟3、建立三維邊坡穩(wěn)定性預測的方程組，由方程組求解得到三維邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs的值；步驟4、根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)臨界值判定三維邊坡的穩(wěn)定性。本發(fā)明的優(yōu)點是計算精度有所提高，預測結果更為可靠。
文檔編號G01V9/00GK103163563SQ20131003662
公開日2013年6月19日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權日2013年1月31日
發(fā)明者周小平, 程浩 申請人:重慶大學