巨型滑坡多塊滑動計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巨型滑坡多塊滑動計算方法，屬于地質(zhì)災(zāi)害工程領(lǐng)域，用于滑坡災(zāi)害 穩(wěn)定性評價和工程防治。
【背景技術(shù)】
[0002] 在滑坡災(zāi)害中，某些規(guī)模巨大、軸線較長的滑坡內(nèi)部由于變形的時間、方向、模式 等特征的不同，由多個小滑坡組成，各個小滑坡之間變形有先后，相互有作用，最終整體形 成多級滑坡。此類多級滑坡的變形特征和力學(xué)特性尤其復(fù)雜。邊坡失穩(wěn)過程是從局部到整 體漸進(jìn)性的破壞過程。隨著應(yīng)力集中區(qū)域的轉(zhuǎn)移和調(diào)整，將形成新的應(yīng)力集中區(qū)域，滑動 面將進(jìn)一步延伸，最終貫通。巨型滑坡多塊滑動的數(shù)值模擬是一個困難的問題。對于巨型 滑坡，準(zhǔn)確的搜索出多級滑動面及拉破壞區(qū)是預(yù)測滑坡失穩(wěn)的關(guān)鍵，也是多級滑坡治理、支 擋結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)。
[0003] 到目前為止，關(guān)于滑坡面搜索的技術(shù)方法已經(jīng)有很多種，其中以極限平衡法為主 的傳統(tǒng)算法、以有限元為主的數(shù)值模擬計算方法，技術(shù)最為成熟，應(yīng)用最為廣泛。然而它們 在多級滑坡的數(shù)值模擬應(yīng)用上都有各自不足。例如：極限平衡法將滑體假設(shè)為剛性體，沒有 考慮邊坡的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，不能反映滑坡的變形演化過程，不能反映實際的應(yīng)力狀態(tài)；傳統(tǒng) 強(qiáng)度折減法計算獲得的塑性區(qū)往往被擴(kuò)大化，而且經(jīng)常出現(xiàn)在邊坡的深部，且忽視了拉破 壞區(qū)，從而導(dǎo)致拉破壞區(qū)及塑性區(qū)擴(kuò)展至整個滑體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對傳統(tǒng)數(shù)值模擬不能準(zhǔn)確搜索巨型滑坡多級滑動面的缺陷，本發(fā)明基于強(qiáng)度折 減法，通過設(shè)置拉破壞區(qū)為空單元，提出了一種巨型滑坡多塊滑動計算方法。
[0005] 具體的技術(shù)方案為：
[0006] 巨型滑坡多塊滑動計算方法，包括以下步驟：
[0007] (1)查明滑坡區(qū)域范圍、變形特征、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件；
[0008] (2)基于有限元程序，建立邊坡有限元數(shù)值模型；
[0009] (3)輸入邊坡地層力學(xué)參數(shù)；
[0010] 輸入的邊坡地層力學(xué)參數(shù)包括巖質(zhì)邊坡的各軟弱層及基巖層巖體結(jié)構(gòu)、巖體質(zhì) 量、地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI和單軸抗壓強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)；土質(zhì)邊坡的強(qiáng)度參數(shù)和變形參數(shù)。
[0011] 其中，地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI是根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)、巖體中巖塊的嵌鎖狀態(tài)和巖體中不連 續(xù)面質(zhì)量，結(jié)合各種地質(zhì)信息進(jìn)行的估值。
[0012] (4)輸入折減參數(shù)及巖土體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行有限元計算；
[0013] 具體的，折減參數(shù)為折減系數(shù)K、折減范圍、折減次數(shù)。
[0014] 力學(xué)參數(shù)為力學(xué)模型、彈性模量G、泊松比y、粘聚力c、內(nèi)摩擦角巾及抗拉強(qiáng)度， 巖體力學(xué)參數(shù)由GSI和霍克-布朗準(zhǔn)則提供。
[0015] (5)確定邊坡破壞區(qū)；
[0016] 確定邊坡破壞區(qū)的方法是：通過不斷折減邊坡整體單元的強(qiáng)度參數(shù)，直至破壞區(qū) 出現(xiàn)；
[0017] (6)不斷折減破壞區(qū)強(qiáng)度參數(shù)直至滑動面貫通；
[0018] 不斷折減破壞區(qū)強(qiáng)度參數(shù)的方法是：根據(jù)彈塑性準(zhǔn)則，通過定義折減系數(shù)對破壞 區(qū)強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減計算，如式1所示，
[0020] 其中，c為黏聚力，F(xiàn)為內(nèi)摩擦角，Cf為破壞區(qū)的黏聚力，咿為破壞區(qū)的內(nèi)摩擦角；
[0021] (7)確定每一級滑動面拉破壞區(qū)；
[0022] 確定每一級滑動面拉破壞區(qū)的方法是，選擇由步驟（4)、（5)、（6)中搜索出的拉破 壞區(qū)，確定拉破壞區(qū)深度匕與由拉破壞臨界深度公式計算出來的h2進(jìn)行對比，拉破壞區(qū)臨 界深度h2由式2計算得來：
[0026] 其中W為內(nèi)摩擦角；最終選擇最大值作為拉破壞區(qū)深度hf，如式4所示：
[0027] hf=max(h1;h2) (式 4) 〇
[0028] (8)在模型中設(shè)定拉破壞區(qū)為空單元；
[0029] (9)對新的數(shù)值模型再次進(jìn)行計算，搜索出多級滑動面。新的數(shù)值模型是由步驟 (8)重新定義拉破壞區(qū)為空單元后的數(shù)值模型。
[0030] 本發(fā)明提供的巨型滑坡多塊滑動計算方法，基于強(qiáng)度折減法，能夠克服傳統(tǒng)數(shù)值 計算方法塑性區(qū)被擴(kuò)大化、忽視拉破壞區(qū)非連續(xù)變形破壞特征等缺陷，準(zhǔn)確搜索出巨型滑 坡多級滑動面，為巨型多級滑坡穩(wěn)定性評價及工程防治提供重要依據(jù)，促進(jìn)了滑坡模擬方 法的發(fā)展。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明技術(shù)路線圖；
[0032] 圖2是實施實例多級滑動面搜索結(jié)果示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合工程實例和附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0034] 四川省理縣某滑坡，在降雨和坡腳開挖的影響下，滑坡穩(wěn)定性下降，滑坡啟動并產(chǎn) 生了較大變形。滑坡變形導(dǎo)致坡面裂縫明顯增多，原有的地面裂縫加長、加寬，坡體多處形 成多條羽狀剪切裂縫?；马敹颂幮纬闪艘粋€寬60cm，深120cm的拉破壞區(qū)。該滑坡發(fā)育于 崩滑坡積層中，滑坡體縱向長約l〇2m，橫向平均寬約43m，滑體厚度約Ilm，規(guī)模約5X104m3。 經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和綜合分析確定滑坡沿基覆界面滑動，為蠕滑一拉裂變形破壞模式。
[0035] 如圖1所示，本實例滑動面搜索步驟如下：
[0036] 第一步：查明滑坡區(qū)域范圍、變形特征、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件；
[0037] 第二步：建立典型剖面數(shù)值模型；
[0038] 根據(jù)地質(zhì)原型建立邊坡穩(wěn)定性計算模型，選取具有代表性的剖面，建立邊坡二維 數(shù)值計算模型。剖面模型長167m，高110m，共11457個單元，15928個節(jié)點；
[0039] 第三步：輸入邊坡地層力學(xué)參數(shù)，包括最軟弱層及基巖層巖體結(jié)構(gòu)、巖體質(zhì)量、地 質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI等力學(xué)參數(shù)，如表1所示，巖體力學(xué)參數(shù)由GSI和霍克-布朗準(zhǔn)則提供；
[0040] 表1最軟弱層及基巖層力學(xué)參數(shù) [0041 ]
[0042] 第四步:搜索滑動面
[0043] 輸入相應(yīng)的折減參數(shù)及巖土力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行有限元計算，巖土力學(xué)參數(shù)如表2所 示，折減參數(shù)如表3所示；
[0044] 表2巖土體力學(xué)參數(shù)
[0048] 確定破壞區(qū)，并不斷折減破壞區(qū)強(qiáng)度參數(shù)，直至破壞區(qū)貫通；
[0049] 第五步：確定每一級滑動面拉破壞區(qū)
[0050] 選擇步驟第四步中搜索出的拉破壞區(qū)，確定拉破壞區(qū)深度Ii1，并與由拉破壞臨界 深度公式計算出來的匕進(jìn)行對比，最終選擇最大值作為拉破壞區(qū)深度。拉破壞區(qū)臨界深度 h2由式2計算得來：
[0052] 其中c為粘聚力；y為重度；Ka為土壓力系數(shù)，由式3計算得來：
[0053] Ka=tan2 (45' -??/2) (式 3);
[0054] 其中$為內(nèi)摩擦角。最終選擇最大值作為拉破壞區(qū)深度hf，如式4所示：
[0055] hf=max(h1;h2) (式 4) 〇
[0056] 第六步：在模型中設(shè)定由步驟五確定出的拉破壞區(qū)單元為空單元。
[0057] 第七步；重復(fù)步驟四，對由步驟六得出的新數(shù)值模型再次進(jìn)行計算，搜索出多級滑 動面。
[0058] 結(jié)果如圖2所示，本發(fā)明方法搜索出的塑性區(qū)3及拉破壞區(qū)2與實際滑動面1接 近一致。
【主權(quán)項】
1. 巨型滑坡多塊滑動計算方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 查明滑坡區(qū)域范圍、變形特征、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件； (2) 基于有限元程序，建立邊坡有限元數(shù)值模型； (3) 輸入邊坡地層力學(xué)參數(shù)； (4) 輸入折減參數(shù)及巖土體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行有限元計算； (5) 確定邊坡破壞區(qū)； 確定邊坡破壞區(qū)的方法是：通過不斷折減邊坡整體單元的強(qiáng)度參數(shù)，直至破壞區(qū)出 現(xiàn)； (6) 不斷折減破壞區(qū)強(qiáng)度參數(shù)直至滑動面貫通； 不斷折減破壞區(qū)強(qiáng)度參數(shù)的方法是：根據(jù)彈塑性準(zhǔn)則，通過定義折減系數(shù)對破壞區(qū)強(qiáng) 度參數(shù)進(jìn)行折減計算，如式1所示，其中，c為黏聚力，#為內(nèi)摩擦角，Cf為破壞區(qū)的黏聚力，牧為破壞區(qū)的內(nèi)摩擦角； (7) 確定每一級滑動面拉破壞區(qū)； (8) 在模型中設(shè)定拉破壞區(qū)為空單元； (9) 對新的數(shù)值模型再次進(jìn)行計算，搜索出多級滑動面。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨型滑坡多塊滑動計算方法，其特征在于：在所述步驟（3) 中，輸入的邊坡地層力學(xué)參數(shù)包括巖質(zhì)邊坡的各軟弱層及基巖層巖體結(jié)構(gòu)、巖體質(zhì)量、地質(zhì) 強(qiáng)度指標(biāo)GSI和單軸抗壓強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)；土質(zhì)邊坡的強(qiáng)度參數(shù)和變形參數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的巨型滑坡多塊滑動計算方法，其特征在于：所述的地質(zhì)強(qiáng)度 指標(biāo)GSI是根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)、巖體中巖塊的嵌鎖狀態(tài)和巖體中不連續(xù)面質(zhì)量，結(jié)合各種地質(zhì) 信息進(jìn)行的估值。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨型滑坡多塊滑動計算方法，其特征在于：在所述步驟（4) 中，折減參數(shù)為折減系數(shù)K、折減范圍、折減次數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨型滑坡多塊滑動計算方法，其特征在于：在所述步驟（4) 中，力學(xué)參數(shù)為力學(xué)模型、彈性模量G、泊松比μ、粘聚力c、內(nèi)摩擦角P及抗拉強(qiáng)度，巖體力 學(xué)參數(shù)由GSI和霍克-布朗準(zhǔn)則提供。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨型滑坡多塊滑動計算方法，其特征在于：在所述步驟（7) 中，確定每一級滑動面拉破壞區(qū)的方法是，選擇由步驟（4)、（5)、（6)中搜索出的拉破壞區(qū)， 確定拉破壞區(qū)深度匕與由拉破壞臨界深度公式計算出來的1! 2進(jìn)行對比，拉破壞區(qū)臨界深度 h2由式2計算得來：其中c為粘聚力；γ為重度；Ka為土壓力系數(shù)，由式3計算得來：其中f為內(nèi)摩擦角；最終選擇最大值作為拉破壞區(qū)深度hf，如式4所示：7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨型滑坡多塊滑動計算方法，其特征在于：在所述的步驟（9) 中，新的數(shù)值模型是由步驟（8)重新定義拉破壞區(qū)為空單元后的數(shù)值模型。
【專利摘要】本發(fā)明涉及巨型滑坡多塊滑動計算方法，屬于地質(zhì)災(zāi)害工程領(lǐng)域，用于滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性評價和工程防治，包括步驟：(1)查明滑坡區(qū)域范圍、變形特征、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件；(2)基于有限元程序，建立邊坡有限元數(shù)值模型；(3)輸入邊坡地層力學(xué)參數(shù)；(4)輸入折減參數(shù)及巖土體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行有限元計算；(5)確定邊坡破壞區(qū)；(6)不斷折減破壞強(qiáng)度參數(shù)直至滑動面貫通；(7)確定每一級滑動面拉破壞區(qū)；(8)在模型中設(shè)定拉破壞區(qū)為空單元；(9)對新的數(shù)值模型再次進(jìn)行計算，搜索出多級滑動面。本發(fā)明提供的巨型滑坡多塊滑動計算方法，能夠準(zhǔn)確搜索出巨型滑坡多級滑動面，為巨型多級滑坡穩(wěn)定性評價及工程防治提供重要依據(jù)。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105069248
【申請?zhí)枴緾N201510520419
【發(fā)明人】陳國慶, 黃潤秋, 趙聰, 張國峰, 張巖
【申請人】成都理工大學(xué)
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年8月21日