一种矿山边坡最优开挖坡率计算方法技术

本发明专利技术公开了一种矿山边坡最优开挖坡率计算方法，本发明专利技术以矿山边坡为研究对象，建立矿山边坡稳定安全性和开挖经济性的多目标优化非线性数学规划模型，该模型同时以安全系数的最大值和开挖效益的最大值为目标函数；并以开挖坡率、结构面的剪力和法向力为决策变量，以边坡滑体的平衡方程约束条件、结构面的屈服条件为约束条件，同时约束条件中构建的重力函数能随着开挖坡率的变化而变化，从而使得边坡滑体极限平衡的约束条件可以很好的联系矿山边坡的安全性和经济性，从而更加符合实际矿山边坡开挖要求；通过本发明专利技术的方法可以直接获得矿山边坡的最优开挖坡率，使开挖效益最高的同时稳定安全系数最大，进而达到开挖经济性与稳定安全性的统一。

【技术实现步骤摘要】
一种矿山边坡最优开挖坡率计算方法
本专利技术涉及一种矿山边坡最优开挖坡率计算方法，属于矿山边坡稳定性分析

技术介绍
近年来，矿山边坡开挖所导致的边坡稳定性问题受到了广大岩土工程者的广泛关注。在进行矿山边坡开挖时通常涉及两方面的问题：一是开挖后矿山边坡的稳定安全性、二是开挖体积所产生的开挖经济性。其中开挖后矿山边坡的稳定安全性主要取决于结构面的性质及其空间组合，矿山边坡中的层面、软弱夹层、断层、节理面均是开挖过程中导致边坡失稳破坏的主要原因；开挖体积越大所产生的开挖经济性效益越高，反之亦然。在实际工程中，通常采用开挖坡率法进行开挖设计，其主要是根据地质专业的建议和类似工程经验，来确定开挖边坡开挖坡率，如：《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)给出了矿山边坡建议开挖坡率。规范所给建议开挖坡率是一个经验取值，并不能保证矿山边坡的安全系数和开挖效益同时达到最优，即达到既安全又经济的目的。当前矿山边坡开挖设计存在以下问题：(1)实际工程中，通常根据地质专业的建议和类似工程经验，来确定边坡的开挖开挖坡率，相关原理及理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矿山边坡最优开挖坡率计算方法，其特征在于：所述方法包括：/n步骤1、拟定拟定矿山边坡的几何参数；/n步骤2、拟定矿山边坡的物理力学参数；/n步骤3、矿山边坡滑体的受力分析；/n步骤4、建立矿山边坡的稳定安全性目标函数和开挖经济性目标函数；/n步骤5、建立矿山边坡滑体极限平衡的约束条件；/n步骤6、建立矿山边坡稳定安全性和开挖经济性的多目标优化非线性数学规划模型；/n步骤7、求解矿山边坡稳定安全性和开挖经济性的多目标优化非线性数学规划模型，获得稳定安全性和开挖经济性均最优时的稳定安全系数、开挖效益以及最优开挖坡率。/n

【技术特征摘要】
1.一种矿山边坡最优开挖坡率计算方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤1、拟定拟定矿山边坡的几何参数；
步骤2、拟定矿山边坡的物理力学参数；
步骤3、矿山边坡滑体的受力分析；
步骤4、建立矿山边坡的稳定安全性目标函数和开挖经济性目标函数；
步骤5、建立矿山边坡滑体极限平衡的约束条件；
步骤6、建立矿山边坡稳定安全性和开挖经济性的多目标优化非线性数学规划模型；
步骤7、求解矿山边坡稳定安全性和开挖经济性的多目标优化非线性数学规划模型，获得稳定安全性和开挖经济性均最优时的稳定安全系数、开挖效益以及最优开挖坡率。


2.根据权利要求1所述的矿山边坡最优开挖坡率计算方法，其特征在于：所述拟定拟定矿山边坡的几何参数包括：矿山边坡高度H、结构面底端到x轴的距离H1；矿山边坡的天然坡率β；矿山边坡的开挖坡率θ。


3.根据权利要求1所述的矿山边坡最优开挖坡率计算方法，其特征在于：所述拟定矿山边坡的物理力学参数包括：矿山边坡滑体的容重γ，结构面的倾角α，结构面的凝聚力c和结构面的摩擦角


4.根据权利要求1所述的矿山边坡最优开挖坡率计算方法，其特征在于：所述矿山边坡滑体的受力分析具体为：矿山边坡滑体形心处作用的重力G，矿山边坡滑体结构面上作用有剪力FS和法向力FN，其中FS以逆时针方向转动为负，FN以受压为正。


5.根据权利要求1所述的矿山边坡最优开挖坡率计算方法，其特征在于：所述建立矿山边坡的稳定安全性目标函数和开挖经济性目标函数具体为：
①建立矿山边坡的稳定安全性目标函数
将矿山边坡的稳定安全系数作为稳定安全性目标函数，并寻求矿山边坡稳定安全系数的最大值，建立稳定安全性目标函数如下：
Maximize:K
式中：Maximize表示“求最大”；K为矿山边坡稳定安全系数；
②建立矿山边坡的开挖经济性目标函数
将开挖边坡滑体单位体积的价格与开挖体积的乘积，即开挖效益作为开挖经济性目标函数，并寻求开挖效益的最大值，建立开挖经济性的目标函数如下：
Maximize:J
式中：Maximize表示“求最大”；J为矿山边坡开挖效益，取单位宽度的边坡滑体进行计算时：



式中：k1是矿山边坡滑体单位体积售价，H为矿山边坡高度，θ为矿山边坡的开挖坡率，β为矿山边坡的天然坡率。


6.根据权利要求1所述的矿山边坡最优开挖坡率计算方法，其特征在于：所述建立矿山边坡滑体极限平衡的约束条件具体为：
矿山边坡滑体极限平衡的约束条件包括：矿山边坡滑体的平衡方程约束条件和结构面的屈服条件；
①矿山边坡滑体的平衡方程约束条件：
建立矿山边坡滑体水平方向平衡方程如下：
FScosα-FNsinα＝0
建立矿山边坡滑体竖直方向平衡方程如下：
G+FSsinα+FNcosα＝0
其中：G为矿山边坡滑体形心处作用的重力，FS为结构面上作用的剪力，其中FS以逆时针方向转动为负；FN为结构面上作用的法向力...

【专利技术属性】
技术研发人员：李泽，彭普，杜时贵，刘文连，许汉华，雍睿，张小艳，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53