一种中间桥支挡效应下的边坡稳定性评价方法技术

本发明专利技术公开一种中间桥支挡效应下的边坡稳定性评价方法，该方法首先基于中间桥形态参数，根据等效抗剪强度参数的表达式，求解等效黏聚力与等效内摩擦角，接着根据边坡形态参数及岩体力学参数，预先搜索潜在滑面，并对滑体进行垂直条块划分，然后假设初始F＝1计算每个条块的剩余推力，最后通过调整折减系数F，使滑体最下条块的剩余推力D

【技术实现步骤摘要】
一种中间桥支挡效应下的边坡稳定性评价方法


[0001]本专利技术涉及露天开采
，尤其涉及一种中间桥支挡效应下的边坡稳定性评价方法。

技术介绍

[0002]目前，工程中最常用的边坡稳定性计算方法是二维的，最广泛的基于刚体极限平衡理论的是条分法，包括瑞典圆弧法(1927)、简化Bishop法(1955)、Lowe
‑
Karafihat法(1960)、Morgstern
‑
Price法(1965)、简化Janbu法(1957)、Janbu通用条分法(1973)、Spencer法(1967)、剩余推力法(1977)和Sarma法(1973,1979)；在边坡三维稳定性计算方法方面，亦有大量的国内外学者展开了研究。Hovland(1977)、Hungr(1987)、Huang(2000)、陈祖煜(2001)、李同录等(2003)、朱大勇等(2007)、卢坤林(2013)等对经典二维极限平衡法进行了扩展，形成了一系列三维方法；总结现有的技术状况，可以认识到相邻露天采坑中间桥与边坡组合而成的地质体具有特殊的空间形态和结构，已有的边坡稳定性分析方法根本无法满足相邻露天采坑中间桥与边坡组合条件下边坡与中间桥参数的协同设计，因此迫切需要对中间桥对边坡的支挡效应及该种效应下的边坡稳定性问题开展深入研究。

技术实现思路

[0003]针对上述现有技术的不足，本专利技术提供一种中间桥支挡效应下的边坡稳定性评价方法。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种中间桥支挡效应下的边坡稳定性评价方法，包括如下步骤：
[0005]步骤1：根据中间桥对边坡的支挡效应的二维分析，得到中间桥各个区域的等效黏聚力、等效内摩擦角或等效内摩擦系数，过程如下：
[0006]步骤1.1：对中间桥进行力学分析，得出中间桥对边坡支挡效应的实质是一剪切反力，其决定因素是中间桥的底界面的抗剪力；结合工程地质资料，构建出具有空间形态参数的中间桥三维模型；
[0007]步骤1.2：根据构建的中间桥三维模型，沿着边坡倾向切割剖面，得到边坡截面的几何形态；
[0008]步骤1.3：根据边坡截面的几何形态，在中间桥三维模型的垂直方向上划分出三个区域，其中，区域Ⅰ由中间桥部分的两个锥体、一个以直角三角形为截面的柱体和非工作帮部分的一个以直角三角形为截面的柱体组成，区域Ⅱ为中间桥部分的以梯形为截面的柱体，区域Ⅲ由中间桥部分的两个锥体和一个以直角三角形为截面的柱体组成；
[0009]步骤1.4：分别求出各区域的体积，记为VⅠ、VⅡ和VⅢ，并且根据摩尔
‑
库伦强度准则求出各个区域的抗滑力，记为TⅠ、TⅡ和TⅢ，具体过程如下；
[0010]步骤1.4.1：计算区域Ⅰ的体积VⅠ，公式如下：
[0011][0012]其中，h为中间桥的桥高，α为中间桥的底角，D为采坑总长度，d为中间桥的底宽；
[0013]步骤1.4.2：计算区域Ⅱ的体积VⅡ，公式如下：
[0014]VⅡ＝bh(d
‑
hcotα)
[0015]其中，b为桥长；
[0016]步骤1.4.3：计算区域Ⅲ的体积VⅢ，公式如下：
[0017][0018]步骤1.4.4：根据摩尔
‑
库伦强度准则，计算区域Ⅰ的抗滑力TⅠ，公式如下：
[0019][0020]其中，SⅠ为区域Ⅰ的底界面面积；γ为中间桥各岩层的加权容重；c
j
为中间桥底板岩层的黏聚力；为中间桥底板岩层的内摩擦角；
[0021]步骤1.4.5：根据摩尔
‑
库伦强度准则，计算区域Ⅱ的抗滑力TⅡ，公式如下：
[0022][0023]其中，SⅡ为区域Ⅱ的底界面面积；c
j
为中间桥底板岩层的黏聚力；
[0024]步骤1.4.6：根据摩尔
‑
库伦强度准则，计算区域Ⅲ的抗滑力TⅢ，公式如下：
[0025][0026]其中，SⅢ为区域Ⅲ的底界面面积；
[0027]上述步骤1.4.1至步骤1.4.6均为近水平条件下，中间桥对边坡的支挡效应计算过程；
[0028]中间桥提供的各区域抗滑力的总和即为中间桥对边坡的三维支挡效应。中间桥提供的总抗滑力T为：
[0029][0030]步骤1.5：由于中间桥的支挡效应为底界面的抗剪力，而采用二维刚体极限平衡法时，支挡效应是由贯通整个采坑底界面的抗剪力来提供，因此，将中间桥底界面的抗剪力等效成贯通整个采坑底界面的抗剪力，来实现三维支挡效应的二维等效；即通过合并各区域的抗滑力与对应区域等效抗滑力的数学表达式中的同类项，求出每个区域的等效黏聚力、等效内摩擦角或等效内摩擦系数，具体过程如下：
[0031]步骤1.5.1：计算区域Ⅰ二维等效后的底界面的等效抗滑力TⅠd
，公式如下：
[0032][0033]其中，cⅠd
为Ⅰ区等效黏聚力；为Ⅰ区等效内摩擦角；
[0034]步骤1.5.2：将步骤4.4中区域Ⅰ的抗滑力TⅠ与步骤5.1中区域Ⅰ的等效抗滑力TⅠd
进行合并同类项，由于区域Ⅰ的中间桥由非工作帮边坡的一部分与其上部压覆桥体组成，因此该区黏聚力不需要等效，只需要等效内摩擦系数，得到：
[0035][0036]步骤1.5.3：计算区域Ⅱ二维等效后的底界面的等效抗滑力TⅡd
，公式如下：
[0037][0038]其中，cⅡd
为Ⅱ区等效黏聚力；为Ⅱ区等效内摩擦角；
[0039]步骤1.5.4：将步骤4.5中区域Ⅱ的抗滑力TⅡ与步骤5.3中区域Ⅱ的等效抗滑力TⅡd
进行合并同类项，得到：
[0040][0041]步骤1.5.5：计算区域Ⅲ二维等效后的底界面的等效抗滑力TⅢd
，公式如下：
[0042][0043]其中，cⅢd
为Ⅲ区等效黏聚力，为Ⅲ区等效内摩擦角；
[0044]步骤1.5.6：将步骤4.6中区域Ⅲ的抗滑力TⅢ与步骤5.5中区域Ⅲ的等效抗滑力TⅢd
进行合并同类项，得到：
[0045][0046]步骤2：将各个区域等效后的抗剪强度参数引入到剩余推力法中，建立中间桥支挡效应下边坡稳定性的二维计算方法，包括如下步骤：
[0047]步骤2.1：假设滑坡模式为圆弧
‑
基底组合滑动，为了保证计算精度，在中间桥附近条块需要加密，边坡台阶拐点处、滑面与岩层相交处需要单独划分条块；由于圆弧滑面上部条块与基底滑面上部条块的底面倾角不同，因此将滑体进行垂直条块划分，整个滑体共划分成n个垂直条块，其中圆弧滑面上部滑体共划分为k个垂直条块，则基底上部滑体共划分为n
‑
k个垂直条块；
[0048]步骤2.2：对圆弧滑面上部垂直条块的剩余推力进行分析，计算圆弧滑面上部滑体中各个条块的剩余推力D1,D2,
…
,D
k
，过程如下：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中间桥支挡效应下的边坡稳定性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据中间桥对边坡的支挡效应的二维分析，得到中间桥各个区域的等效黏聚力、等效内摩擦角或等效内摩擦系数；步骤2：将各个区域等效后的抗剪强度参数引入到剩余推力法中，建立中间桥支挡效应下边坡稳定性的二维计算方法，包括如下步骤：步骤2.1：假设滑坡模式为圆弧
‑
基底组合滑动，为了保证计算精度，在中间桥附近条块需要加密，边坡台阶拐点处、滑面与岩层相交处需要单独划分条块；由于圆弧滑面上部条块与基底滑面上部条块的底面倾角不同，因此将滑体进行垂直条块划分，整个滑体共划分成n个垂直条块，其中圆弧滑面上部滑体共划分为k个垂直条块，则基底上部滑体共划分为n
‑
k个垂直条块；步骤2.2：对圆弧滑面上部垂直条块的剩余推力进行分析，计算圆弧滑面上部滑体中各个条块的剩余推力D1,D2,
…
,D
k
；步骤2.3：将基底上部滑体的n
‑
k个垂直条块再分成不含中间桥的部分，共u个垂直条块，则含中间桥的部分为n
‑
k
‑
u个垂直条块；步骤2.4：对基底上部滑体中不含中间桥的垂直条块的剩余推力进行分析，计算基底上部滑体中不含中间桥滑体中各个条块的剩余推力D
k+1
,D
k+2
,..,D
k+u
；步骤2.5：将基底上部滑体含中间桥的部分的n
‑
k
‑
u个垂直条块再按中间桥对边坡的支挡效应的二维分析中的划分方法将含中间桥的部分划分为三个区域，分别为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区，其中Ⅰ区分为s个垂直条块，Ⅱ区分为q个垂直条块，则Ⅲ区分为n
‑
k
‑
u
‑
s
‑
q个垂直条块；步骤2.6：对Ⅰ区滑体垂直条块的剩余推力进行分析，计算Ⅰ区滑体中各个条块的剩余推力D
k+u+1
,D
k+u+2
,
…
,D
k+u+s
；步骤2.7：对Ⅱ区滑体垂直条块的剩余推力进行分析，计算Ⅱ区滑体中各个条块的剩余推力D
k+u+s+1
,D
k+u+s+2
,
…
,D
k+u+s+q
；步骤2.8：对Ⅲ区滑体垂直条块的剩余推力进行分析，计算Ⅲ区滑体中各个条块的剩余推力D
k+u+s+q+1
,D
k+u+s+q+2
,
…
,D
n
；步骤2.9：通过调整滑面位置，重新调整折减系数F，使最下条块D
n
＝0，最小折减系数F
min
则为最危险滑面对应的稳定性系数，即为边坡稳定性系数F
s
。2.根据权利要求1所述的一种中间桥支挡效应下的边坡稳定性评价方法，其特征在于：所述步骤1的过程如下：步骤1.1：对中间桥进行力学分析，得出中间桥对边坡支挡效应的实质是一剪切反力，其决定因素是中间桥的底界面的抗剪力；结合工程地质资料，构建出具有空间形态参数的中间桥三维模型；步骤1.2：根据构建的中间桥三维模型，沿着边坡倾向切割剖面，得到边坡截面的几何形态；步骤1.3：根据边坡截面的几何形态，在中间桥三维模型的垂直方向上划分出三个区域，其中，区域Ⅰ由中间桥部分的两个锥体、一个以直角三角形为截面的柱体和非工作帮部分的一个以直角三角形为截面的柱体组成，区域Ⅱ为中间桥部分的以梯形为截面的柱体，区域Ⅲ由中间桥部分的两个锥体和一个以直角三角形为截面的柱体组成；步骤1.4：分别求出各区域的体积，记为VⅠ、VⅡ和VⅢ，并且根据摩尔
‑
库伦强度准则求出各
个区域的抗滑力，记为TⅠ、TⅡ和TⅢ；步骤1.5：由于中间桥的支挡效应为底界面的抗剪力，而采用二维刚体极限平衡法时，支挡效应是由贯通整个采坑底界面的抗剪力来提供，因此，将中间桥底界面的抗剪力等效成贯通整个采坑底界面的抗剪力，来实现三维支挡效应的二维等效；即通过合并各区域的抗滑力与对应区域等效抗滑力的数学表达式中的同类项，求出每个区域的等效黏聚力、等效内摩擦角或等效内摩擦系数。3.根据权利要求2所述的一种中间桥支挡效应下的边坡稳定性评价方法，其特征在于：所述步骤1.4的过程如下：步骤1.4.1：计算区域Ⅰ的体积VⅠ，公式如下：其中，h为中间桥的桥高，α为中间桥的底角，D为采坑总长度，d为中间桥的底宽；步骤1.4.2：计算区域Ⅱ的体积VⅡ，公式如下：VⅡ＝bh(d
‑
hcotα)其中，b为桥长；步骤1.4.3：计算区域Ⅲ的体积VⅢ，公式如下：步骤1.4.4：根据摩尔
‑
库伦强度准则，计算区域Ⅰ的抗滑力TⅠ，公式如下：其中，SⅠ为区域Ⅰ的底界面面积；γ为中间桥各岩层的加权容重；c
j
为中间桥底板岩层的黏聚力；为中间桥底板岩层的内摩擦角；步骤1.4.5：根据摩尔
‑
库伦强度准则，计算区域Ⅱ的抗滑力TⅡ，公式如下：其中，SⅡ为区域Ⅱ的底界面面积；c
j
为中间桥底板岩层的黏聚力；步骤1.4.6：根据摩尔
‑
库伦强度准则，计算区域Ⅲ的抗滑力TⅢ，公式如下：其中，SⅢ为区域Ⅲ的底界面面积；上述步骤1.4.1至步骤1.4.6均为近水平条件下，中间桥对边坡的支挡效应计算过程；中间桥提供的各区域抗滑力的总和即为中间桥对边坡的三维支挡效应。4.根据权利要求3所述的一种中间桥支挡效应下的边坡稳定性评价方法，其特征在于：所述步骤1.5的过程如下：
步骤1.5.1：计算区域Ⅰ二维等效后的底界面的等效抗滑力TⅠd
，公式如下：其中，cⅠd
为Ⅰ区等效黏聚力；为Ⅰ区等效内摩擦角；步骤1.5.2：将步骤4.4中区域Ⅰ的抗滑力TⅠ与步骤5.1中区域Ⅰ的等效抗滑力TⅠd
进行合并同类项，由于区域Ⅰ的中间桥由非工作帮边坡的一部分与其上部压覆桥体组成，因此该区黏聚力不需要等效，只需要等效内摩擦系数，得到：步骤1.5.3：计算区域Ⅱ二维等效后的底界面的等效抗滑力TⅡd
，公式如下：其中，cⅡd
为Ⅱ区等效黏聚力；为Ⅱ区等效内摩擦角；步骤1.5.4：将步骤4.5中区域Ⅱ的抗滑力TⅡ与步骤5.3中区域Ⅱ的等效抗滑力TⅡd
进行合并同类项，得到：步骤1.5.5：计算区域Ⅲ二维等效后的底界面的等效抗滑力TⅢd
，公式如下：其中，cⅢd
为Ⅲ区等效黏聚力，为Ⅲ区等效内摩擦角；步骤1.5.6：将步骤4.6中区域Ⅲ的抗滑力TⅢ与步骤5.5中区域Ⅲ的等效抗滑力TⅢd
进行合并同类项，得到：5.根据权利要求1所述的一种中间桥支挡效应下的边坡稳定性评价方法，其特征在于：所述步骤2.2的过程如下：步骤2.2.1：取圆弧滑面上部滑体中的第i个垂直条块为研究对象，i＝0,1,2,
…
,k；对平行第i个条块底面方向建立平衡方程:D
i
‑
D
i
‑1cos(δ
i
‑1‑
δ
i
)+S
i
‑
W
i
sinδ
i
＝0其中，W
i
为第i个条块的重量，D
i
为第i个条块的剩余推力，D
i
‑1为第i
‑
1个条块的剩余推力，S
i
为第i个条块底面的切向力，δ
i
为第i个条块的底面倾角，δ
i
‑1为第i
‑
1个条块的底面倾角；步骤2.2.2：对垂直第i个条块底面方向建立平衡方程:N
i
‑
W
i
cosδ
i
‑
D
i
‑1sin(δ
i
‑1‑
δ
i
)＝0
其中，N
i
为第i个条块底面的法向力；步骤2.2.3：根据稳定系数的定义和摩尔
‑
库伦强度准则:结合步骤2.2.1和步骤2.2.2求解，消去S
i
、N
i
，得:，得:其中，ψ
i
为第i个条块侧面的推力传递系数，S
i
为第i个条块底面的切向力，c
i
为第i个条块...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东，梁祖超，李广贺，李雪健，周志伟，张岩，王艳婷，刘金尧，贺开，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：