一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法技术

一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法，本发明专利技术涉及基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法。本发明专利技术目的是为了解决目前山区公路优化方法并未充分考虑边坡路段对山区公路线位优化的影响，致使山区公路边坡路段的滑坡风险高，使用寿命低，维修频率高，易发生交通事故，且缺少一种综合化的山区公路线位优化方法的问题。过程为：1：确定边坡和山区公路横断面几何参数；2：得到网格化的模型；3：确定边坡的物理力学参数；4：对网格化的模型进行弹性计算；5：计算模型的动能与弹性剪切应变能；6：计算动剪比；7：重复1至6，直至取遍公路横断面嵌入边坡深度的所有数值；8：确定合理的嵌入深度。本发明专利技术用于山区公路设计领域。本发明专利技术用于山区公路设计领域。本发明专利技术用于山区公路设计领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法


[0001]本专利技术属于山区公路设计领域，具体涉及基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法。

技术介绍

[0002]在山区公路设计选线阶段就应当充分考虑如滑坡等地质灾害的影响，尤其为了解决山区复杂艰险地区的道路线路安全问题，需对山区公路通过边坡路段的线位优化开展研究。
[0003]目前山区公路通过边坡路段的线位优化方法研究不多，现有研究又主要集中在公路线形优化或山区公路边坡治理等方面，并未充分考虑边坡路段对山区公路线位优化的影响，所以开展基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法的研究有较好的理论意义与工程价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的是为了解决目前山区公路优化方法主要集中在公路线形优化或山区公路边坡治理等方面，并未充分考虑边坡路段对山区公路线位优化的影响，致使山区公路边坡路段的滑坡风险高，使用寿命低，维修频率高，易发生交通事故，且缺少一种综合化的山区公路线位优化方法的问题，从而提出一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法。
[0005]一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法具体过程为：
[0006]步骤1：确定边坡和山区公路横断面几何参数；
[0007]步骤2：基于步骤1中的几何参数，确定边坡与公路横断面的数值计算模型控制点坐标，建立三维计算模型，确定网格划分数量，得到网格化的模型；
[0008]步骤3：确定边坡的物理力学参数；
[0009]步骤4：基于步骤2和步骤3，将网格化的模型导入FLAC 3D软件，对网格化的模型赋值、设置边界条件并施加重力场进行弹性计算，得到地应力平衡后的三维数值计算模型；
[0010]步骤5：在FLAC 3D软件中采用强度折减法，对地应力平衡后的三维数值计算模型参数中的粘聚力和内摩擦角进行强度折减，同时设置收敛精度条件为1
×
10
‑5，对每次折减计算收敛后的三维网格数值计算模型进行自动保存，直至数值计算不收敛为止，计算并提取最后一次折减计算收敛后三维网格数值计算模型的动能与弹性剪切应变能；
[0011]步骤6：基于最后一次计算收敛后模型的动能与弹性剪切应变能数值，计算“动剪比”系数；
[0012]步骤7：改变公路横断面嵌入边坡深度的数值，重复步骤1至步骤6的过程，直至取遍公路横断面嵌入边坡深度的所有数值；
[0013]步骤8：对比分析不同公路横断面嵌入边坡深度的“动剪比”系数，以“动剪比”系数小于0.2为标准，确定合理的嵌入深度。
[0014]本专利技术的有益效果为：
[0015]本专利技术一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法，首先，确定边坡和山区公路横断面几何参数；基于几何参数，确定边坡与公路横断面的数值计算模型中的控制点坐标，建立三维计算模型，确定网格划分数量，得到网格化的模型；基于“莫尔—库伦”准则，确定边坡的物理力学参数；
[0016]然后，将网格化的模型导入FLAC 3D软件，对网格化的模型赋值、设置边界条件并施加重力场以进行弹性计算；在FLAC 3D软件中采用强度折减法，对作归零平衡处理后模型参数中的粘聚力和内摩擦角进行强度折减，设置收敛精度条件1
×
10
‑5，对每次折减计算收敛后的三维网格数值计算模型进行自动保存，直至数值计算不收敛为止，计算并提取最后一次折减计算收敛后三维网格数值计算模型的动能与弹性剪切应变能；基于最后一次计算收敛后模型的动能与弹性剪切应变能数值，计算“动剪比”系数；
[0017]最后，改变公路横断面嵌入边坡深度的数值，重复上述的过程，直至取遍公路横断面嵌入边坡深度的所有数值；对比分析不同公路横断面嵌入边坡深度的“动剪比”系数，以“动剪比”系数小于0.2为标准，确定合理的嵌入深度。
[0018]解决了目前山区公路优化方法主要集中在公路线形优化或山区公路边坡治理等方面，并未充分考虑边坡路段对山区公路线位优化的影响，致使山区公路边坡路段的滑坡风险高，使用寿命低，维修频率高，易发生交通事故，且缺少一种综合化的山区公路线位优化方法的问题；
[0019]本专利技术充分考虑边坡路段对山区公路线位优化的影响，提高了山区公路使用寿命，降低了维修频率，提高了通行效率，降低了交通事故发生率，且能根据山区地质情况和公路线形参数动态优化山区公路线位。
附图说明
[0020]图1为本专利技术一种基于边坡稳定性的山区线位优化方法的流程图；
[0021]图2为本专利技术边坡与公路横断面二维计算模型示意图；
[0022]图3为本专利技术边坡与公路横断面计算模型示意图；
[0023]图4为本专利技术XZ平面的网格划分数量示意图；
[0024]图5为本专利技术三个复合滑动面示意图。
具体实施方式
[0025]具体实施方式一：本实施方式一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法具体过程为：
[0026]步骤1：确定边坡和山区公路横断面几何参数；
[0027]步骤2：基于步骤1中的几何参数，确定边坡与公路横断面的数值计算模型控制点坐标，建立三维计算模型，确定网格划分数量，得到网格化的模型；
[0028]步骤3：基于“莫尔—库伦”准则，确定边坡的物理力学参数；
[0029]步骤4：基于步骤2和步骤3，将网格化的模型导入FLAC 3D软件，对网格化的模型赋值、设置边界条件并施加重力场进行弹性计算，得到地应力平衡后的三维数值计算模型；
[0030]步骤5：在FLAC 3D软件中采用强度折减法，对地应力平衡后的三维数值计算模型参数中的粘聚力和内摩擦角进行强度折减，同时设置收敛精度条件为1
×
10
‑5，对每次折减
计算收敛后的三维网格数值计算模型进行自动保存，直至数值计算不收敛为止，计算并提取最后一次折减计算收敛后三维网格数值计算模型的动能与弹性剪切应变能；
[0031]步骤6：基于最后一次计算收敛后模型的动能与弹性剪切应变能数值，计算“动剪比”系数；
[0032]步骤7：改变公路横断面嵌入边坡深度的数值，重复步骤1至步骤6的过程，直至取遍公路横断面嵌入边坡深度的所有数值；
[0033]步骤8：对比分析不同公路横断面嵌入边坡深度的“动剪比”系数，以“动剪比”系数小于0.2为标准，确定合理的嵌入深度。
[0034]具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤1中确定边坡和山区公路横断面几何参数；具体过程为：
[0035]几何参数主要包括边坡相对高度b、边坡坡度α、路堤填方坡度β、公路横断面宽度 s(取整)、公路横断面嵌入边坡深度a，0≤a≤s(取整)；
[0036]其中公路横断面宽度s和公路横断面嵌入边坡深度a为整数(向下取整，比如3.4取3，3.9取3)；
[0037]基于边坡坡度α确定未作处理的边坡；
[0038]基于路堤填方坡度β确定公路路堤；
[0039]基于边坡相对高度b确定未作处理的边坡、公本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤1：确定边坡和山区公路横断面几何参数；步骤2：基于步骤1中的几何参数，确定边坡与公路横断面的数值计算模型控制点坐标，建立三维计算模型，确定网格划分数量，得到网格化的模型；步骤3：确定边坡的物理力学参数；步骤4：基于步骤2和步骤3，将网格化的模型导入FLAC 3D软件，对网格化的模型赋值、设置边界条件并施加重力场进行弹性计算，得到地应力平衡后的三维数值计算模型；步骤5：在FLAC 3D软件中采用强度折减法，对地应力平衡后的三维数值计算模型参数中的粘聚力和内摩擦角进行强度折减，同时设置收敛精度条件为1
×
10
‑5，对每次折减计算收敛后的三维网格数值计算模型进行自动保存，直至数值计算不收敛为止，计算并提取最后一次折减计算收敛后三维网格数值计算模型的动能与弹性剪切应变能；步骤6：基于最后一次计算收敛后模型的动能与弹性剪切应变能数值，计算“动剪比”系数；步骤7：改变公路横断面嵌入边坡深度的数值，重复步骤1至步骤6的过程，直至取遍公路横断面嵌入边坡深度的所有数值；步骤8：对比分析不同公路横断面嵌入边坡深度的“动剪比”系数，以“动剪比”系数小于0.2为标准，确定合理的嵌入深度。2.根据权利要求1所述一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法，其特征在于：所述步骤1中确定边坡和山区公路横断面几何参数；具体过程为：几何参数包括边坡相对高度b、边坡坡度α、路堤填方坡度β、公路横断面宽度s、公路横断面嵌入边坡深度a，0≤a≤s；其中公路横断面宽度s和公路横断面嵌入边坡深度a为整数；基于边坡坡度α确定未作处理的边坡；基于路堤填方坡度β确定公路路堤；基于边坡相对高度b确定未作处理的边坡、公路路堤、公路路面、公路路堑；沿未作处理的边坡段前端向前延长30m，形成第一平台段；在第一平台段的最前端向下延长20m，形成稳定基岩段；从稳定基岩段最底端向右延长L，形成数值计算模型的底部边界；从底部边界最右端向上垂直延长至边坡最高的位置，形成数值计算模型的右侧边界，右侧边界最顶端与公路路堑最顶端形成了第二平台段；与数值计算模型的底部边界对应的顶部从左到右依次为：第一平台段、未作处理的边坡、公路路堤、公路路面、公路路堑、第二平台段。3.根据权利要求2所述一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法，其特征在于：所述步骤2中基于步骤1中的几何参数，确定边坡与公路横断面的数值计算模型控制点坐标，建立三维计算模型，确定网格划分数量，得到网格化的三维网格数值计算模型；具体过程如下：步骤21、基于几何参数，在XZ平面内确定数值计算模型的平面控制点坐标及其表达式；步骤22、基于XZ平面内控制点形成的平面，沿Y轴方向拓展1m，形成三维数值计算模型；步骤23：进行三维数值计算模型的网格划分。
4.根据权利要求3所述一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法，其特征在于：所述步骤21中基于几何参数，在XZ平面内确定数值计算模型的平面控制点坐标及其表达式；具体过程为：在XZ平面内，将数值计算模型底部边界最左端设置为控制点O，数值计算模型底部边界最右端设置为控制点H，稳定基岩段最底端设置为控制点O，稳定基岩段最顶端设置为控制点A，第一平台段最左端设置为控制点A，第一平台段最右端设置为控制点B，未作处理的边坡最底端设置为控制点B，未作处理的边坡最顶端设置为控制点C，公路路堤最底端设置为控制点C，公路路堤最顶端设置为控制点D，公路路面最左端设置为控制点D，公路路面最右端设置为控制点E，公路路堑最底端设置为控制点E，公路路堑最顶端设置为控制点F，第二平台段最左端设置为控制点F，第二平台段最右端设置为控制点G，右侧边界最顶端设置为控制点G，右侧边界最底端设置为控制点H；其中AB段为第一平台段、AO段为稳定基岩段、OH段为数值计算模型的底部边界L、BC段为未作处理的边坡、CD段为公路路堤、DE段为公路路面、EF段为公路路堑、FG段为第二平台段、GH段为数值计算模型的右侧边界；以控制点O为原点，OA方向为Z轴，OH方向为X轴；将控制点B在底部边界的投影点设置为控制点X1；将控制点C在底部边界的投影点设置为控制点X2；将控制点D在底部边界的投影点设置为控制点X3；将控制点E在底部边界的投影点设置为控制点X4；将控制点F在底部边界的投影点设置为控制点X5；将控制点G在底部边界的投影点设置为控制点X6，控制点X6和控制点H为同一控制点；将控制点A在右侧边界的投影点设置为控制点Z1；将控制点B在右侧边界的投影点设置为控制点Z1；将控制点C在右侧边界的投影点设置为控制点Z2；将控制点D在右侧边界的投影点设置为控制点Z3；将控制点E在右侧边界的投影点设置为控制点Z3；将控制点F在右侧边界的投影点设置为控制点Z4，控制点Z4和控制点G为同一控制点；由几何关系可得各坐标的表达式如下：X1＝30，X1＝30，X6＝L；Z1＝20，Z4＝20+b。5.根据权利要求4所述一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法，其特征在于：所述步骤22中在XZ平面内基于控制点形成的平面，沿Y轴方向拓展1m，形成三维数值计算模型。6.根据权利要求5所述一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法，其特征在于：所述步骤23中进行三维数值计算模型的网格划分，具体过程为：
将三维数值计算模型进行网格划分，划分为八个网格体；O、A、B、X1构成网格体1；线段AZ1与线段EX4的交点为δ，X1、B、δ、X4构成网格体2；X4、δ、Z1、X6构成网格体3；线段CZ2与线段EX4的交点为φ，B、C、φ、δ构成网格体4；δ、φ、Z2、Z1构成网格体5；C、D、E、φ构成网格体6；φ、E、Z3、Z2构成网格体7；E、F、G、Z3构成网格体8；网格体1的AB段划分的网格数量为w1，网格体1的OA段划分的网格数量为w4，网格体1的OX1段划分的网格数量为w1，网格体1的X1B段划分的网格数量为w4；网格体2的X1X4段划分的网格数量为w2，网格体2的Bδ段划分的网格数量为w2，网格体2的X1B段划分的网格数量为w4，网格体2的X4δ段划分的网格数量为w4；网格体3的X4X6段划分的网格数量为w3，网格体3的X4δ段划分的网格数量为w4，网格体3的δZ1段划分的网格数量为w3，网格体3的Z1X6段划分的网格数量为w4，网格体4的Bδ段划分的网格数量为w2，网格体4的BC段划分的网格数量为w5，网格体4的Cφ段划分的网格数量为w2，网格体4的φδ段划分的网格数量为w5；网格体5的φδ段划分的网格数量为w5，网格体5的φZ2段划分的网格数量为w3，网格体5的Z2Z1段划分的网格数量为w5，网格体5的Z1δ段划分的网格数量为w3；网格体6的CD段划分的网格数量为w6，网格体6的DE段划分的网格数量为w2，网格体6的Eφ段划分的网格数量为w6，网格体6的φC段划分的网格数量为w2；网格体7的Eφ段划分的网格数量为w6，网格体7的EZ3段划分的网格数量为w3，网格体7的Z3Z2段划分的网格数量为w6，网格体7的Z2φ段划分的网格数量为w3；网格体8的EF段划分的网格数量为w7，网格体8的FG段划分的网格数量为w3，网格体8的GZ3段划分的网格数量为w7，网格体8的Z3E段划分的网格数量为w3；其中w1＝60，w3＝2L
‑
60
‑
w2，w4＝40，＝40，沿Y轴方向的网格划分数量w
y
＝2，网格尺寸为0.5m，int( )表示取整数。7.根据权利要求6所述一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法，其特征在于：所述步骤3中确定边坡的物理力学参数；具体过程为：边坡的物理力学参数包括：弹性模量E1、泊松比υ、土体密度ρ、内摩擦角粘聚力c。8.根据权利要求7所述一种基于边坡稳定性的山区公路线位优化方法，其特征在于：所述步骤4中基于步骤2和步骤3，将网格化的模型导入FLAC 3D软件，对网格化的模型赋值、设
置边界条件并施加重力场进行弹性计算，得到地应力平衡后的三维数值计算模型；具体过程为：步骤41、基于步骤3中的弹性模量E1和泊松比υ计算体积模量K1和切变模量G1，将网格化的模型导入FLAC 3D软件中，并将体积模量K1、切变模量G1、土体密度ρ、内摩擦角和粘聚力c的参数值赋予FLAC 3D软件中的网格模型；其中体积模量K1和剪切模量G1计算公式如下：计算公式如下：式中：K1为体积模量，单位为Pa；G1为切变模量，单位为Pa；E1为弹性模量，单位为Pa；v为泊松比；步骤42、针对三维网格数值计算模型设置边界条件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥海，魏鹏儒，张明扬，张瑜荣，阿格交力，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：