一种边坡稳定性计算的滑面边界法制造技术

一种边坡稳定性计算的滑面边界法，其特征在于包含如下步骤：①选取坡体作为有限元计算对象，除滑面的正应力、剪应力和位移外，坡体表面边界条件计算方法与常规一致，滑面以梁单元加以描述，滑面顶面梁单元为第1单元，沿着滑面顶面直至滑面底面的最后一个梁单元依次排序定义为第N单元；②在滑面垂直方向赋位移为零，在此基础上进行滑坡的第一次计算，获得滑面梁单元底面第一次计算的法向应力、切向应力和应变，如下式（1，2）；Tn,s1=σn1,1τs1,1······σnm,1τsm,1······σnn,1τsn,1---(1)]]>Sn,s1=ϵn1,1=0ϵs1,1ϵn2,1ϵs2,1······ϵnn-1,1=0ϵsn-1,2ϵnn,2=0ϵsn,2---(2)]]>式中Tn,si，Sn,si分别表示滑面第i次计算所得的法向应力、切向应力和法向应变、切向应变矩阵，σnm,i，τsm,i，εnm,i和εsm,i分别表示第m单元第i次计算所得的法向应力、切向应力、法向应变和切向应变；n表示法向，s表示切向，i表示计算次数；比较每一单元第一次计算所得的切向应力与计算所得的法向应力相对应的临界摩阻力的大小及方向，当切向应力与临界摩阻力方向相反时，且切向应力绝对值大于临界摩阻力时，相应单元切向应力作为第二次计算时的边界条件取为，临界摩阻力加上该单元计算所得切向力作为该单元下次计算的初始切向应力边界条件，假定1～k单元切向应力与摩阻力方向相反；对于某单元计算所得切向应力方向与摩阻力方向一致或相反，但绝对值小于临界摩阻力，下次计算时不作为初始条件，假定为k+1～N单元；Δτsk,1＝τcritk,1+τsk,1，L∈(1,k)???????（3）③进行第二次计算，相对应1～k及1～N个单元力的初始应力及应变边界条件分别如下式按上述（4）和（5）式，进行第二次计算所得的滑面单元的法向应力及切向应力矩阵见式（6）Tn,s2=σn1,2τs1,1+τcrit1,1······σnk,2τsk,1+τcritk,1σnk+1,2σsk+1,2······σnn,2σsn,2---(6)]]>首先对1～N单元进行判定，按（6）式的法向应力以下式计算对应的临界摩阻力τcriti,2＝Ci+σni,2tanφi?i∈(1,N)???????（7）式中，τcriti,j为第i单元第j次计算所得临界摩阻力，σni,j为第i单元第j次计算所得法向应力；对于已经施加了临界摩阻力的滑面对应单元，比较法向应力大小，当此时计算的法向应力之差绝对值的最大值大于某定值D1时，重新对该单元切向应力按式（9）赋值；|σnL,2?σnL,1|≥D1，L∈(1,k)???????（8）ΔτsL,2=τsL,1+τcritL,1+(τcritL,2-τcritL,1)/2,L∈(1,k)---(9)]]>对于未赋临界摩阻力的单元，当切向应力与临界摩阻力方向相反时，且绝对值大于临界摩阻力时，对这样的单元施加临界摩阻力如下式（10）如第i单元第2次计算，施加的切向应力（（τcriti,2+τsi,2），假定i∈(k,m)；Δτsi,2＝τcriti,2+τsi,2,i∈(k,m)???????（10）按照上述计算，在进行第三次计算时，1～N个滑面应力及应变边界条件分别为④重复步骤③，计算直至多次，对于已经施加了临界摩阻力的滑面对应单元，比较法向应力大小，当此时与上一次计算的法向应力之差绝对值的最大值

【技术实现步骤摘要】
一种边坡稳定性计算的滑面边界法
本专利技术涉及边坡工程稳定性评价及防治
，具体的说是一种边坡稳定性计算的滑面边界法。
技术介绍
边坡稳定性分析现行主要采用的是极限平衡条分法、有限单元强度折减法等。传统的极限平衡条分法对于给定滑动面的物理力学参数取临界状态参数，且假定滑动面同时处于临界应力状态，为了使问题变得静定可解，各种极限平衡条分法都对条块底边上法向力的作用点以及条间推力的方向或作用线作了不同的假定，从而使稳定性分析方法的严密性受到损害，再加上对临界摩阻力进行折减，计算所得推力等应力场不能反应实际情况。有限单元数值计算强度折减法采用的本构方程是理想弹塑性方程，这种本构方程适宜描述残余应力状态，且对摩阻力同样也是进行折减，因而使力和位移场不具有和实际现场进行比较的可能性，计算所得稳定系数与极限平衡条分法所得值不能进行比较。另外，引起边坡有限元法计算不收敛的原因很多，如：a)当坡体由多种不同物质组成，刚度相对滑床较大(也即是：某一坡体刚度K1,K2或K3等小小于滑床刚度KC)，b)当滑面刚度KH1,KH2或KH3相对滑床刚度KC较大，c)计算所得局部变形较大，d)当滑面贯通时等。这四种因素中，任一因素都会引起计算不收敛。而现有技术中没有对相关问题加以解决，计算结果具有不确定性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种边坡稳定性计算的滑面边界法，只取滑体作为边坡稳定分析的计算对象，克服了现行边坡稳定性计算不收敛的难题，并可实施边坡渐进稳定性破坏过程分析，计算结果可与传统极限平衡条分法比较，新的稳定系数具有不同的物理意义，使现行边坡监测结果可应用于边坡稳定性评价。一种边坡稳定性计算的滑面边界法，包含如下步骤：1、选取坡体作为有限元计算对象，除滑面的正应力、剪应力和位移外，坡体表面边界条件计算方法与常规一致，滑面可以以梁单元加以描述，滑面顶面梁单元为第1单元，沿着滑面顶面直至滑面底面的最后一个梁单元依次排序定义为第N单元；2、在滑面垂直方向赋位移为零或一定规律的关系式，在此基础上进行滑坡的第一次计算，获得滑面梁单元底面第一次计算的法向应力、切向应力和应变，如下式(1，2)；式中：分别表示滑面第i次计算所得的法向应力、切向应力和法向应变、切向应变矩阵，和分别表示第m单元第i次计算所得的法向应力、切向应力、法向应变和切向应变；n：表示法向，s：表示切向，i：表示计算次数。比较每一单元第1次计算所得的切向应力与计算所得的法向应力相对应的临界摩阻力的大小，如果计算得到1～k单元切向应力大于临界摩阻力，相应单元第二次计算时的力边界条件等于临界摩阻力；对于某单元计算所得切向应力绝对值小于临界摩阻力，下次计算时不作为初始条件，这些单元则为k+1～N单元。3、进行第二次计算，相对应1～k及k+1～N个单元力的初始应力及应变边界条件分别如下式式中：分别为第二次计算时初始应力及应变边界条件矩阵，按上述(4)和(5)式，进行第二次计算所得的滑面单元的法向应力及切向应力矩阵见式(6)首先对1～N单元进行判定，按(6)式的法向应力以下式计算对应的临界摩阻力：式中，为第Nk单元第i次计算所得临界摩阻力，为第Nk单元第i次计算所得法向应力；。对于已经施加了临界摩阻力的滑面对应单元，比较法向应力大小，当此时按(8)式计算的法向应力之差绝对值的最大值大于某定值D1时，重新对该单元切向应力按式(9)赋值。对于未赋临界摩阻力的单元，当切向应力绝对值大于临界摩阻力时，对这样的单元施加临界摩阻力如下式(10)如第ki单元第2次计算，施加的摩阻力假定ki∈(k,m)；按照上述计算，在进行第三次计算时，1～N个滑面应力及应变边界条件分别为：4、重复步骤3，计算直至多次，对于已经施加了临界摩阻力的滑面对应单元，比较法向应力大小，当此时与上一次计算的法向应力之差绝对值的最大值小于某定值D1时，则可以结束计算；式中，i为计算次数，m为施加临界摩阻力单元数。此时记下法向应力和切向应力以及切向应变其中Nk∈(1,N)。临界状态单元的决定：上述计算过程中，存在一点或一个单元其下滑力正好等于临界摩阻力，这一点或一个单元称为临界状态单元，然而，在计算过程中，由于是以面代点或以体代点，该点的计算往往存在一定的下滑力或摩阻力，为了更准确地决定临界状态单元，可以将该单元进行分割为更小的单元，当切向应力绝对值小于D2分之的临界摩阻力，则认为可以满足要求；当大于D2分之的临界摩阻力，则将此单元进行分割成二个及以上单元，进行上述计算，直至该单元切向应力绝对值小于D2分之的临界摩阻力，则可近似认为此单元为临界状态单元。分解1～m滑面单元的临界摩阻应力、下滑应力和剩余下滑应力分别为：临界摩阻应力：下滑应力：剩余下滑应力：分解m+1～N滑面单元的临界摩阻应力、下滑应力和剩余下滑应力分别为：临界摩阻应力：下滑应力：剩余下滑应力：0。(19)边坡现行稳定性评价方法主要是临界状态法。由于边坡破坏是渐进破坏的过程，基于边坡位移，定义了推移式边坡现状稳定系数：X轴方向的现状稳定系数为：边坡前缘关键块发生破坏时沿滑面在X轴方向的位移矢量和除以现状边坡后缘至滑面现状临界状态单元或条块在X轴方向的位移矢量和，同理采用相同的方法定义Y、Z轴方向的现状稳定系数；综合稳定系数定义为：边坡前缘关键块发生破坏时沿滑面在X、Y、Z轴方向的位移矢量和除以现状边坡后缘至滑面现状临界状态单元或条块在X、Y、Z轴方向的位移矢量和。一种基于前述边坡稳定性计算的滑面边界法的综合下滑力—抗滑力稳定系数计算方法，包含如下步骤：对每个沿滑面单元的下滑应力和临界摩阻应力转化成对应的力，并求其矢量和，分别形成综合下滑力Ps和综合摩阻力T，且分别与水平轴形成的最小夹角为αs和αf，稳定性系数为：式(33)的物理意义为单位下滑力所产生的抗力。一种基于前述边坡稳定性计算的滑面边界法的主下滑力法，包含如下步骤：求解1～m滑面单元的剩余下滑应力并转化为力，形成最大剩余推力的矢量和，定义为Pm，且与X轴的最小夹角为αsm；将m+1至N每个单元的剩余抗滑应力转化为力，求其矢量和，形成综合剩余摩阻力Tm-n，其与水平轴的最小夹角为αfm-n，定义为富余系数(Ff,s)：式(34)的物理意义为沿主滑方向单位剩余下滑力所具有的富余阻滑抗力，对比现行稳定系数分类，对于大型边坡，稳定系数在0.0～0.05之间为欠稳定，在0.05～0.1之间为基本稳定，大于0.1为稳定。本专利技术边坡稳定性计算的滑面边界法的优点是：克服了现行边坡稳定性计算不收敛的难题，并可实施边坡渐渐稳定性破坏过程分析，计算容易，计算结果可与传统极限平衡条分法比较，新的稳定系数具有不同的物理意义，使现行边坡监测结果可应用于边坡稳定性评价。附图说明图1为现行边坡有限元计算图。图2为本专利技术方法的边坡有限元计算单元划分图。图3为本专利技术方法的力边界处理图。图4为本专利技术方法的位移边界处理图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术进行进一步说明：如图2-4所示，一种边坡稳定性计算的滑面边界法；一是提出了边坡稳定分析可以只取滑体作为计算对象，潜在滑动面上的力与位移以边界条件加以处理，滑面以梁单元(或其它单元)加以处理，基本假设为：梁单元沿横向没有变形或变形遵循不同本构关系，坡体可以采用现行的各种单元，见图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种边坡稳定性计算的滑面边界法，其特征在于包含如下步骤：①选取坡体作为有限元计算对象，除滑面的正应力、剪应力和位移外，坡体表面边界条件计算方法与常规一致，滑面以梁单元加以描述，滑面顶面梁单元为第1单元，沿着滑面顶面直至滑面底面的最后一个梁单元依次排序定义为第N单元；②在滑面垂直方向赋位移为零，在此基础上进行滑坡的第一次计算，获得滑面梁单元底面第一次计算的法向应力、切向应力和应变，如下式（1，2）；Tn,s1=σn1,1τs1,1······σnm,1τsm,1······σnn,1τsn,1---(1)]]>Sn,s1=ϵn1,1=0ϵs1,1ϵn2,1ϵs2,1······ϵnn-1,1=0ϵsn-1,2ϵnn,2=0ϵsn,2---(2)]]>式中Tn,si，Sn,si分别表示滑面第i次计算所得的法向应力、切向应力和法向应变、切向应变矩阵，σnm,i，τsm,i，εnm,i和εsm,i分别表示第m单元第i次计算所得的法向应力、切向应力、法向应变和切向应变；n表示法向，s表示切向，i表示计算次数；比较每一单元第一次计算所得的切向应力与计算所得的法向应力相对应的临界摩阻力的大小及方向，当切向应力与临界摩阻力方向相反时，且切向应力绝对值大于临界摩阻力时，相应单元切向应力作为第二次计算时的边界条件取为，临界摩阻力加上该单元计算所得切向力作为该单元下次计算的初始切向应力边界条件，假定1～k单元切向应力与摩阻力方向相反；对于某单元计算所得切向应力方向与摩阻力方向一致或相反，但绝对值小于临界摩阻力，下次计算时不作为初始条件，假定为k+1～N单元；Δτsk,1＝τcritk,1+τsk,1，L∈(1,k)???????（3）③进行第二次计算，相对应1～k及1～N个单元力的初始应力及应变边界条件分别如下式按上述（4）和（5）式，进行第二次计算所得的滑面单元的法向应力及切向应力矩阵见式（6）Tn,s2=σn1,2τs1,1+τcrit1,1······σnk,2τsk,1+τcritk,1σnk+1,2σsk+1,2······σnn,2σsn,2---(6)]]>首先对1～N单元进行判定，按（6）式的法向应力以下式计算对应的临界摩阻力τcriti,2＝Ci+σni,2tanφi?i∈(1,N)???????（7）式中，τcriti,j为第i单元第j次计算所得临界摩阻力，σni,j为第i单元第j次计算所得法向应力；对于已经施加了临界摩阻力的滑面对应单元，比较法向应力大小，当此时计算的法向应力之差绝对值的最大值大于某定值D1时，重新对该单元切向应力按式（9）赋值；|σnL,2?σnL,1|≥D1，L∈(1,k)???????（8）ΔτsL,2=τsL,1+τcritL,1+(τcritL,2-τcritL,1)/2,L∈(1,k)---(9)]]>对于未赋临界摩阻力的单元，当切向应力与临界摩阻力方向相反时，且绝对值大于临界摩阻力时，对这样的单元施加临界摩阻力如下式（10）如第i单元第2次计算，施加的切向应力（（τcriti,2+τsi,2），假定i∈(k,m)；Δτsi,2＝τcriti,2+τsi,2,i∈(k,m)???????（10）按照上述计算，在进行第三次计算时，1～N个滑面应力及应变边界条件分别为④重复步骤③，计算直至多次，对于已经施加了临界摩阻力的滑面对应单元，比较法向应力大小，当此时与上一次计算的法向应力之差绝对值的最大值...

【技术特征摘要】
1.一种边坡稳定性计算的滑面边界法，其特征在于包含如下步骤：①选取坡体作为有限元计算对象，除滑面的正应力、剪应力和位移外，坡体表面边界条件计算方法与常规一致，滑面以梁单元加以描述，滑面顶面梁单元为第1单元，沿着滑面顶面直至滑面底面的最后一个梁单元依次排序定义为第N单元；②在滑面垂直方向赋位移为零，在此基础上进行滑坡的第一次计算，获得滑面梁单元底面第一次计算的法向应力、切向应力和应变，如下式(1，2)；式中Tn,si，Sn,si分别表示滑面第i次计算所得的法向应力、切向应力和法向应变、切向应变矩阵，σnm,i，τsm,i，εnm,i和εsm,i分别表示第m单元第i次计算所得的法向应力、切向应力、法向应变和切向应变；n表示法向，s表示切向，i表示计算次数；比较每一单元第一次计算所得的切向应力与计算所得的法向应力相对应的临界摩阻力的大小，如果计算得到1～k单元切向应力大于临界摩阻力，相应单元第二次计算时的力边界条件等于临界摩阻力；对于某单元计算所得切向应力绝对值小于临界摩阻力，下次计算时不作为初始条件，这些单元则为k+1～N单元；Δτsk,L＝τcritk,L，L∈(1,k)(3)③进行第二次计算，相对应1～k及k+1～N个单元力的初始应力及应变边界条件分别如下式式中：Tn,sB,2,Sn,sB,2分别为第二次计算时初始应力及应变边界条件矩阵，按上述(4)和(5)式，进行第二次计算所得的滑面单元的法向应力及切向应力矩阵见式(6)首先对1～N单元进行判定，按(6)式的法向应力以下式计算对应的临界摩阻力式中，为第Nk单元第i次计算所得临界摩阻力，为第Nk单元第i次计算所得法向应力；对于已经施加了临界摩阻力的滑面对应单元，比较法向应力大小，当此时按(8)式计算的法向应力之差绝对值的...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢应发，石峻峰，刘德富，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：