一种基于等效土压力作用的边坡抗剪强度参数反演分析方法与流程

1.本发明涉及边坡工程稳定性评价领域，具体涉及一种基于等效土压力作用的边坡抗剪强度参数反演分析方法。


背景技术：

2.在岩质边坡问题的分析中，岩体材料参数的确定是岩土工程数值的关键，直接关系到数值模拟的效果。实际上由于岩体结构的复杂性以及受周围环境影响较大等不确定性因素的存在，因此参数的确定一直是一个难点。由于岩土体材料复杂的物理力学特性，分析过程中所需的各种参数就会越多，对参数精度的要求也就越高，在传统的研究工作里，都是通过现场岩体力学试验或者是室内取样试验来获得岩土体力学参数，但是，所取的样品并不一定能够完全表现出现场的岩土体的力学特征。
3.在这样的条件下，采用反演分析的方法可以综合考虑诸多地质因素的影响，可以经济有效地得到合理的参数取值。针对边坡工程，通常采用数值计算方法，以特定的安全系数为研究目标对变形体岩体强度参数进行反演分析，以准确确定变形体的强度参数，为变形体乃至边坡的稳定性分析提供参数依据。
4.为了解决带覆盖层边坡岩体参数反演时，覆盖层参数相对较低导致滑面始终在覆盖层内，无法较准确得到岩体反演参数的问题，需提出一种能够消除边坡始终在覆盖层内部滑动破坏的影响，使边坡抗剪强度反演参数更为准确、合理。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于等效土压力作用的边坡抗剪强度参数反演分析方法，解决带覆盖层边坡岩体参数反演时，覆盖层参数相对较低导致滑面始终在覆盖层内，无法较准确得到岩体反演参数的问题。
6.本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
7.一种基于等效土压力作用的边坡抗剪强度参数反演分析方法，包括如下步骤：
8.第一步，收集现场资料，获得初步岩体材料参数、现场岩体试验资料和监测数据，
9.岩体试验资料包括滑动面、阻滑段、结构面、ⅲ类岩体、软弱带岩体和覆盖层的数据，
10.监测数据包括边坡典型位置的变形和应力；
11.第二步：建立数值计算模型，基于现场裂缝开展情况和岩石材料差异以及第一步所获得的数据，建立数值计算模型；
12.第三步：反演分析，根据第二步的数值计算模型和在土自重量作用下计算初始应力场；通过初始应力场进行岩体抗剪强度参数反演分析由强度折减法获得岩体抗剪强度参数c和内摩擦角φ值的初始参数；
13.第四步：二次反演分析，作用下的边坡应力场和初始地应力场，再次对岩体的抗剪强度参数c、φ值反演分析，得到岩体抗剪强度参数c和内摩擦角φ值的反演参数；
14.第五步：由第四步获得的反演参数矫正初始参数，得到岩体的抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ；
15.第六步：由第五步获得的岩体的抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ进行岩体工程稳定性边坡折稳定计算中安全系数的值，再由安全系数的值决定边坡稳定是否达到要求。
16.第二步所述数值计算模型通过udec软件建立，模拟不连续结构面对边坡的影响，得到边坡的分析结果，由分析结果和自重作用下进行计算出是应力场。
17.第二步所述土体重量由下式计算：
18.g＝ρvg
19.其中g为土体重量，单位为n；
20.ρ为材料密度，单位为kg/m3；
21.v为土体体积，单位为m3；
22.g为本地重力加速度，g＝9.81n/kg。
23.第三步所述反演分析时为消除边坡始终在覆盖层内部滑动破坏的影响，将其压坡作用考虑成等效土压力，分为侧向土压力和土体自重。
24.所述等效土压力的水平向作用采用库伦土压力理论，基于主动土压力公式计算土体的侧向土压力，库伦土压力由下式计算：
[0025][0026][0027]
式中：ea——主动土压力；
[0028]
ka——库仑主动土压力系数；
[0029]
h——挡土墙高度，
[0030]
γ——墙后填土重度，kn/m3；
[0031]
φ——墙后填土的内摩擦角；
[0032]
α——墙背的倾斜角，倾斜时取正号，斜仰为负号；
[0033]
β——墙后填土面的倾角；
[0034]
δ——土对挡土墙背的摩擦角。
[0035]
第二步所述建立数值计算模型中不考虑覆盖层，在边坡边界上以等效土压力模拟覆盖层对边坡的竖向和侧向作用，进而再次对岩体的抗剪强度参数粘聚力c 和内摩擦角φ反演。
[0036]
所述等效土压力的竖向作用根据土体自重施加在边坡的覆盖层范围的边界上。土体重量由下式计算：
[0037]
g＝ρvg
[0038]
其中g为土体重量，单位为n；
[0039]
ρ为材料密度，单位为kg/m3；
[0040]
v为土体体积，单位为m3；
[0041]
g为本地重力加速度，g＝9.81n/kg。
[0042]
所述反演分析和二次反演分析采用强度折减法直接反进行反演分析得到抗剪强度参数粘聚力c值和内摩擦角φ值。
[0043]
本发明的有益效果是：在带覆盖层的边坡参数反演分析中，既考虑了覆盖层的压坡作用，又消除了覆盖层参数相对较低导致滑面始终在覆盖层内，无法得到岩体反演参数的问题，进而可以更为准确、合理的得到反演出岩体的抗剪强度参数。
附图说明
[0044]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0045]
图1是本发明库伦主动土压力计算图；
[0046]
图2是本发明实施例边坡计算模型；
[0047]
图3是本发明实施例带覆盖层边坡位移矢量图；
[0048]
图4是本发明实施例不带覆盖层边坡位移矢量图。
具体实施方式
[0049]
实施例1:
[0050]
参照图1-4，是本发明实施例1的结构示意图，一种基于等效土压力作用的边坡抗剪强度参数反演分析方法，包括如下步骤：
[0051]
第一步，收集现场资料，获得初步岩体材料参数、现场岩体试验资料和监测数据，岩体材料参数包括岩体的密度、泊松比、弹性模量、抗拉强度、抗压强度，岩体试验资料包括滑动面、阻滑段、结构面、ⅲ类岩体、软弱带岩体和覆盖层的数据，监测数据包括边坡位置的变形和应力；
[0052]
第二步：建立数值计算模型，基于现场裂缝开展情况和岩石材料差异以及第一步所获得的数据，建立数值计算模型；
[0053]
第三步：反演分析，根据第二步的数值计算模型和在土自重作用下计算初始应力场，通过初始应力场进行岩体抗剪强度参数反演分析由强度折减法获得岩体抗剪强度参数c和内摩擦角φ值的初始参数；
[0054]
第四步：二次反演分析，对比等效土压力作用下的边坡应力场和初始地应力场，再次对岩体的抗剪强度参数c、φ值反演分析，得到岩体抗剪强度参数c 和内摩擦角φ值的反演参数；
[0055]
第五步：由第四步获得的反演参数矫正初始参数，得到岩体的抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ。
[0056]
第六步：由第五步获得的岩体的抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ进行岩体工程稳定性边坡折稳定计算中安全系数的值，再由安全系数的值决定边坡稳定是否达到要求。
[0057]
实施例2
[0058]
参照图1-4，是本发明实施例2的结构示意图，一种基于等效土压力作用的边坡抗剪强度参数反演分析方法，包括如下步骤：
[0059]
第一步，收集现场资料，获得初步岩体材料参数、现场岩体试验资料和监测数据，
岩体材料参数包括岩体的密度、泊松比、弹性模量、抗拉强度、抗压强度，岩体试验资料包括滑动面、阻滑段、结构面、ⅲ类岩体、软弱带岩体和覆盖层的数据，监测数据包括边坡位置的变形和应力；
[0060]
第二步：建立数值计算模型，基于现场裂缝开展情况和岩石材料差异以及收集的现场资料，所获得的数据，通过udec软件建立数值计算模型，模拟不连续结构面对边坡的影响，得到边坡的分析结果，由分析结果和自重作用下进行计算初始应力场，建立数值计算模型中不考虑覆盖层，在边坡边界上以等效土压力模拟覆盖层对边坡的竖向和侧向作用，进而再次对岩体的抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ反演；
[0061]
udec软件，优势在于模拟不连续结构面对边坡的影响，得到边坡的安全稳定性分析结果；udec软件为现有技术。
[0062]
建立数值计算模型中不考虑覆盖层能够获得对边坡稳定性起关键作用的岩体抗剪强度参数。
[0063]
第三步：为消除边坡始终在覆盖层内部滑动破坏的影响，将其压坡作用考虑成等效土压力，分为侧向土压力和土体自重，等效土压力的水平向作用采用库伦土压力理论，基于主动土压力公式计算土体的侧向土压力，库伦主动土压力由下式计算：
[0064][0065][0066]
式中：ea——库伦主动土压力；
[0067]
ka——库仑主动土压力系数；
[0068]
h——挡土墙高度，
[0069]
γ——墙后填土重度，kn/m3；
[0070]
φ——墙后填土的内摩擦角；
[0071]
α——墙背的倾斜角，倾斜时取正号，斜仰为负号；
[0072]
β——墙后填土面的倾角；
[0073]
δ——土对挡土墙背的摩擦角。
[0074]
在由数值计算模型和在土自重量作用下计算初始应力场，通过初试应力场进行岩体抗剪强度参数反演分析由强度折减法获得岩体抗剪强度参数c和内摩擦角φ值的初始参数，土体重量由下式计算：
[0075]
g＝ρvg
[0076]
其中g为土体重量，单位为n；
[0077]
ρ为材料密度，单位为kg/m3；
[0078]
v为土体体积，单位为m3；
[0079]
g为本地重力加速度，g＝9.81n/kg；
[0080]
压坡作用考虑成等效土压力优势是避免使用强度折减法只能得到覆盖层的参数，不能反演岩体的抗剪强度参数。
[0081]
第四步：二次反演分析，对比等效土压力作用下的边坡应力场和初始地应力场，再
次对岩体的抗剪强度参数c、φ值反演分析，得到岩体抗剪强度参数c 和内摩擦角φ值的反演参数；
[0082]
二次反演分析时对比等效土压力作用下的边坡应力场和初始地应力场，再次对岩体的抗剪强度参数c、φ值反演，对比的什么标准值。以及对比的优势。以模型中建立覆盖层得到的初始地应力场的应力作为标准值，优势在于判断等效土压力作用下得到的应力场准确、合理。
[0083]
第五步：由第四步获得的反演参数矫正初始参数，得到岩体的抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ。
[0084]
第六步：由第五步获得的岩体的抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ进行岩体工程稳定性边坡折稳定计算中安全系数的值。由安全系数的值决定边坡是否需要加固。
[0085]
反演分析和二次反演分析采用强度折减法直接反进行反演分析得到抗剪强度参数粘聚力c值和内摩擦角φ值。
[0086]
强度折减法：
[0087]
强度折减，即在数值计算中将边坡岩土体强度参数(粘聚力、内摩擦角) 逐渐降低直到结构达极限状态，岩土体所具有的强度参数值与相应于该极限状态的强度参数值之比，则为所求的安全系数，同时可根据弹塑性计算结果得到潜在破坏滑动面位置。
[0088]
强度折减计算过程可描述为：对于稳定边坡而言，首先选取折减系数f
trial
，将岩土体强度参数粘聚力、内摩擦角分别按式(1)和式(2)进行折减，然后采用适当的岩土体屈服准则，对边坡进行非线性数值计算，若计算收敛，则通过增加折减系数f
trial
，反复对边坡稳定性进行计算，直至满足失稳判据，此时的折减系数f
trial
即为边坡的安全系数fs。
[0089][0090][0091]
岩体抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角是岩体工程稳定性计算中的基本参数。岩体是由各种形状的岩石块体和节理组成的。这里泛指所有不连续结构面, 包括节理、断层、层理以及其它弱面组成的复杂地质体,其力学性质受岩石材料性质和节理性质的控制。
[0092]
实施例3：
[0093]
如图1所示，一种基于等效土压力作用的边坡抗剪强度参数反演分析方法的实际应用：基于工程现场岩体试验资料和监测数据，提供初步岩体材料参数，如表1中初始参数；
[0094]
基于现场裂缝开展情况和岩石材料差异，考虑主要结构面及岩层分界，建立数值计算模型，如图2所示；
[0095]
在自重作用下计算初始地应力场，进而采用强度折减法进行岩体抗剪强度参数反演分析，即使将覆盖层的抗剪强度参数提到较高水平，边坡破坏位置依然在覆盖层内部，安全系数小于临界值1；
[0096]
由于在边坡后缘滑裂面处出现拉裂缝，因此滑裂面的位置是边坡最危险的位置。为消除边坡整体模型计算中始终在覆盖层内部滑动破坏的影响，如图3 所示，将其压坡作用考虑成等效土压力，分为侧向土压力和土体自重两部分，如图4所示；
[0097]
等效土压力的竖向作用根据土体自重施加在边坡的覆盖层范围的边界上。土体重
量由下式计算：
[0098]
g＝ρvg
[0099]
其中g为土体重量，单位为n；ρ为材料密度，单位为kg/m3；v为土体体积，单位为m3；g为本地重力加速度，g＝9.81n/kg。
[0100]
等效土压力的水平向作用采用库伦土压力理论，基于主动土压力公式计算土体的侧向压力。
[0101]
对比等效土压力作用下的边坡应力场和初始地应力场，再次对岩体的抗剪强度参数反演，如图4所示，边坡安全系数达到临界值1，且破坏面在滑裂面，符合现场边坡后缘出现拉裂缝的实际条件。反演参数如表1中反演参数。
[0102]
表1.初始参数和反演参数
[0103][0104]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，其都在该技术的保护范围内。