[发明专利]一种边坡渐进破坏潜在滑动面的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程和地质灾害、基坑等的防治、评价和预测预报等技术领域，特别涉及地质灾害、基坑等的稳定性分析、评价、预测预报、防治措施的制定，本发明实现了地质灾害和基坑等的渐进破坏过程的的潜在滑动面决定和稳定性评价，对边坡和基坑等的防治及预测预报等具有巨大的推动作用。

背景技术

边坡的稳定性评价均是建立在极限平衡状态的假设上，其广泛采用的方法为：瑞典法、简化Bishop法、Janbu法、传递系数法、Sarma法、楔形体法、Fellenius法、有限元强度折减法等十几种边坡稳定性计算方法。其潜在滑动面的决定也是建立在临界应力状态理论之上，然而现场边坡破坏是渐进的，滑面部分处于临界应力状态，部分处于破坏后区或峰值前应力状态区，现行的极限平衡状态法获取的潜在滑动面是难以与现场实际相符的，鉴于此，本发明提出了一种边坡渐进破坏潜在滑动面的计算方法—以下简称破坏角转动法，该方法使潜在滑动面的决定向实际现场推动了一大步。

发明内容

本发明的目的在于提出一种边坡渐进破坏潜在滑动面的计算方法，基于边坡破坏是渐进的，其主应力轴是发生转动的，但最大剪切面上的破坏角相对最小主应力是恒定的，在此基础上获得破坏角的转动规律，实施边坡潜在滑动面的搜索计算，从而决定潜在滑动面(如图1)。并定义了破坏率(滑体作用于滑面的下滑剪应力(或拉应力)除以滑床作用于滑面临界摩阻应力(或临界拉应力)的绝对值，当大于100％时取100％)和破坏比(沿可能滑动的滑面面积与破坏率乘积之和除以总面积)概念。破坏角转动法保证了边坡破坏过程中，破坏点的应力状态处于临界应力状态，且破坏过程中，破坏路径随应力的变化而变化，结合破坏率和破坏比概念，破坏路径的本构关系考虑不同法向应力作用下的软化特征，可以在数值计算的基础上实施边坡潜在滑动面的求解。

本发明一种边坡渐进破坏潜在滑动面的计算方法，包括如下步骤：

(1)对滑体材料实施剪应力--剪应变全过程曲线试验，试验获得峰值应力、应变和全过程曲线；

(2)通过峰值应力决定凝聚力C、滑面摩擦角值，以峰值应变决定常系数a₁,a₂,a₃大小，变化曲线特征决定剪切模量G、临界法向应力σ_n^crit、常系数ξ、α、k_n；

(3)按现行方法建立数值计算模型，在考虑剪破坏分布的同时，同时考虑拉破坏分布区；

(4)在考虑应变软化本构模型数值计算的基础上，计算现状边坡每点的破坏率、破坏面和破坏比，以组合的方式提出不同的可能破坏路径；

(5)对于单元，利用单元破坏剪应力面与最小主应力的夹角为：计算最大主应力相对竖直方向的转动角δ，从而决定滑面相对于水平面的转角：所述转动角δ，二维计算公式为tan2δ＝-2τ_xy/(σ_xx-σ_yy)，三维计算公式为tan2δ_xx＝-2τ_xy/(σ_xx-σ_yy)，tan2δ_yy＝-2τ_zy/(σ_yy-σ_zz)，tan2δ_zz＝-2τ_zx/(σ_zz-σ_xx)；

(6)对于可能施加的荷载或位移工况，分步施加相应的工况，对在不同工况下可能破坏模式进行搜寻，将潜在滑动面转动角连续化，计算对应的边坡稳定系数，从而决定潜在滑动面；

(7)对于具有软化和硬化特征的滑面剪应力--剪应变满足如下本构方程，本发明的滑面本构方程如下：

(7.1)剪应力-剪应变方程

剪应力--剪应变为四参数本构方程：

τ＝Gγ[1+γ^q/p]^ξ(7.1)

式中：τ、γ分别为剪应力和剪应变，G为剪切模量，p、q、ξ为在不同法向应力下的常系数，τ、G的单位为MPa或kPa或Pa，p、q、ξ为无单位参数；并将软化和硬化行为描述如下：

(7.2)软化特征

对于具有软化特征的材料行为，则有：-1＜ξ≤0和1+qξ≠0。临界应变空间(临界应变定义为：临界应力对应的应变)满足如下关系式：

p+(1+qξ)γ^q_peak＝0(7.2)