CN106021853B - 一种空间变异特性下边坡稳定可靠度分析软件的开发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于边坡稳定分析软件开发的技术领域，涉及一种空间变异特性下边坡稳定可靠度分析软件的开发方法，包括以下实现过程：在前处理数据输入的基础上，进行边坡离散化与集成分析、得出给定失稳模式的安全系数，进而进行一定次数的最小安全系数搜索并确定主要的失稳区域，最后通过蒙特卡罗抽样方法实现基于多个主要失稳模式的边坡稳定可靠度分析软件开发。本发明的优点在于：（1）能够充分考虑到土体材料空间变异特性带来的***特性。（2）填补了目前商业软件因空间变异特性带来的***特性的计算空白，具有较强的工程应用价值和商业前景。

Description

一种空间变异特性下边坡稳定可靠度分析软件的开发方法
技术领域
本发明属于边坡稳定分析软件开发的技术领域，涉及一种空间变异特性下边坡稳定可靠度分析软件的开发方法，特别是一种基于极限平衡方法确定空间变异特性下边坡***的响应，并基于***响应进行边坡稳定可靠度分析的软件开发方法。
背景技术
边坡稳定是指自然边坡或人工边坡保持安全稳定的条件和能力。这两类边坡的岩土体在各种内外因素作用下逐渐发生化，坡体应力状态也随之改变，当滑动力或倾覆力达以至超过抗滑力或抗倾覆力而失去平衡时，即出现变破坏，造成灾害或威胁建筑物安全。
边坡稳定可靠度分析是岩土工程设计领域中非常重要的课题之一，边坡设计或者支护时，需要定量地评估边坡可能的失稳概率以及失稳区域。传统的边坡设计时，需要借助于商业软件进行极限平衡分析或者基于强度折减方法计算边坡稳定的抗滑最小安全系数以及相对应的失稳区域，并基于这个最小安全系数和相应的失稳区域进行设计。另一方面，由于岩土工程材料的不确定性，尤其是在长期的地质作用下，土体材料呈现出明显的空间变异特性，这种空间变异特性导致边坡在失稳时呈现出***特性，也就是说，边坡失稳时有不止一个的主要失稳区域，这种***特性在常规的商业软件中很少涉及。目前，市场上还没有一种能够考虑土体材料空间变异特性的边坡稳定可靠度分析软件。
有鉴于上述分析，开发能够考虑土体材料空间变异特性的边坡稳定可靠度分析软件是非常比要的，同时具有较强的工程应用价值和商业前景。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明提供一种空间变异特性下边坡稳定可靠度分析软件的开发方法，能够充分考虑到土体材料空间变异特性带来的***特性。
本发明所述的一种空间变异特性下边坡稳定可靠度分析软件的开发方法，其特征在于包括以下实现过程：在前处理数据输入的基础上，进行边坡离散化与集成分析、得出给定失稳模式的安全系数，进而进行一定次数的最小安全系数搜索并确定主要的失稳区域，最后通过蒙特卡罗抽样方法实现基于多个主要失稳模式的边坡稳定可靠度分析软件开发。
具体包括以下实现过程：
前处理分析：
（1）读取用于计算边坡稳定的相关数据，包括读取边坡几何剖面数据、土体材料统计数据、浸润线位置数据或者孔压数据、以及外荷载数据；
（2）假定边坡滑动的失稳模式类型；
（3）根据土体材料统计数据中的波动范围值确定每个边坡土层的虚拟土层个数，并进行边坡几何剖面数据的二次更新；
确定性分析：
（4）将给定失稳模式进行离散化，得到一系列的垂直土条，并结合二次更新后的边坡几何模型，得出每一个垂直土条的相关参数；
（5）给定极限平衡方法的安全系数求解，在得到所有离散垂直土条的相关参数基础上，利用简化Bishop法计算给定失稳模式的安全系数；
（6）变换不同的潜在失稳区域，按照步骤（5）进行安全系数的求解，最终经过比较得出具有最小安全系数的失稳区域；
边坡***响应确定：
（7）对所有的随机变量中的一个进行如下迭代：设置该随机变量的取值为其均值减去1倍标准差值，其余随机变量取为其均值，在确定了随机变量的取值之后，进行步骤（4）、（5）、（6）的计算分析，得出该种工况下的最小安全系数及其对应的失稳区域；
（8）对所有的随机变量进行步骤（7）的迭代计算，最终对应每一个随机变量，均得到一个最小安全系数及其对应的失稳区域；
（9）将步骤（7）和（8）得到的失稳区域进行汇总，将其视为边坡***的主要组成部分，边坡***的整体响应可以由这些离散的失稳区域来代表；
边坡可靠度分析与后处理：
（10）生成符合随机变量分布的蒙特卡罗抽样样本值，在每一个蒙特卡罗抽样样本值下，针对步骤（9）中得到的每一个离散的失稳区域，进行步骤（4）和（5）的计算分析，得出每一个离散的失稳区域的安全系数，比较所有离散的失稳区域对应的安全系数，挑选最小的安全系数作为边坡***在该蒙特卡罗抽样样本值下的响应，同时，可以确定该最小安全系数对应的失稳区域；
（11）在所有样本值对应的边坡响应求出后，可以统计边坡响应小于1的蒙特卡罗样本值个数，将该个数与总的蒙特卡罗样本值个数之比定义为边坡的失效概率，该失效概率值可以代表边坡的可靠度程度；此外，每个失稳区域出现最小安全系数的次数及其相应的几何位置可以显示在边坡剖面图上，以便更直观地确定边坡***响应的主要来源。
其中，优选方案如下：
步骤（1）中所述的边坡剖面数据包括坡高、坡角、土层数目以及坡脚与坡顶延伸范围的范围；土体材料统计数据包括容重、粘聚力、内摩擦角的均值与标准差以及表征土层参数空间变异特性程度的波动范围值。
步骤（2）中所述的边坡滑动的失稳模式包括圆弧失稳模式和非圆弧失稳模式。
步骤（4）中所述的垂直土条的相关参数包括每个垂直土条的条底坐标、条底与地面相对应的坐标，以及垂直土条的自重、条底的内摩擦角、粘聚力以及条底孔压数据。
步骤（5）所述的简化Bishop法的公式为：
步骤（10）中利用Cholesky分解方法生成符合随机变量分布的蒙特卡罗抽样样本值。
本发明的优点在于：（1）充分考虑了土体参数的空间变异特性，在此基础上进行了边坡几何剖面数据的二次更新，并基于传统的极限平衡方法进行确定性分析，通过对随机变量的逐个迭代分析，最终获得边坡***的响应源，利用这些响应源进行边坡***可靠度分析，并在后处理中显示边坡***的失效概率和各个响应源对边坡***的贡献程度。（2）填补了目前商业软件因空间变异特性带来的***特性的计算空白，具有较强的工程应用价值和商业前景。
附图说明
图1为本发明的流程框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种空间变异特性下边坡稳定可靠度分析软件的开发方法，包括以下实现过程：
前处理分析：
（1）读取用于计算边坡稳定的相关数据，包括读取边坡几何剖面数据、土体材料统计数据、浸润线位置数据或者孔压数据、以及外荷载数据。其中，边坡剖面数据包括坡高、坡角、土层数目以及坡脚与坡顶延伸范围的范围；土体材料统计数据包括容重、粘聚力、内摩擦角的均值与标准差以及表征土层参数空间变异特性程度的波动范围值。此处需要开设公共数组来保存这些数据。
（2）假定边坡滑动的失稳模式类型，譬如圆弧失稳模式或者非圆弧失稳模式。每种失稳模式的数学描述需要的变量不同，当假定为圆弧失稳模式时，需要圆弧的圆心坐标以及半径等3个变量，此处需要判断圆弧是否与边坡地面有交点，若有，则需保存其与边坡地面的两个交点作为失稳区域的滑入点和滑出点；若没有交点，则需要剔除该失稳模式。
（3）根据土体材料统计数据中的波动范围值确定每个边坡土层的虚拟土层个数，并进行边坡几何剖面数据的二次更新，此处需要开设新的数组来存储二次更新后的边坡几何剖面数据。此处需要设定选项由用户来自主决定剖面数据二次更新的程度，即由用户确定一个0.1~0.2之间的系数，此系数与波动范围的乘积作为更新的依据。
确定性分析：
（4）由用户选择垂直土条的间距，自滑出点开始，至滑入点结束，将给定失稳模式进行离散化，得到一系列的垂直土条，并结合二次更新后的边坡几何模型。此处需要开设数组记录每个垂直土条的条底坐标、条底与地面相对应的坐标，以及垂直土条的自重、条底的内摩擦角、粘聚力以及条底孔压数据。
（5）利用极限平衡方法中的简化Bishop法计算离散后的失稳区域的稳定安全系数，此处需要编制子程序进行迭代计算。
（6）按照一定的变化法则，譬如网格法、复合形法、和声搜索算法来变换不同的潜在失稳区域，调用步骤（5）中的子程序计算不同失稳模式的安全系数，并开设数组进行保存，经过比较或者优化确定最小的安全系数值。
边坡***响应确定：
（7）对所有的随机变量中的一个进行如下迭代：设置该随机变量的取值为均值减去1倍标准差值，其余随机变量取为其均值，在确定了随机变量的取值之后，将这些取值视为确定值并进行步骤（4）、（5）、（6）的计算，直至最终确定出最小的安全系数及其对应的失稳区域，此处需要开设数组记录失稳区域的数学描述变量。
（8）对所有的随机变量进行步骤（7）的迭代计算，最终对应每一个随机变量，均得到一个最小安全系数及其对应的失稳区域，并保存在开设的数组中。
（9）将保存在数组中的失稳区域作为边坡***响应的代表，也就是说边坡在不同的土层参数下，其最小安全系数值可以由这些失稳区域的试算来确定。
边坡可靠度分析与后处理：
（10）利用Cholesky分解方法生成随机变量的抽样值，此处需由用户确定蒙特卡罗抽样次数，针对每一个抽样值，将其视为边坡输入的确定值，确定保存在数组中的失稳区域对应的安全系数值，挑选最小值作为边坡***在该抽样值下的响应，并判断该响应值是否小于1，若是，则称该样本为失效样本，该响应值对应的失稳区域称之为显著区域；若否，则为非失效样本。
（11）统计所有抽样样本中失效样本的个数，该个数与总的抽样样本数目的比值称之为边坡***的失效概率。数组中保存的失稳区域作为显著区域的次数可以直观地判断边坡***的响应源，此处需要开设数组记录每个失稳区域作为显著区域的次数，并最终在边坡剖面上显示每个失稳区域的位置和相对应的显著区域次数，以便为用户显示边坡***的响应源。

Claims (4)

1.一种空间变异特性下边坡稳定可靠度分析软件的开发方法，其特征在于包括以下实现过程：
前处理分析：
(1)读取用于计算边坡稳定的相关数据，包括读取边坡几何剖面数据、土体材料统计数据、浸润线位置数据或者孔压数据、以及外荷载数据；其中，边坡剖面数据包括坡高、坡角、土层数目以及坡脚与坡顶延伸范围的范围；土体材料统计数据包括容重、粘聚力、内摩擦角的均值与标准差以及表征土层参数空间变异特性程度的波动范围值；
(2)假定边坡滑动的失稳模式类型；
(3)根据土体材料统计数据中的波动范围值确定每个边坡土层的虚拟土层个数，并进行边坡几何剖面数据的二次更新；
确定性分析：
(4)将给定失稳模式进行离散化，得到一系列的垂直土条，并结合二次更新后的边坡几何模型，得出每一个垂直土条的相关参数；其中，垂直土条的相关参数包括每个垂直土条的条底坐标、条底与地面相对应的坐标，以及垂直土条的自重、条底的内摩擦角、粘聚力以及条底孔压数据；
(5)给定极限平衡方法的安全系数求解，在得到所有离散垂直土条的相关参数基础上，利用简化Bishop法计算给定失稳模式的安全系数；
(6)变换不同的潜在失稳区域，按照步骤(5)进行安全系数的求解，最终经过比较得出具有最小安全系数的失稳区域；
边坡***响应确定：
(7)对所有的随机变量中的一个进行如下迭代：设置该随机变量的取值为其均值减去1倍标准差值，其余随机变量取为其均值，在确定了随机变量的取值之后，进行步骤(4)、(5)、(6)的计算分析，得出该种工况下的最小安全系数及其对应的失稳区域；
(8)对所有的随机变量进行步骤(7)的迭代计算，最终对应每一个随机变量，均得到一个最小安全系数及其对应的失稳区域；
(9)将步骤(7)和(8)得到的失稳区域进行汇总，将其视为边坡***的主要组成部分，边坡***的整体响应由这些离散的失稳区域来代表；
边坡可靠度分析与后处理：
(10)生成符合随机变量分布的蒙特卡罗抽样样本值，在每一个蒙特卡罗抽样样本值下，针对步骤(9)中得到的每一个离散的失稳区域，进行步骤(4)和(5)的计算分析，得出每一个离散的失稳区域的安全系数，比较所有离散的失稳区域对应的安全系数，挑选最小的安全系数作为边坡***在该蒙特卡罗抽样样本值下的响应，同时，确定该最小安全系数对应的失稳区域；
(11)在所有样本值对应的边坡响应求出后，统计边坡响应小于1的蒙特卡罗样本值个数，将该个数与总的蒙特卡罗样本值个数之比定义为边坡的失效概率，该失效概率值代表边坡的可靠度程度；此外，每个失稳区域出现最小安全系数的次数及其相应的几何位置显示在边坡剖面图上，以便更直观地确定边坡***响应的主要来源。
2.根据权利要求1所述的一种空间变异特性下边坡稳定可靠度分析软件的开发方法，其特征在于步骤(2)中所述的边坡滑动的失稳模式包括圆弧失稳模式和非圆弧失稳模式。
3.根据权利要求1所述的一种空间变异特性下边坡稳定可靠度分析软件的开发方法，其特征在于步骤(5)所述的简化Bishop法的公式为：
其中，FS为安全系数，第i垂直土条宽度bi，底面倾角αi，自重Wi，条底孔压ui，内摩擦角粘聚力ci。
4.根据权利要求1所述的一种空间变异特性下边坡稳定可靠度分析软件的开发方法，其特征在于步骤(10)中利用Cholesky分解方法生成符合随机变量分布的蒙特卡罗抽样样本值。
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