專利名稱：一種基于監(jiān)測信息的邊坡施工過程的穩(wěn)定性數(shù)值分析與優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于監(jiān)測信息的邊坡施工過程的穩(wěn)定性數(shù)值分析與優(yōu)化設(shè)計方法。根據(jù)當(dāng)前施工步監(jiān)測信息，解決邊坡分步施工動態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬方法，在此基礎(chǔ)上，解決施工方案的優(yōu)化設(shè)計，并對邊坡工程的可靠度分析和風(fēng)險預(yù)測，屬于巖土邊坡動態(tài)施工和災(zāi)害防控技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
巖土邊坡工程數(shù)值分析是目前巖土工程設(shè)計和風(fēng)險控制的重要手段之一。目前數(shù)值分析方法主要有離散單元法、有限單元法、邊界單元法、DDA以及流形元等。然而，由于巖土邊坡工程固有的復(fù)雜性和動態(tài)施工過程，導(dǎo)致邊坡工程數(shù)值分析結(jié)果與實際工程存在較大差異，使得數(shù)值分析一直處于定量分析和定性應(yīng)用的尷尬局面。影響邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析的可靠性主要有兩個方面其一，巖土體介質(zhì)復(fù)雜性和節(jié)理巖體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，使得巖土體參數(shù)難以準(zhǔn)確獲得；其二，邊坡工程多步開挖和分次加固的動態(tài)施工效應(yīng)難以定量模擬。
背景技術(shù)：
中，中國專利“基于安全監(jiān)控的邊坡位移反分析方法”(專利號20100159897. 4)，已經(jīng)解決了邊坡數(shù)值分析中第一個技術(shù)難題。本技術(shù)發(fā)明是針對第二個關(guān)鍵技術(shù)難題，采用監(jiān)測信息和邊坡動態(tài)施工響應(yīng)曲線，確定分步施工邊坡數(shù)值模擬中迭代步，由此解決動態(tài)施工效應(yīng)的數(shù)值分析技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是采用邊坡監(jiān)測信息，提供一種模擬邊坡工程動態(tài)施工(開挖與加固)過程的穩(wěn)定性動態(tài)數(shù)值分析和優(yōu)化設(shè)計方法。首先基于“基于安全監(jiān)控的邊坡位移反分析方法”(專利號20100159897. 4)，建立邊坡工程等效數(shù)值模型；然后采用等效數(shù)值模型，獲取當(dāng)前施工邊坡的動力響應(yīng)曲線；最后，根據(jù)當(dāng)前施工邊坡監(jiān)測的位移，確定當(dāng)前施工步數(shù)值模擬的迭代步，這就是背景技術(shù)存在的第二個問題。在此基礎(chǔ)上，提出下一步施工邊坡的穩(wěn)定性分析和施工方案的優(yōu)化設(shè)計方法，并給出了施工邊坡的風(fēng)險預(yù)測與防控數(shù)值分析技術(shù)。通過“基于安全監(jiān)控的邊坡位移反分析方法”(專利號20100159897. 4)和本項發(fā)明，從而提高邊坡工程穩(wěn)定性數(shù)值分析的可靠性，實現(xiàn)邊坡工程穩(wěn)定性的定量分析、優(yōu)化設(shè)計和風(fēng)險預(yù)測，為邊坡工程的安全、經(jīng)濟(jì)和可靠運行奠定基礎(chǔ)。本發(fā)明技術(shù)方案如下
基于監(jiān)測信息的邊坡施工過程的穩(wěn)定性數(shù)值分析與優(yōu)化設(shè)計方法的實施步驟如下，
(a)借助已經(jīng)授權(quán)的中國專利“基于安全監(jiān)控的邊坡位移反分析方法”，建立當(dāng)前施工步的等效數(shù)值分析模型；(b)基于建立的邊坡工程等效數(shù)值分析模型，技術(shù)當(dāng)前施工邊坡工程的動力響應(yīng)曲線；(C)基于監(jiān)測點監(jiān)測到的當(dāng)前施工步的監(jiān)測位移，確定當(dāng)前施工邊坡數(shù)值模擬的迭代步；(d)根據(jù)等效數(shù)值模型和確定的迭代步，進(jìn)行下一步施工邊坡的穩(wěn)定性數(shù)值分析和施工方案優(yōu)化；(e)根據(jù)邊坡優(yōu)化施工方案，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性可靠度分析與風(fēng)險調(diào)控；(f)根據(jù)優(yōu)化方案和風(fēng)險調(diào)控措施進(jìn)行邊坡施工，同時開展邊坡變形監(jiān)測，再進(jìn)行下一施工步的邊坡工程穩(wěn)定性動態(tài)分析和方案優(yōu)化，以此類推，直至完成整個邊坡的施工過程。本發(fā)明的數(shù)值分析方法采用FLAC程序。該程序是大變形有限差分分析系統(tǒng)，采用給定迭代步(Step)來模擬開挖或加固的施工邊坡時間效應(yīng)。下面結(jié)合FLAC程序，詳細(xì)說明邊坡工程動態(tài)施工過程的數(shù)值分析和方案優(yōu)化的實施步驟(I)將邊坡工程劃分為若干施工步，施工步包括邊坡開挖、工程加固以及其他的工程維護(hù)措施；同時，在坡頂埋設(shè)邊坡變形監(jiān)測點進(jìn)行位移監(jiān)測，獲取每一施工步的邊坡巖體位移；
(2)針對第i次施工步，利用FLAC數(shù)值分析軟件和邊坡監(jiān)測信息，以及“基于安全監(jiān)控的邊坡位移反分析方法”，建立邊坡等效數(shù)值模型，進(jìn)行第i施工邊坡巖體力學(xué)與變形參數(shù)(包括巖體變形模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角和抗拉強(qiáng)度等)的反演，獲得對應(yīng)于第i次施工步邊坡巖體等效參數(shù)；
(3)根據(jù)獲得的邊坡巖體等效參數(shù)進(jìn)行邊坡數(shù)值分析，獲取當(dāng)前施工邊坡的動力響應(yīng) 曲線，即邊坡監(jiān)測點的計算位移與迭代步的關(guān)系曲線；
(4)根據(jù)第f次施工邊坡動力響應(yīng)曲線和當(dāng)前施工步獲得的監(jiān)測點的監(jiān)測位移，確定當(dāng)前(第I步)施工邊坡的數(shù)值分析迭代步。(5)根據(jù)第I次施工邊坡的等效模型和迭代步，進(jìn)行下一施工(第I +1步)邊坡數(shù)值分析和方案優(yōu)化；
(6)根據(jù)邊坡施工優(yōu)化方案，進(jìn)行下一步施工邊坡的穩(wěn)定性可靠度分析和風(fēng)險調(diào)控；
(7 )基于優(yōu)化方案和調(diào)控措施進(jìn)行下步邊坡施工和變形監(jiān)測，依次類推，直至完成整個邊坡的施工過程。本發(fā)明的主要創(chuàng)新點是基于邊坡等效數(shù)值模型建立當(dāng)前施工邊坡動力響應(yīng)曲線，并根據(jù)當(dāng)前施工步監(jiān)測信息，確定施工邊坡數(shù)值模擬的迭代步，解決邊坡工程動態(tài)施工時間效應(yīng)。本發(fā)明的重要作用在“基于安全監(jiān)控的邊坡位移反分析方法”，的基礎(chǔ)上，采用邊坡工程動力響應(yīng)曲線，解決了邊坡分步施工過程中的施工時間效應(yīng)的數(shù)值模擬技術(shù)。提高了巖土邊坡工程數(shù)值模擬的可靠性，并實現(xiàn)了邊坡工程的動態(tài)施工方案優(yōu)化和風(fēng)險調(diào)控。


圖I是本發(fā)明實例邊坡工程劃分為若干施工步示意 圖2是第I次施工的不穩(wěn)定邊坡工程動力響應(yīng)曲線示意 圖3是第I次施工的穩(wěn)定邊坡工程動力響應(yīng)曲線示意圖；圖4是邊坡典型測點不同施工步的監(jiān)測位移曲線示意具體實施例方式以下結(jié)合附圖，通過實施案例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本實施案例是以邊坡工程二維數(shù)值分析模型和FLAC程序來敘述發(fā)明的技術(shù)方案，具體的步驟如下
(I)劃分邊坡工程施工步。根據(jù)實際工程規(guī)模和施工技術(shù)，將邊坡工程劃分為若干施工步，參見附圖I。本實施案例將邊坡X程劃分為①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨、⑩共10次施工步。
(2)邊坡變形監(jiān)測布設(shè)與位移監(jiān)測。實施案例采用在坡頂埋設(shè)變形監(jiān)測點A、B、D、E、F、G和H共7個監(jiān)測點，其中H點位于坡頂，為最大位移監(jiān)測點，作為典型監(jiān)測點。在邊坡施工過程，對各監(jiān)測點進(jìn)行位移監(jiān)測。其中前6個監(jiān)測位移應(yīng)用為邊坡等效巖體參數(shù)反演和等效數(shù)值模型識別，第7個測點的監(jiān)測位移用作確定動態(tài)數(shù)值分析的迭代步；
(3)邊坡巖體參數(shù)反演與模式識別。以第⑦步作為邊坡當(dāng)前施工步進(jìn)行分析，即在完成
① ⑦施工后的邊坡參見附圖I ;采用“基于安全監(jiān)控的邊坡位移反分析方法”進(jìn)行等效巖體參
數(shù)反演,獲得當(dāng)前邊坡工程等效巖體參數(shù){JT} = { R% cs gf Ee 其參數(shù)依次為等
效抗拉強(qiáng)度、等效粘聚力、等效內(nèi)摩擦角和等效變形模量； (4)當(dāng)前施工邊坡動力響應(yīng)曲線分析。采用等效巖體參數(shù)進(jìn)行當(dāng)前施工邊坡工程的數(shù)值仿真分析，獲得當(dāng)前施工邊坡的動力響應(yīng)曲線，即典型監(jiān)測點的計算位移與迭代步的關(guān)
系曲線(見附圖2和附圖3)；
(5)確定當(dāng)前施工步邊坡工程數(shù)值分析的迭代步。根據(jù)典型測點H的監(jiān)測位移與施工步的關(guān)系曲線上第⑦施工步結(jié)束時刻監(jiān)測的位移值‘〃(附圖4)，再利用當(dāng)前施工邊坡的動力響應(yīng)曲線(附圖2或附圖3)，確定第⑦施工步邊坡工程數(shù)值分析的計算迭代步Stej ；
(6)下一次施工邊坡的穩(wěn)定性預(yù)測和施工方案的優(yōu)化設(shè)計與風(fēng)險控制。采用等效巖體參數(shù)和確定的數(shù)值分析迭代步，進(jìn)行下一步邊坡加固方案優(yōu)化設(shè)計與風(fēng)險控制。其優(yōu)化設(shè)計步驟如下①加固方案參數(shù)選取。本發(fā)明的邊坡加固方案為預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)型式，其設(shè)計參數(shù)為錨索長度i、間距仏、排距#和錨索預(yù)應(yīng)力P，以此作為優(yōu)化設(shè)計參數(shù) ’②錨固參數(shù)正交設(shè)計。對預(yù)應(yīng)力錨索加固方案的4個參數(shù)分別取3個水平，采用試驗設(shè)計表中的4
因素3水平正交試驗表，獲得9次數(shù)值計算方案，由此組成加固方案參數(shù)矩陣;同時，
根據(jù)每一個加固方案參數(shù)，計算出邊坡加固費用列向量錨固方案正交數(shù)值分析。采用第⑦施工步的等效參數(shù)和迭代步，進(jìn)行9個施工方案的計算，獲得當(dāng)前加固邊坡的安全系數(shù)1^(1_ = 1,9),由此構(gòu)成安全系數(shù)列向量邊坡安全系數(shù)與錨固參數(shù)的
回歸分析。根據(jù)加固方案參數(shù)矩陣和安全系數(shù)列向量采用數(shù)理統(tǒng)計分析中
的最小二乘法進(jìn)行回歸分析，由此建立當(dāng)前加固邊坡的安全系數(shù)與加固方案參數(shù)的回歸函數(shù)Fs=f(Lsa,e:P) 邊坡加固費用與錨固參數(shù)的回歸分析。根據(jù)加固方案參數(shù)矩陣
和錨固成本列向量,采用數(shù)理統(tǒng)計分析中的最小二乘法進(jìn)行回歸分析，由此建立當(dāng)前加固邊坡的費用與加固方案參數(shù)的回歸函數(shù):C=G(L,a,e,P) 建立當(dāng)前施工步加固方案優(yōu)化模型。以邊坡加固費用為優(yōu)化目標(biāo)，以加固邊坡的安全系數(shù)為約束條件，建立邊坡加固方案優(yōu)化模型
目標(biāo)函數(shù)AfiwC = MinG (L. a, e. P)
約束條件A =/(厶(: ^為邊坡臨界安全系數(shù))
⑦求解優(yōu)化模型。求解邊坡加固方案的優(yōu)化模型，獲得當(dāng)前施工步加固方案的優(yōu)化參MLL ,a ,e ,P。(7)當(dāng)前施工邊坡的安全評價與風(fēng)險預(yù)測。采用上一施工步的邊坡巖體等效參數(shù)、迭代步和優(yōu)化錨固參數(shù)，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性可靠度分析，其分析步驟如下
①選擇邊坡穩(wěn)定性分析的不確定性參數(shù)?？紤]到當(dāng)前施工步施工邊坡等效巖體參數(shù)的影響，造成邊坡巖體參數(shù)存在不確定性，為此選取當(dāng)前施工步的巖體力學(xué)參數(shù) (作為隨機(jī)變量，選擇邊坡等效巖體參數(shù)作為均值，BP^ ；
②確定隨機(jī)變量的變異性參數(shù)。借鑒錨固巖體力學(xué)強(qiáng)化效應(yīng)的工程經(jīng)驗，確定每一個隨機(jī)變量的變異性，即確定每一隨機(jī)變量的均方差為③采用均值加減I倍均方差和均值，構(gòu)成隨機(jī)變量的3個水平值，由此構(gòu)成了 4個隨機(jī)變量的4因素3水平的9個正交數(shù)值分析方案，此時隨機(jī)巖體參數(shù)矩陣為[忍]W4 ；
④針對每一個方案的巖體力學(xué)參數(shù)和優(yōu)化設(shè)計錨固參數(shù),進(jìn)行9次正交數(shù)值試驗，獲得9個加固邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)列向量Ii^9xl ；
⑤根據(jù)隨機(jī)巖體參數(shù)矩陣和邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)列向量,采用響應(yīng)面法
建立當(dāng)前施工步邊坡的響應(yīng)面函數(shù)作為可靠度分析的極限狀態(tài)函數(shù)；
⑥采用可靠度分析中JC法，求解當(dāng)前施工步邊坡的失穩(wěn)概率，由此預(yù)測當(dāng)前施工加固邊坡的失穩(wěn)風(fēng)險。(8)當(dāng)前施工邊坡風(fēng)險控制。根據(jù)當(dāng)前施工邊坡的失穩(wěn)風(fēng)險，采取適當(dāng)措施進(jìn)行邊坡失穩(wěn)風(fēng)險調(diào)控，實現(xiàn)邊坡工程的安全和經(jīng)濟(jì)的運行。(9)下一施工步的穩(wěn)定性分析和風(fēng)險調(diào)控。根據(jù)優(yōu)化調(diào)控邊坡施工方案進(jìn)行邊坡施工，并繼續(xù)進(jìn)行邊坡變形監(jiān)測。依次進(jìn)行下一步施工步邊坡等效巖體參數(shù)反演，并根據(jù)典型測點的監(jiān)測位移和動力響應(yīng)曲線，確定邊坡數(shù)值計算的迭代步，由此進(jìn)行下步施工方案優(yōu)化和風(fēng)險調(diào)控。如此依次進(jìn)行，直至完成整個邊坡工程的施工階段。本發(fā)明首先是解決邊坡工程分步施工過程施工時間效應(yīng)的數(shù)值模擬方法，即根據(jù)監(jiān)測位移和動力響應(yīng)曲線確定數(shù)值模擬的迭代步；然后，基于等效巖體參數(shù)和數(shù)值模擬計算迭代步，進(jìn)行下一步邊坡施工方案的優(yōu)化設(shè)計；最后，考慮施工對邊坡巖體參數(shù)的影響，以工程邊坡巖體參數(shù)作為隨機(jī)變量，進(jìn)行下一步施工(加固)邊坡的穩(wěn)定性可靠度分析和風(fēng)險預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測風(fēng)險進(jìn)行邊坡的風(fēng)險調(diào)控，實現(xiàn)邊坡工程的安全、經(jīng)濟(jì)和可靠運行。
權(quán)利要求
1.一種基于監(jiān)測信息的邊坡施工過程的穩(wěn)定性數(shù)值分析與優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于通過施工邊坡的動力響應(yīng)曲線來解決分步施工邊坡數(shù)值分析的時間效應(yīng)問題，包含如下步驟a、基于邊坡坡頂或坡面變形監(jiān)測，進(jìn)行巖體等效參數(shù)反演，獲得對應(yīng)于當(dāng)前施工步的等效巖體參數(shù)，建立邊坡等效數(shù)值分析模型山、借助于邊坡等效數(shù)值模型和典型測點的監(jiān)測信息，確定考慮動態(tài)施工的時間效應(yīng)的數(shù)值分析迭代步；C、以等效數(shù)值模型和迭代步，進(jìn)行下一施工步數(shù)值分析和方案優(yōu)化設(shè)計；d、根據(jù)優(yōu)化設(shè)計方案進(jìn)行下一步施工邊坡的可靠度分析與風(fēng)險預(yù)測；e、根據(jù)下一步施工步邊坡的預(yù)測風(fēng)險，進(jìn)行邊坡施工方案的風(fēng)險調(diào)控；f、根據(jù)優(yōu)化設(shè)計方案和風(fēng)險調(diào)控措施，進(jìn)行下步邊坡工程的施工和變形監(jiān)測；g、依次類推，直至完成整個邊坡工程的動態(tài)分析和實施方案優(yōu)化設(shè)計。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于監(jiān)測信息的邊坡施工過程數(shù)值分析與優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于使用的目前國內(nèi)外通用的FLAC軟件系統(tǒng)，以設(shè)定的迭代步來模擬邊坡穩(wěn)定性與施工時間的關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于監(jiān)測信息的邊坡施工過程數(shù)值分析與優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于采用施工邊坡的動力響應(yīng)曲線和典型測點的監(jiān)測位移，來確定分步施工的時間效應(yīng)的迭代步 (1)劃分邊坡工程施工步；將邊坡工程劃分為若干施工步，于邊坡施工前在坡頂埋設(shè)變形監(jiān)測點對邊坡變形進(jìn)行實時監(jiān)測，從而獲得不同施工步所對應(yīng)的位移監(jiān)測值； (2)為當(dāng)前施工步進(jìn)行巖體參數(shù)反演，建立邊坡等效模型； (3)計算當(dāng)前施工步邊坡的動力響應(yīng)曲線； (4)確定分步施工時間效應(yīng)的數(shù)值模擬迭代步； (5)進(jìn)行下步施工方案的優(yōu)化設(shè)計； (6)進(jìn)行下步施工邊坡的穩(wěn)定性可靠度分析和風(fēng)險預(yù)測； (7)進(jìn)行下步施工步邊坡方案的風(fēng)險調(diào)控； (8)根據(jù)優(yōu)化設(shè)計方案和風(fēng)險調(diào)控措施進(jìn)行邊坡施工和變形監(jiān)測； (9)依次類推，直至完成整個邊坡的施工。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于監(jiān)測信息的邊坡施工過程的穩(wěn)定性數(shù)值分析與優(yōu)化設(shè)計方法，屬于巖土邊坡工程動態(tài)施工、優(yōu)化設(shè)計和風(fēng)險防控的技術(shù)領(lǐng)域。技術(shù)方案是基于邊坡監(jiān)測信息，建立當(dāng)前施工步邊坡的等效參數(shù)反演和分步施工時間效應(yīng)分析，由此獲得對應(yīng)于當(dāng)前施工步的等效數(shù)值模型和數(shù)值模擬迭代步；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行下步施工邊坡方案的優(yōu)化設(shè)計和邊坡工程的穩(wěn)定性可靠度分析與風(fēng)險預(yù)測；最后根據(jù)預(yù)測的邊坡失穩(wěn)風(fēng)險進(jìn)行調(diào)控和施工，并進(jìn)一步開展變形監(jiān)測和動態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計，直至完成整個邊坡的施工。本發(fā)明在“基于安全監(jiān)控的邊坡位移反分析方法”的基礎(chǔ)上，重點解決邊坡工程分步施工過程的時間效應(yīng)的數(shù)值模擬技術(shù)，并發(fā)明了邊坡動態(tài)施工過程的施工方案優(yōu)化與風(fēng)險調(diào)控分析方法。
文檔編號G06F17/50GK102789516SQ201210158128
公開日2012年11月21日 申請日期2012年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月21日
發(fā)明者南世卿, 宋愛東, 張光存, 李剛, 王金安, 董璐, 高謙 申請人:河北鋼鐵集團(tuán)有限公司, 河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司