[發明專利]巖質邊坡楔形體最優錨固角的計算方法

有效

• 申請號: 201310206747.8
• 申請日: 2013-05-30
• 公開（公告）號: CN103266617A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發明（設計）人: 李澤;張立翔;曾云
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: E02D17/20
• 分類號: E02D17/20;G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及巖質邊坡加固的計算方法，特別涉及一種巖質邊坡中楔形體的加固計算方法，屬于巖質邊坡穩定性分析和加固技術領域。

背景技術

在我國水電、交通、礦山等工程的建設過程中，會碰到各種類型的巖質邊坡穩定性問題，其中楔形體的穩定性問題是最常見的一種。錨桿（預應力錨桿或預應力錨索）是加固楔形體的最主要手段。錨桿對提高楔形體穩定性的機理包括兩個方面：一是錨桿的錨固力減少了楔形體的下滑力，即錨固力沿楔形體滑動方向的分力與楔形體的滑動方向相反；二是錨桿的錨固力增加了楔形體的抗滑力，即錨固力增加了楔形體滑面上的正壓力，從而增加了滑面上的摩擦力。如何提高錨桿的加固效果，以達到安全經濟的目的，是楔形體加固優化設計的重要內容。

錨桿對楔形體的錨固作用取決于兩個方面：錨固力的大小和錨固力的方向。如果當錨固力的大小一定時，改變錨固力的方向，可以調節楔形體的下滑力和抗滑力，即改變錨桿的加固效果。在當前楔形體加固設計中，錨桿布設方向一般是人為設定的，其加固效果具有一定的隨機性。因此當前楔形體錨固設計過程中還存在許多亟待解決的問題，比如：

（1）錨固力的最優方向難以確定，尤其是空間體型復雜的楔形體，錨桿布設的位置、角度都難于計算。

（2）缺乏力學概念清晰的確定錨固最優角的計算模型。楔形體的穩定性問題是一個超靜定的力學問題，在考慮錨固角度后，其超靜定次數還會增加，給數值求解造成困難。

基于上述分析，本發明提出了一種巖質邊坡楔形體最優錨固角的計算方法，應用該方法可以得到楔形體的最優錨固方向，即在相同大小的錨固力條件下，達到最佳的錨固效果。

發明內容

本發明的目的是提供一種楔形體最優錨固力方向角的計算方法，以實現錨桿錨固效果的最大化，并為楔形體的錨固最優化設計提供一種新的方法和手段。

本發明的基本原理是：本發明基于塑性力學的基本理論，假設楔形體為剛性塊體、假設楔形體滑面上的法向力與剪力滿足Mohr-Coulomb屈服條件，將楔形體錨固力的方向角作為優化變量，建立以楔形體的穩定安全系數作為目標函數并同時滿足平衡條件、屈服條件和邊界條件的非線性數學規劃模型，最后使用優化算法求解使穩定安全系數最大的錨固力最優錨固方向角。

本發明通過下列技術方案實現：一種巖質邊坡楔形體最優錨固角的計算方法：

1、擬定楔形體邊坡參數：

根據楔形體的實際情況，擬定其地質條件、結構面產狀、結構面的強度參數、荷載條件、巖體材料參數、錨桿參數等信息；

2、建立求解楔形體最優錨固角的非線性數學規劃模型：

以錨固力的方向角為優化變量，以楔形體安全系數為目標函數，建立滿足楔形體巖塊的平衡條件、滑面的屈服條件以及邊界條件的約束條件，形成求解楔形體最優錨固角且使安全系數最大的非線性數學規劃模型。

上述方法具體經過下列各步驟：

（1）加錨楔形體的力學受力分析

對于如圖1所示的楔形體邊坡，楔形體巖塊的形心上作用有力向量為???????????????????????????????????????????????，分別為在總體坐標系坐標軸（X，Y，Z）方向上的分量，如圖2所示；

假設楔形體上布設的錨桿的錨固力通過楔形體巖塊的形心，如圖3所示，錨固力與總體坐標系坐標軸（X，Y，Z）的夾角分別為；

楔形體共包括兩個滑面：第一個滑面為△ABO，第二個滑面為△CBO，線BO為兩滑面的交線，如圖4所示；滑面上的局部坐標系定義為（，，），平行于交線BO，垂直于交線BO，為滑面法線方向，為總體坐標系和滑面局部坐標之間的轉換矩陣；第一個滑面△ABO的形心上作用的力向量為，其中、為剪力，為法向力；第二個滑面為△CBO的形心上作用的力向量為，其中、為剪力，為法向力；

（2）目標函數

對于楔形體的穩定性問題，將強度儲備系數作為安全系數，將楔形體滑面的強度儲備系數作為目標函數，并尋求其最大值；定義強度儲備系數為，其中，分別為楔形體滑面原始的凝聚力和摩擦角，，分別為楔形體滑面進行強度折減以后的凝聚力和摩擦角；

（3）約束條件

約束條件包括：巖塊的平衡條件、滑面的屈服條件、邊界條件；

①巖塊的平衡方程：

對于楔形體巖塊形心受力，其受到外力、結構面上的剪力、結構面上的法向力以及錨固力而保持平衡，其平衡方程為：