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CN111985041B - 一种加固边坡挡墙高度确定方法及加固边坡挡墙 - Google Patents

一种加固边坡挡墙高度确定方法及加固边坡挡墙 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种加固边坡挡墙高度确定方法及加固边坡挡墙,包括以下步骤:建立加固边坡的数学模型,产生多个土层参数样本;计算多个土层参数样本的安全系数,得到安全系数小于1的多个不稳定样本;确定不同设定挡墙高度下的不稳定样本的稳定状态,得到在不同设定挡墙高度下发生不稳定失效的不稳定样本的个数,进而得到设定挡墙高度与边坡的失效概率的关系;根据得到的设定挡墙高度与失效概率关系确定施工所需要的挡墙高度值,采用本发明方法,能够有效降低边坡的失效概率。

Description

一种加固边坡挡墙高度确定方法及加固边坡挡墙
技术领域
本发明涉及加固边坡稳定程度评估与灾害防治技术领域,具体涉及一种加固边坡挡墙高度确定方法及加固边坡挡墙。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术,而不必然地构成现有技术。
在山区建设公路、铁路时,通常会遇到沿着山边修筑轨道,这样铁路的一侧或两侧往往会出现山体边坡,由于地质环境及气候环境的影响,这些边坡会出现水土流失、边坡裂缝导致山体滑坡,因此,山体边坡的加固尤为重要。目前,边坡防护的方式主要有两类,分别为支挡结构防护和坡面防护。支挡结构防护主要有抗滑桩、挡墙和锚杆等;坡面防护主要是喷混凝土和铺设防护网等。但发明人发现,在边坡防护时,往往加固后的边坡仍会出现山体滑坡的情况,因此在边坡防护领域,亟需一种可以对挡土墙高度进行预先优化设计以降低其失效概率的新方法。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足,提供一种加固边坡挡墙高度确定方法,能够挡在墙施工前对挡墙高度进行优化设计,降低了施工后边坡的失效概率。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
第一方面,本发明的实施例提供了一种加固边坡挡墙高度确定方法,包括以下步骤:
建立加固边坡的数学模型,产生多个土层参数样本;
计算多个土层参数样本的安全系数,得到安全系数小于1的多个不稳定样本;
确定不同设定挡墙高度下的不稳定样本的稳定状态,得到在不同设定挡墙高度下发生不稳定失效的不稳定样本的个数,进而得到挡墙高度与边坡的失效概率的关系;
根据得到的挡墙高度与失效概率关系确定施工所需要的挡墙高度值。
结合第一方面,本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式,利用随机方法产生多个土层参数样本。
结合第一方面,本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式,利用极限平衡法计算多个土层参数样本的安全系数。
结合第一方面,本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式,通过光滑粒子流体动力学方法确定不同设定挡墙高度下的不稳定样本的稳定状态。
结合第一方面,本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式,将多个不稳定样本按照安全系数由大到小进行降序排列,并依次利用光滑粒子流体动力学方法进行稳定状态的分析,计算得到的第一个发生不稳定失效的不稳定样本为临界不稳定样本,剩余未计算的不稳定样本均为发生不稳定失效的样本。
结合第一方面,本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式,如果计算得到的所有不稳定样本均未发生不稳定失效,则安全系数最小的不稳定样本为临界不稳定样本。
结合第一方面,本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式,设定挡墙高度下的不稳定样本的稳定状态分析的具体方法为:如果利用光滑粒子流体动力学方法计算得到的加固边坡数学模型的边坡粒子越过挡墙顶面靠近边坡的端点,则对应的不稳定样本发生不稳定失效。
结合第一方面,本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式,如果利用光滑粒子流体动力学方法计算得到的边坡数学模型的边坡粒子未越过挡墙顶面靠近边坡的端点,在挡墙顶面靠近边坡的端点作水平线,确定水平线与加固边坡数学模型滑动后坡面的交点的第一水平坐标值,计算第一水平坐标值与参考端点的第二水平坐标值的差值,如果差值为0,则对应的不稳定样本发生不稳定失效,否则为未发生不稳定失效的不稳定样本,继续进行下一个不稳定样本的计算。
结合第一方面,本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式,所述失效概率为发生不稳定失效的不稳定样本个数与土层参数样本总数的比值。
第二方面,本发明的实施例提供了一种加固边坡挡墙,采用第一方面所述的方法获得。
本发明的有益效果:
本发明的加固挡墙高度确定方法,通过建立加固边坡挡模型,并产生多个不稳定样本,通过不同设定挡墙高度下对每个不稳定样本进行稳定性分析,得到了不同挡墙高度下的边坡的失效概率,进而能够得到期望失效概率下对应的最优的挡墙高度,使得边坡的失效概率降低,能够为边坡挡墙的设计提供依据和指导,降低后期挡墙施工后边坡失效的概率,避免了山体滑坡现象。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例设计方法流程图;
图2为本发明实施例步骤3临界不稳定样本确定流程图;
图3为本发明实施例1边坡示意图;
图4为本发明实施例1不同设定挡墙高度下土层参数样本中的不稳定失效样本和稳定样本个数图;
图5为本发明实施例1挡墙高度与边坡失效概率关系曲线图;
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的,目前边坡采用挡墙加固后仍然会出现山体滑坡的现象,亟需一种可以预先对挡墙高度进行优化设计的方法以降低边坡挡墙的失效概率,本申请提出了一种加固边坡挡墙高度确定方法。
本申请的一种典型实施例1中,如图1所示,一种加固边坡挡墙高度确定方法,包括以下步骤:
步骤1::根据实际的边坡相关参数建立加固边坡的数学模型,确定边坡几何尺寸和参数的概率分布类型,根据土体不确定性参数的统计量(如均值、标准差)利用随机方法产生N个土层参数样本X1,X2,……,XN
步骤2:基于极限平衡方法运用Win-BatchTM调用Geo-Studio中Slope/W模块对N个土层参数样本进行批处理计算出其相应的安全系数Fs1,Fs2,……,FsN;在得到的N个安全系数中,将安全系数小于1的m个不稳定样本按照其安全系数fs1,fs2,fs3,……,fsm由大到小进行降序排列,m个不稳定样本为Z1,Z2,Z3,……,Zm
步骤3:如图2所示,给出一系列设定挡墙高度,记为H1,H2,H3,……Hp,确定不同设定挡墙高度下的不稳定样本的稳定状态。
例如:针对某一设定挡墙高度Hi,结合光滑粒子流体动力学方法,依次对按照安全系数由大到小降序排列的m个不稳定样本进行稳定状态计算,计算得到的第一个发生不稳定失效的不稳定样本为临界不稳定样本,其余未计算的Zc+1…Zm均为发生不稳定失效的不稳定样本。
稳定状态计算的具体方法为:给定某一设定挡墙高度Hi,初始化不稳定失效样本计数器j=0,将不稳定样本Zj的土的重度、粘聚力、内摩擦角等参数代入光滑粒子流体动力学方法,计算边坡的滑动状态,如果加固边坡数学模型的边坡粒子越过挡墙顶面靠近边坡的端点,则可判定不稳定样本Zj为临界不稳定样本Zc。如果边坡加固数学模型的边坡粒子未越过挡墙顶面靠近边坡的端点,则在挡墙顶面靠近边坡的端点处做水平线,挡墙顶面靠近边坡的端点的坐标值为(xr,yr),其中xr为第二水平坐标值,确定水平线与加固边坡数学模型滑动后坡面的交点位置(xc,yc),其中xc为第一水平坐标值,计算第一水平坐标值和第二水平坐标值的差值△=xc-xr,如果△=0,则不稳定样本Zj为临界不稳定样本Zc,否则不稳定样本Zj为未发生不稳定失效的样本,Zj的稳定状态分析完成后,执行j=j+1,对下一个不稳定样本进行稳定性分析,采用相同的方法,完成多个不稳定样本的分析,直至找出临界不稳定样本。
如果m个不稳定样本分析完成后,所有不稳定样本均未发生不稳定失效,则临界不稳定样本为安全系数最小的不稳定样本Zm
剔除Z1-Zc未发生不稳定失效的不稳定样本,剩余发生不稳定失效的不稳定样本个数与土层参数样本总数的比值为边坡的失效概率pfi=(m-c)/N。
采用相同的方法,获取其他设定挡墙高度下的边坡的失效概率,直至获得pf1,pf2,pf3,……,pfp
步骤4:根据设定挡墙高度Hi及其对应的边坡的失效概率pfi绘制挡墙高度与边坡的失效概率关系曲线,根据期望的边坡失效概率,查询曲线确定施工时需要的挡墙高度值。
本实施方式的一个具体实施方式中:
如图3所示,边坡坡高16.3m,坡面水平投影长12.3m,坡角30°。该处工程原始边坡土层分别为粉质粘土、砂岩Ⅲ、砂岩Ⅳ。施工时首先清除左侧段溜坍部分,坡体沿底面挖台阶,台阶宽度2.0m。另外左侧路堑边坡坡率恢复1:1.75。边坡坡面至原坡面或坍塌底面夯填粗颗粒土。①层粗颗粒土粘聚力c为1kPa、内摩擦角φ为35°、容重γ为21kN/m3;②层粉质粘土粘聚力c为8kPa、内摩擦角φ为20°、容重γ为19kN/m3。
在Geo-Studio的Slope/W模块中建立加固边坡数学模型,考虑了夯填粗颗粒土和粉质粘土的参数不确定性,将①层土摩擦角(φ)和②层土的粘聚力(c)、摩擦角(φ)视为对数正态随机变量。利用随机方法产生5000个土层参数样本X1,X2,……,X5000,基于极限平衡方法运用Win-BatchTM调用Geo-Studio中Slope/W模块对5000个土层参数样本进行批处理计算其相应的N=5000个安全系数。
在N=5000个安全系数中,若Fsi<1,则称Xi为不稳定样本,如此重复进行共获取m个不稳定样本,其相应的安全系数记为fs1,fs2,fs3,……,fsm,m为不稳定样本的个数,按照安全系数由大到小进行降序排列,记为:记为Z1,Z2,Z3,……,Zm;;
给出一系列设定挡墙高度值,本实施例中H的设计值分别为H1=1.0m,H2=1.2m,H3=1.4m,H4=1.6m,H5=1.8m,H6=2.0m,H7=2.2m,H8=2.4m,H9=2.6m,H10=2.8m,H11=3.0m,H12=3.2m,H13=3.4m,针对某一挡墙高度Hi,确定临界不稳定样本Zc;剔除Z1~Zc的不稳定样本,可以得出挡墙在加高不同高度下的不稳定样本中发生不稳定失效的个数,如图4所示;计算挡墙高度Hi下,边坡的失效概率pfi=(m-c)/N,重复进行,可以获得pf1=27.20%,pf2=20.98%,pf3=16.20%,pf4=8.22%,pf5=3.70%,pf6=2.58%,pf7=2.00%,pf8=0.84%,pf9=0.50%,pf10=0.44%,pf11=0.24%,pf12=0.04%,pf13=0,利用(Hi,pfi),i=1,2,3,……,13绘制挡墙高度与失效概率关系曲线,如图5所示,根据期望失效概率,查询曲线根据期望的边坡失效概率确定挡墙高度值。
本实施例的方法,通过建立加固边坡挡模型,并产生多个不稳定样本,通过不同设定挡墙高度下对每个不稳定样本进行稳定性分析,得到了不同挡墙高度下的边坡的失效概率,进而能够通过期望失效概率得到最优的挡墙高度,使得边坡的失效概率降低,能够为边坡挡墙的设计提供依据和指导,降低后期挡墙施工后边坡失效的概率,避免了山体滑坡现象。
本申请的另一个实施例2中,公开了一种加固边坡挡墙,采用实施例1所述的加固边坡挡墙高度确定方法获得。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种加固边坡挡墙高度确定方法,其特征在于,包括以下步骤:
建立加固边坡的数学模型,产生多个土层参数样本;
计算多个土层参数样本的安全系数,得到安全系数小于1的多个不稳定样本;
通过光滑粒子流体动力学方法确定不同设定挡墙高度下的不稳定样本的稳定状态;
得到在不同设定挡墙高度下发生不稳定失效的不稳定样本的个数,具体方法为:将多个不稳定样本按照安全系数由大到小进行降序排列,并依次利用光滑粒子流体动力学方法进行稳定状态的分析,计算得到的第一个发生不稳定失效的不稳定样本为临界不稳定样本,剩余未计算的不稳定样本均为发生不稳定失效的样本,如果计算得到的所有不稳定样本均未发生不稳定失效,则安全系数最小的不稳定样本为临界不稳定样本;
进而得到挡墙高度与边坡的失效概率的关系,失效概率为发生不稳定失效的不稳定样本个数与土层参数样本总数的比值;
根据得到的挡墙高度与失效概率关系确定施工所需要的挡墙高度值。
2.如权利要求1所述的加固边坡挡墙高度确定方法,其特征在于,利用随机方法产生多个土层参数样本。
3.如权利要求1所述的加固边坡挡墙高度确定方法,其特征在于,利用极限平衡法计算多个土层参数样本的安全系数。
4.如权利要求1所述的加固边坡挡墙高度确定方法,其特征在于,设定挡墙高度下的不稳定样本的稳定状态分析的具体方法为:如果利用光滑粒子流体动力学方法计算得到的加固边坡数学模型的边坡粒子越过挡墙顶面靠近边坡的端点,则对应的不稳定样本发生不稳定失效。
5.如权利要求4所述的加固边坡挡墙高度确定方法,其特征在于,如果利用光滑粒子流体动力学方法计算得到的加固边坡数学模型的边坡粒子未越过挡墙顶面靠近边坡的端点,在挡墙顶面靠近边坡的端点作水平线,确定水平线与加固边坡数学模型滑动后坡面的交点的第一水平坐标值,计算第一水平坐标值与参考端点的第二水平坐标值的差值,如果差值为0,则对应的不稳定样本发生不稳定失效,否则为未发生不稳定失效的不稳定样本,继续进行下一个不稳定样本的计算。
6.一种加固边坡挡墙,其特征在于,采用权利要求1-5任一项所述的加固边坡挡墙高度确定方法获得。
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