一种地震波入射方向影响下三维边坡抗力特性分析方法

本发明属于岩土工程、地质灾害与边坡抗震数值仿真，尤其涉及一种地震波入射方向影响下三维边坡抗力特性分析方法。

背景技术：

1、山区广泛分布黄土边坡，地震作用极易诱发滑坡地质灾害。现有边坡地震稳定性数值仿真分析大多简化地震输入条件，默认采用地震波垂直入射边坡底面开展仿真计算，忽略地震波入射角、空间方位角变化带来的动力扰动差异。

2、现有技术存在如下缺陷：

3、未开展入射角与方位角全组合工况仿真，无法定位三维边坡空间维度上最不利地震入射方向；缺少惠更斯波前传播原理支撑的斜入射精准加载手段，斜入射地震波在三维边坡模型边界加载精度差。

4、因此，有必要提供一种新的地震波入射方向影响下三维边坡抗力特性分析方法解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是提供一种精准模拟p波、sv波、sh波不同入射角-方位角全组合斜入射工况，识别边坡最不利地震入射方向，揭示反射、波型转换、射线汇聚叠加放大的内在机制，输出抗震修正系数，提升山区三维边坡抗震评估可靠性的地震波入射方向影响下三维边坡抗力特性分析方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的地震波入射方向影响下三维边坡抗力特性分析方法包括包括以下步骤：s1、三维数值建模；s2、全维度地震波入射工况构建；s3、闭环迭代求解临界抗震抗力；s4、抗力调控机理定量解析；s5、工程修正与抗震评估输出；s6、数据库归档与工程复用迭代。

3、在步骤s1中，通过采集目标三维边坡现场地质勘查数据，获取边坡几何形态、岩土物理力学参数、土层分层信息；基于惠更斯波前传播原理，结合flac3d有限差分平台构建匹配真实地形地质的三维边坡数值模型，设置模型静态边界、岩土本构模型、阻尼参数，完成地应力平衡初始化；

4、在步骤s2中，通过构建地震波入射方向耦合参数集，所述耦合参数集包含地震波类型、入射角、方位角；所述地震波类型包含p波、sv波、sh波；入射角取值区间0°-75°，方位角取值区间0°-315°，对入射角、方位角做全组合工况遍历；

5、在步骤s3中，采用以塑性区完全贯通作为三维边坡失稳判别阈值，对每一组入射组合工况采用增量加载方式迭代输入地震波，实时采集边坡模型内部塑性区分布、加速度响应时程序列；采用二分迭代算法求解各工况下边坡对应的临界峰值加速度；

6、在步骤s4中，通过建立入射方向-临界峰值加速度映射关系模型，计算不同地震波类型下临界峰值加速度随入射角、方位角的变化函数：

7、

8、式中：为临界峰值加速度，单位g；为地震波入射角，单位°；

9、为地震波方位角，单位°；为地震波振型类型，包括p波、sv波、sh波；

10、在步骤s5中，通过提取最不利入射组合方向，结合弹性波动理论计算边坡坡面反射系数、波型转换系数，量化坡后入射波射线汇聚效应，解析地震波入射方向通过反射强度、波型转换、反射波叠加放大效应对边坡抗力的调控机制；

11、在步骤s6中，通过输出边坡抗震抗力评估结果，对比地震波垂直入射工况与全角度入射工况的临界峰值加速度差异，输出边坡抗震能力修正系数，用于山区边坡抗震设计与稳定性评估；

12、其中，在s3步骤迭代求解临界峰值加速度过程中设置闭环反馈逻辑：当监测到塑性区未贯通时，增大输入地震波峰值加速度继续迭代；当塑性区判定为完全贯通时，回退上一级加速度幅值作为该工况临界峰值加速度；当迭代步长小于预设精度阈值，终止该工况计算，进入下一入射组合工况仿真。

13、作为本发明的进一步方案，在步骤s1中基于惠更斯波前传播原理构建三维边坡数值模型具体包括：将地震波前上离散的每一个网格节点等效为子波振动源，子波传播半径：；为岩土介质剪切波速，为数值计算时间步；由全部子波包络面更新每计算时刻地震波在边坡介质内部波前位置，实现斜入射地震波在三维边坡模型边界精准加载。

14、作为本发明的进一步方案，在步骤s1中岩土本构模型选用摩尔-库伦本构模型，模型设置静态自由场粘性边界，消除数值模型边界地震波反射伪影；地应力平衡完成判据：模型整体最大不平衡力与总外力比值小于。

15、作为本发明的进一步方案，在步骤s2中入射角采样间隔设置5°-15°，方位角采样间隔设置22.5°-45°，形成离散全组合仿真工况矩阵；地震波采用ricker子波作为输入震源波形，子波中心频率匹配边坡岩土介质卓越频率。

16、作为本发明的进一步方案，在步骤s3中塑性区完全贯通判定方法：统计边坡模型从坡脚至坡顶贯通路径上全部单元塑性状态，当贯通路径上塑性单元占比大于等于95%，判定塑性区贯通，边坡达到失稳临界状态。

17、作为本发明的进一步方案，在步骤s3中所述二分迭代算法：设置加速度搜索区间，迭代精度阈值取0.005g；每轮取区间中点输入模型，依据塑性区贯通反馈结果更新搜索上下限，直至，取区间中值作为该工况临界峰值加速度。

18、作为本发明的进一步方案，在步骤s5中坡面反射系数计算公式为：

19、

20、式中：为入射侧岩土介质波阻抗，单位kg/(m2⋅s)；

21、为透射侧岩土介质波阻抗，单位kg/(m2⋅s)；

22、为地震波入射角，单位°；

23、为地震波反射角，单位°；

24、通过反射系数表征坡面地震波反射放大程度；波型转换系数表征p、sv、sh波在边坡岩土界面发生波型转换的能量占比。

25、作为本发明的进一步方案，在步骤s5中坡后入射波射线汇聚效应识别：统计坡后入射条件下边坡内部网格单元地震动叠加幅值，当局部单元振动幅值较入射原始幅值放大系数大于1.3，判定该区域为波射线汇聚放大区，作为边坡优先破坏部位。

26、作为本发明的进一步方案，在步骤s6中边坡抗震能力修正系数kcorr计算公式为：，

27、式中：为地震波垂直入射时边坡临界峰值加速度，单位g；

28、为最不利入射方向对应的边坡临界峰值加速度，单位g；

29、将修正系数引入边坡抗震安全系数计算，修正仅采用垂直地震波输入带来的评估偏差。

30、作为本发明的进一步方案，将获得的最不利地震波入射组合、临界峰值加速度、抗震能力修正系数输出至边坡抗震设计模块，用于边坡支护结构参数选型，实现考虑地震波斜入射方位效应的三维边坡定量抗震评估。

31、与相关技术相比较，本发明提供的地震波入射方向影响下三维边坡抗力特性分析方法具有如下有益效果：

32、本发明引入惠更斯波前传播原理，将波前网格节点等效子波源更新每时刻边坡内部地震波波前，实现p波、sv波、sh波任意入射角、方位角三维斜入射精准加载，抑制模型边界虚假反射，克服传统简化斜入射加载失真缺陷，仿真结果贴合真实地震波传播物理过程。

33、本发明采用塑性区贯通作为边坡失稳判据，嵌入二分迭代闭环反馈流程，自动增减地震加速度输入，迭代精度可控；无需人工反复试算，批量求解全工况临界峰值加速度，大幅降低仿真人力成本，保证不同入射工况结果横向可对比。

34、本发明引入坡面反射系数、波型转换系数，量化坡后入射波射线汇聚效应；明确入射角、方位角如何通过反射强度、波型转换、反射波叠加放大改变边坡抗力，定位边坡最不利地震入射方向，解决现有技术只能定性描述、缺少定量指标的痛点。