一种基于块石参数重构的土石混合边坡安全系数计算方法及系统与流程

本发明涉及岩土工程数值分析与边坡稳定性，尤其涉及一种基于块石参数重构的土石混合边坡安全系数计算方法及系统。

背景技术：

1、土石混合体边坡广泛分布于水电、交通、矿山及山区工程中，其内部由土体、块石及孔隙共同组成，具有显著的非均质性和结构随机性。与均质土坡或岩质边坡相比，土石混合体边坡中块石的粒径大小、几何形状、空间分布及嵌挤关系会改变边坡内部的应力传递路径和局部变形特征。在数值计算过程中合理表征块石几何特征及空间分布，是获得土石混合体边坡计算结果的重要基础。

2、现有土石混合体边坡数值计算方法主要有两种：（1）将土体与块石等效为连续均质材料，并采用统一的等效力学参数进行计算，该方法能够降低几何建模和网格划分难度，但无法直接反映离散块石对局部应力传递、变形集中以及潜在破坏路径的影响，尤其在块石含量较高或块石尺寸较大时，等效均质模型与实际土石结构之间存在明显差异。（2）在计算模型中显式建立块石区域，但通常采用圆形、椭圆形或规则多边形对块石进行几何简化，或者通过单次随机生成确定块石的位置和方向。上述方法难以同时保持现场块石的实际形态特征、目标粒径级配和空间随机性；当采用不同随机块石分布时，所得计算模型及安全系数还可能存在离散性，仅采用单一随机模型难以表征该离散影响。

3、在需要建立多组随机块石模型时，块石几何生成、位置调整、重叠检查、含石量校核、有限元模型导入、材料区域识别、网格划分以及计算结果整理通常涉及大量重复操作。现有流程中各环节之间缺少统一的数据传递和自动控制方式，不利于按照相同级配条件连续生成多组块石空间分布不同的计算模型并对计算结果进行统计。

4、因此，亟需一种能够同时考虑块石真实形态参数、粒径级配、空间分布随机性，并可自动生成多组模型、自动导入有限元软件并进行统计分析的土石混合体边坡安全系数计算方法及自动化系统，以提高边坡稳定性评价的真实性、代表性和工程应用价值。

技术实现思路

1、发明目的：为克服现有技术中难以真实表征块石形状特征、难以反映空间分布随机性以及自动化程度低的不足，本发明提供了一种基于块石参数重构的土石混合边坡安全系数计算方法及系统，能够真实反映块石形状、几何形态及空间分布随机性对边坡安全系数的影响，降低单一随机模型分析的偶然性，提高土石混合体边坡稳定性分析结果的代表性、可靠性和自动化程度。

2、技术方案：为了实现上述目的，本发明基于块石参数重构的土石混合边坡安全系数计算方法，包括如下步骤：

3、1)根据土石混合边坡的地质资料及对现场取样筛分所得的颗粒粒径级配信息，确定二维块石随机建模参数；包括步骤1.1)～1.4)：

4、1.1) 根据地质勘探资料获取土石混合边坡的几何轮廓和坡高，建立二维土石混合边坡模型计算域。

5、1.2) 根据边坡的坡高确定颗粒的土-石阈值粒径：；式中，为土石混合体边坡坡高；将粒径≧土-石阈值粒径的颗粒作为二维土石混合边坡模型中进行几何重构的块石。

6、1.3) 根据现场土石混合材料的粒径级配曲线，确定粒径大于土-石阈值粒径的块石质量分数，并根据块石和土体基质的密度将块石质量分数换算为块石体积含量。

7、1.4) 将换算得到的块石体积含量作为二维土石混合边坡模型中的目标块石面积含量，并根据粒径级配曲线将大于土-石阈值粒径的块石按粒径区间平均划分为多个粒径段，确定各粒径段块石的目标投放面积：；式中，为二维土石混合边坡模型中全部块石的目标总面积，为第k个粒径段块石占所有块石的质量分数。

8、2) 采集现场代表性块石试样进行ct扫描，采用正投影轮廓方法提取块石二维外轮廓，获取块石形状特征参数。

9、3) 基于块石形状特征参数进行参数化重构，根据重构的二维块石多边形建立具有不同粒径和形态特征的二维候选块石库；包括步骤3.1)～3.4)：

10、3.1) 根据步骤2)获得的现场块石形状特征参数，确定等效粒径、长径比、顶点数、角度扰动参数、半径扰动参数和主方向角的取值区间，建立块石形状参数集。

11、3.2) 从块石形状参数集中随机选取顶点数、角度扰动参数和半径扰动参数，以预设基准等效粒径建立初始参考圆，并根据角度扰动参数和半径扰动参数调整各顶点的周向位置和径向位置，获得二维块石多边形的各顶点。

12、3.3) 按照各顶点的周向顺序依次连接，形成闭合二维多边形，并根据长径比及拉伸方向对二维多边形进行形态调整。

13、3.4) 对调整后的二维多边形进行尺度归一化，使等效粒径达到预设基准粒径，并将多边形几何中心平移至局部坐标原点，得到二维重构块石。

14、3.5) 重复步骤3.2)至步骤3.4)，生成具有不同形态特征的二维重构块石，并组成二维候选块石库。

15、4) 根据目标块石面积含量及各粒径段的目标投放面积，在满足级配约束和空间约束的条件下对候选块石执行分粒径随机投放，建立二维土石混合边坡模型；包括步骤4.1)至步骤4.4)：

16、步骤4.1) 从二维候选块石库中随机选取候选块石，根据目标等效粒径对二维候选块石进行尺度调整，并确定投放位置和旋转方向，形成待投放块石。

17、4.2) 判断待投放块石是否完整位于边坡计算域内，并判断待投放块石与边坡边界之间的距离是否满足预设边界间距要求；不满足时重新生成投放位置。

18、4.3) 判断待投放块石与已投放块石之间是否发生重叠时，计算相邻块石之间的最小净距，若相邻块石之间的距离小于最小净距，则待投放块石与已投放块石发生重叠，则重新生成投放位置。

19、4.4) 将满足空间约束的块石加入当前边坡模型，并累计计算当前粒径段的已投放块石面积；当达到对应粒径段的目标投放面积后，转入下一粒径段继续投放，直至各粒径段均满足目标投放要求，且二维土石混合边坡模型整体块石面积含量达到目标块石面积含量。

20、4.5) 重复步骤4.1)至步骤4.4)，生成多组块石含量及粒径级配相同、块石空间分布不同的二维土石混合边坡模型。

21、5) 通过java脚本接口将二维土石混合边坡模型导入有限元数值计算软件，进行网格划分、材料属性赋值及边界条件施加；包括步骤5.1)至步骤5.5)：

22、5.1) 通过脚本接口读取步骤4)中生成的二维土石混合边坡模型，获取边坡外轮廓及各块石多边形的边界信息，在有限元数值计算软件中建立边坡计算域及块石几何区域。

23、5.2) 将块石几何区域识别为块石区域，其余区域识别为土体基质区域，形成具有土体区域和块石区域的二维有限元计算模型。

24、5.3) 分别为土体基质区域和块石区域赋予对应的材料属性参数，并根据区域标识将各材料属性自动关联至相应几何区域，形成二维有限元计算模型。

25、5.4) 对二维有限元几何模型进行网格划分，使网格单元与土体—块石界面相适配，分别形成土体区域网格和块石区域网格。

26、5.5) 根据边坡计算域的几何边界识别二维有限元计算模型的底部边界、侧部边界及坡面边界，对底部边界施加固定约束，对侧部边界施加法向位移约束，对坡面边界施加自由边界。

27、6) 采用强度折减法分别计算多组二维有限元计算模型的安全系数。

28、7) 对多组二维有限元计算模型的安全系数进行统计，计算平均安全系数，并根据安全系数与平均安全系数的差值确定代表性模型，即选取安全系数最接近平均安全系数的模型为代表性模型，输出安全系数值、代表性模型对应的应力分布图、等效塑性应变分布图。

29、步骤1.3）中块石体积含量为：；

30、式中，为土-石阈值粒径以上块石的质量分数，为块石密度，为土体基质密度。

31、步骤2)中的块石形状特征参数包括等效粒径、长径比、顶点数、角度扰动参数、半径扰动参数和主方向角中的一种或多种。

32、步骤3.1)中，块石形状参数集根据原位块石ct扫描所得的形状特征参数进行建立，所述块石形状特征参数选取范围为原位块石形状特征参数的±5%。

33、步骤4)中，空间约束包括块石之间不重叠约束、块石间最小净距约束、块石与边坡边界最小净距约束以及块石完整位于边坡轮廓内的约束。

34、步骤4.2)中，块石与边坡边界之间的距离应满足：

35、

36、

37、式中，为待投放块石与边坡边界之间的最小净距，为待投放块石的等效直径，为待投放块石面积。

38、步骤4.3)中，计算相邻块石之间的最小净距：

39、

40、

41、式中，为相邻块石之间的最小净距，为相邻的一个块石外轮廓上的任意点，为相邻的另一个块石外轮廓上的任意点。

42、若相邻块石之间的距离小于最小净距，则待投放块石与已投放块石发生重叠，重新生成投放位置。

43、步骤5.3)中，土体基质区域和块石区域的材料属性参数包括粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比和密度。

44、步骤6)中的代表性模型按照其安全系数与平均安全系数差值的绝对值最小原则进行确定。

45、本发明基于块石参数重构的土石混合边坡安全系数计算系统，包括：地质数据获取模块、块石形态识别模块、块石数据库构建模块、随机投放建模模块、模型自动导入模块、网格划分模块及安全系数计算与结果统计输出模块；

46、地质数据获取模块获取边坡几何轮廓、块石含量及级配信息。

47、块石形态识别模块获取块石形状特征参数。

48、块石数据库构建模块用于基于块石形状特征参数建立块石数据库。

49、随机投放建模模块用于生成多组不同块石分布的二维土石混合边坡模型。

50、模型自动导入模块和网格划分模块用于将土石混合体边坡几何模型导入有限元数值计算软件并进行网格划分。

51、安全系数计算与结果统计输出模块用于采用强度折减法计算各模型安全系数，并求取平均安全系数并输出代表性模型的应力分布图、应变分布图及等效塑性应变分布图。

52、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

53、（1）通过ct扫描提取现场块石形状特征参数，能够更真实地表达块石几何形态，避免将块石简单等效为规则颗粒所带来的失真。

54、（2）在块石投放过程中同时考虑块石含量、粒径级配及空间约束，能够构建更符合实际结构特征的土石混合体边坡模型。

55、（3）通过生成多组块石分布不同的二维土石混合边坡模型并进行批量稳定性计算，能够反映块石空间分布随机性对边坡安全系数的影响，降低单一随机模型分析的偶然性。

56、（4）通过对多组安全系数取平均并选取代表性模型输出应力、应变和塑性区分布图，兼顾了统计结果的代表性与工程图示结果的可解释性。

57、（5）实现了从地质信息输入、块石随机建模、有限元导入、网格划分、强度折减计算到报告生成的自动化流程，提高了分析效率并减少了人为干预。