一种多级开挖边坡全过程稳定性临界转折点识别方法与流程

本发明主要涉及边坡工程稳定性分析领域，尤其是涉及一种多级开挖边坡全过程稳定性临界转折点识别方法。

背景技术：

1、多级开挖边坡通常按照预定施工顺序逐级、分层或分步形成。随着开挖施工不断推进，边坡几何轮廓、临空面位置、平台形态和内部应力状态持续变化，其位移响应和稳定性也随之发生改变。因此，多级开挖边坡的稳定性并非仅由最终开挖形态决定，原始边坡、各完整开挖阶段以及阶段内不同开挖进度均可能成为施工全过程中的不利状态。

2、有限元强度折减法是边坡稳定性评价的常用方法。该方法通过逐渐折减边坡材料的黏聚力和内摩擦角，使边坡从稳定状态逐步进入临界状态，并根据计算收敛情况、位移变化或其他响应确定边坡安全系数。abaqus具有材料非线性、几何非线性、单元移除、用户子程序和结果数据库访问等功能，可用于模拟边坡重力平衡、分级开挖及连续强度折减过程。

3、在现有工程应用中，多级开挖边坡不同施工状态通常仍需人工建立。对于每个开挖状态，需要分别修改几何边界、建立开挖单元集合、设置单元移除分析步、提交作业并读取结果。当开挖级数较多，且每一级按照一定开挖高度或开挖比例划分为多个施工状态时，有限元工况数量明显增加，容易出现开挖顺序错误、开挖区域遗漏、单元重复移除、工况编号混乱以及不同工况计算条件不一致等问题。

4、不同开挖状态的坡脚、平台端点、开挖坡面端点和其他几何转折位置随施工过程发生变化。若始终使用固定节点作为监测位置，可能无法反映当前边坡轮廓的主要变形响应；若逐个工况人工选取监测节点，则会增加后处理工作量，并造成不同工况监测位置的选取标准不一致。

5、在强度折减分析中，直接将计算不收敛作为边坡失稳标志，容易受到网格尺寸、时间增量、迭代次数、求解器控制和数值稳定化参数等因素影响。不同开挖状态具有不同的几何形态和非线性程度，其数值收敛特征并不完全一致，单纯依据不收敛状态确定安全系数，难以保证各施工状态判定标准的一致性。

6、通过人工观察位移—强度折减系数曲线确定安全系数，虽然能够减少对单一收敛判据的依赖，但人工判读容易受到曲线局部波动、结果帧间隔、坐标比例及人员经验影响。当边坡包含大量施工状态和多条监测节点响应曲线时，人工逐条识别效率较低，且难以保证结果的可重复性。

7、此外，在临界状态附近，abaqus可能持续减小时间增量，使强度折减系数在较小范围内缓慢增加。此时，位移可能已经持续增长，但由于响应数据尚未跨越预设完整分区边界，常规分区判据无法及时形成有效结果。若仅等待完整分区闭合，可能导致计算时间显著增加。因此，需要在完整响应分区识别之外，建立针对未满分区和强度折减系数小跨度停滞状态的补充识别方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种多级开挖边坡全过程稳定性临界转折点识别方法，旨在解决现有技术中多级开挖边坡在不同施工状态下安全系数无法准确有效地自动识别，导致施工全过程最不利状态难以被准确捕捉的问题。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案：

3、一种多级开挖边坡全过程稳定性临界转折点识别方法，包括以下步骤：

4、步骤1、根据边坡分级开挖参数生成分析工况序列，所述分析工况序列包括原始边坡工况、各完整开挖阶段工况以及各阶段内按预设进度划分的部分开挖工况；

5、步骤2、通过abaqus二次开发接口建立各工况的有限元模型，并根据相应工况的开挖几何边界自动判定并标记待移除单元；

6、步骤3、根据当前边坡轮廓识别相应工况监测位置，并将监测位置与对应工况有限元模型中的节点匹配绑定；

7、步骤4、对各工况进行连续强度折减分析，实时构建各监测节点的位移-强度折减系数的响应曲线；

8、步骤5、根据所述响应曲线的局部斜率变化自动识别临界转折点，将临界转折点对应的强度折减系数确定为对应工况的安全系数，将各工况安全系数中的最小值确定为施工全过程的控制安全系数，将所述控制安全系数对应的施工状态确定为全过程最不利施工状态。

9、进一步的，所述边坡分级开挖参数包括原始坡高、原始坡角、各级开挖高度、各级开挖坡角、各级平台宽度和阶段内开挖进度。

10、进一步的，步骤2中所述开挖几何边界根据原始坡高、原始坡角、各级开挖高度、各级开挖坡角和各级平台宽度计算确定。

11、进一步的，步骤3中所述监测位置包括原始坡脚、原始坡顶、原始坡面与当前活动开挖点同高程的交点，以及当前边坡轮廓中的平台端点和开挖坡面端点。

12、进一步的，步骤3中基于最近邻匹配将监测位置与有限元节点进行匹配绑定，同一工况中每个监测位置仅匹配一次。

13、进一步的，步骤4中连续强度折减分析折减后的黏聚力和内摩擦角分别为：

14、;

15、;

16、其中，为初始黏聚力，为初始内摩擦角，为强度折减系数。

17、进一步的，步骤4还包括对位移数据进行预处理，基于预处理后的位移构建位移-强度折减系数响应曲线；所述预处理包括位移归一化、刚度修正和对数变换；

18、所述位移归一化为：，其中，为位移归一化值，为原始位移，为边坡总高度；

19、所述刚度修正为：，其中，位移修正值，为材料弹性模量，为参考弹性模量，为刚度修正指数；

20、所述对数变换为，其中，为修正后的位移值，为位移参考尺度。

21、进一步的，步骤5中所述根据响应曲线的局部斜率变化识别临界转折点包括完整响应分区识别和未满响应分区补充识别；

22、所述完整响应分区识别为：将响应曲线按预设强度折减系数间隔划分为连续响应分区，计算各分区局部斜率，基于自适应阈值判定斜率突变，并对满足突变条件的候选点进行后续分区持续性验证，确认有效临界转折点；

23、所述未满响应分区补充识别为：当强度折减系数增量小于分区宽度、当前数据未跨越下一完整分区边界时，利用未满分区内的有效数据计算局部斜率、位移增量和折减跨度，当连续满足预设增长条件时，将当前强度折减系数确定为有效临界转折点。

24、进一步的，所述完整响应分区识别为包括：

25、将响应曲线按预设强度折减系数间隔划分为连续响应分区，计算相邻响应分区的斜率变化量累计多个连续响应区间的斜率变化量构成数组，计算中位数和中位绝对偏差，确定自适应阈值；式中，为预设常数系数，为当前分区斜率，为前一个响应分区的局部斜率；

26、当，且时，相应响应分区标记为候选临界转折点，计算该候选临界转折点后一个响应分区的局部斜率，当时，确认相应候选临界转折点为有效临界转折点，为预设持续性验证系数，为预设最小斜率阈值，为预设最小斜率比值阈值。

27、进一步的，步骤5中所述未满响应分区补充识别包括：当前结果帧对应的强度折减系数尚未达到下一完整响应分区的边界值时，利用当前未满响应分区内的有效数据计算当前局部斜率，当强度折减系数跨度超过预设最小跨度阈值，位移增量超过预设最小位移增量阈值时，根据前一完整响应分区的局部斜率计算斜率比值，当同时满足：，且时，在每读取一个新的结果帧后重新利用当前未满响应分区内的全部数据计算斜率比值，当上述条件连续满足预设次数时，将当前结果帧对应的强度折减系数确定为有效临界转折点；其中为预设最小斜率阈值，为第一预设相对增幅系数，为第二预设相对增幅系数。

28、本发明的有益效果：

29、本发明将原始边坡、各完整开挖阶段及阶段内不同开挖进度全部纳入统一评价，能够反映安全系数随施工过程的变化，避免仅评价最终开挖状态而遗漏中间施工风险。

30、本发明根据开挖级数、开挖高度、坡角、平台宽度和开挖进度自动生成施工状态和单元移除区域，减少人工重复建模以及开挖顺序、开挖范围设置错误。

31、原始边坡和各开挖工况采用统一的材料模型、网格规则、边界条件、分析步、强度折减范围及临界状态判据，提高不同施工状态计算结果的可比性。

32、本发明能够根据当前边坡轮廓自动生成具有明确工程含义的监测位置，并将其与有限元节点一次性固定匹配，避免监测节点在计算和后处理过程中发生变化。

33、本发明通过局部斜率、斜率变化量、斜率比值和基于中位数绝对偏差的自适应阈值识别响应突变，能够降低局部数据波动及人工经验对临界状态判定的影响。

34、本发明通过后续完整分区持续性验证，能够排除仅在单一分区中出现的短时斜率波动，提高完整分区识别结果的稳定性。

35、本发明增加未满分区补充识别，在强度折减系数增量较小且尚未形成完整分区时，仍能够根据数据点数量、折减跨度、位移增量和局部斜率变化及时识别临界状态。

36、本发明不将有限元计算不收敛单独作为失稳判据，能够降低网格、时间增量、迭代控制和数值稳定化参数对安全系数判定结果的影响。

37、本发明能够批量输出不同开挖状态的安全系数和全过程最不利施工状态，可用于施工期稳定性评价、参数敏感性分析、可靠度分析及有限元样本库构建。