基于有限元分析的滑坡体稳定性评估方法和系统

本发明涉及滑坡稳定性评估与地质灾害分析，尤其涉及一种基于有限元分析的滑坡体稳定性评估方法和系统。

背景技术：

1、顺向层状岩质滑坡是地质灾害中的常见类型，其特点是岩层倾向与坡面倾向相近，且软弱层和岩质夹层共同发育多条软弱层界面。现有工程分析中，通常依据坡体边界和软弱层建立有限元模型，再根据位移场、应力场、塑性区或强度折减结果确定潜在滑动面并计算安全系数。

2、对于含软弱层的岩质滑坡，常见处理方式是预先选定一条软弱层作为主控滑面，或在多个候选滑面之间进行有限元计算和强度折减分析。对于单一软弱层控制的情形，上述方式可获得一定分析结果；但在多条软弱层并存时，坡体内部的切向传力关系可能在局部剪切释放后发生转移。

3、然而，现有方法更多是基于计算结果提取滑动面或对预设滑面进行稳定性计算，通常没有在有限元模型内部区分处理剪切段的切向连接关系和法向接触关系，也缺少将切向连接删除前的内力转化为等效节点失衡作用，并据此沿相邻软弱层界面单元及岩体单元建立替代传力段的处理过程。因此，在多条软弱层共同发育时，现有方法容易将滑带边界固定在预设层面或位移集中区域，难以反映滑坡体在传力关系改变后的滑带路径重构过程，进而影响阶段性滑带边界和稳定性评估结果的可靠性。

4、因此，亟需一种能够在有限元分析过程中对剪切段切向连接释放、节点失衡作用传递、替代传力段接入以及控制性滑带边界重构进行连续处理的滑坡体稳定性评估方法和系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于有限元分析的滑坡体稳定性评估方法和系统，用以解决现有技术中在多条软弱层并存的顺向层状岩质滑坡中难以表达局部剪切释放后的传力路径转移，无法形成可续算、可更新的控制性滑带边界，导致阶段性滑带边界和稳定性评估结果可靠性不足的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于有限元分析的滑坡体稳定性评估方法，包括：

3、依据顺向层状岩质滑坡的坡体边界和多条软弱层界面建立有限元模型，将坡体划分为岩体单元，将软弱层界面离散为界面单元，并在所述界面单元上设置切向连接关系和法向接触关系；

4、依据所述界面单元和岩体单元之间的切向内力传递关系，沿后缘活动区至坡脚释放区构造候选滑带；

5、删除所述候选滑带中剪切段的切向连接关系，保留所述剪切段的法向接触关系，将删除前的切向内力按所述剪切段两侧界面节点的作用方向组装为等效节点失衡作用向量，施加至对应节点并求解相邻单元节点内力，依据求解得到的节点内力方向沿候选滑带以外的相邻软弱层界面单元及岩体单元逐节点建立传力连接，形成替代传力段；

6、将所述替代传力段接入所述候选滑带下游，替换对应的原传力部分，并依据替换后的节点连接关系继续进行所述切向连接删除、等效节点失衡作用向量传递和替代传力段接入，形成控制性滑带边界；

7、沿所述控制性滑带边界调整抗剪参数并进行有限元续算，输出阶段性滑带边界、有限元状态和稳定性评估结果。

8、在一个实施方式中，所述删除所述候选滑带中剪切段的切向连接关系，保留所述剪切段的法向接触关系，将删除前的切向内力按所述剪切段两侧界面节点的作用方向组装为等效节点失衡作用向量，施加至对应节点并求解相邻单元节点内力，依据求解得到的节点内力方向沿候选滑带以外的相邻软弱层界面单元及岩体单元逐节点建立传力连接，形成替代传力段，包括：将所述剪切段两侧界面节点的位移自由度分解为切向自由度和法向接触自由度；删除所述切向自由度对应的切向刚度矩阵项，保留所述法向接触自由度对应的法向接触矩阵项；按照删除前切向内力在两侧界面节点上的作用方向组装等效节点失衡作用向量；将所述等效节点失衡作用向量施加至对应节点并求解增量位移和节点内力；依据求解得到的节点内力方向，沿相邻软弱层界面单元及岩体单元逐节点建立传力连接，形成所述替代传力段。

9、在一个实施方式中，所述将所述替代传力段接入所述候选滑带下游，替换对应的原传力部分，包括：以被替换的原传力部分为对象，确定其上游端节点组和下游端节点组，并保留所述上游端节点组与所述下游端节点组之间的法向接触关系；解除所述上游端节点组与所述下游端节点组之间经由所述原传力部分形成的切向连接；将沿软弱层界面单元分布的相对错动节点按空间顺序写入所述替代传力段的节点连接序列；将所述替代传力段的起始节点组与所述上游端节点组建立切向连接，并将所述替代传力段的末端节点组与所述下游端节点组建立切向连接；删除所述原传力部分对应的边界连接，将所述节点连接序列写回所述有限元模型，形成更新后的候选滑带边界。

10、在一个实施方式中，所述依据所述界面单元和岩体单元之间的切向内力传递关系，沿后缘活动区至坡脚释放区构造候选滑带，包括：按照坡体上游至下游的方向建立界面单元、岩体单元及其公共节点的邻接关系；提取相邻单元公共节点处的切向内力分量并映射至对应公共节点；按照所述邻接关系中与切向内力方向一致的传递顺序串接界面单元和岩体单元；记录串接后的各单元的上游节点、下游节点及切向内力方向；将串接后的单元序列的上游端关联至后缘活动区、下游端关联至坡脚释放区，形成带有传力方向的候选滑带。

11、在一个实施方式中，所述按照删除前切向内力在两侧界面节点上的作用方向组装等效节点失衡作用向量，包括：为所述剪切段两侧界面节点建立沿软弱层界面走向的局部切向基向量；将删除前切向内力分解至各界面节点的局部切向基向量；按照两侧界面节点的相对连接方向分别生成方向相反的切向作用分量；依据节点自由度编号将各切向作用分量写入对应节点自由度分量；按照有限元模型的全局自由度顺序组装等效节点失衡作用向量。

12、在一个实施方式中，所述依据求解得到的节点内力方向，沿相邻软弱层界面单元及岩体单元逐节点建立传力连接，形成所述替代传力段，包括：将施加所述等效节点失衡作用向量后求解得到的节点内力写入当前传力节点信息，所述当前传力节点信息包括节点编号、切向内力方向和相邻单元标识；依据界面单元邻接关系和岩体单元公共节点关系建立待扩展节点序列；按照所述待扩展节点序列读取当前传力节点的切向内力方向和相邻单元连接信息；沿所述切向内力方向将相邻软弱层界面节点和岩体单元节点加入传力节点序列；在相邻传力节点之间建立切向连接并写入连接刚度矩阵；将连续写入的切向连接及其节点组成替代传力段。

13、在一个实施方式中，所述将沿软弱层界面单元分布的相对错动节点按空间顺序写入所述替代传力段的节点连接序列，包括：提取软弱层界面单元两侧节点在当前有限元阶段和前一有限元阶段的位移结果；计算同一界面位置两侧节点的位移增量差；将所述位移增量差分解为切向相对位移和法向相对位移；按照界面切向方向和界面位置建立两侧节点之间的对应节点对；将各对应节点对的切向相对位移及节点编号写入相对错动节点集合；按照对应节点对沿软弱层界面单元的空间顺序，将所述相对错动节点插入节点连接序列。

14、在一个实施方式中，所述依据替换后的节点连接关系继续进行所述切向连接删除、等效节点失衡作用向量传递和替代传力段接入，形成控制性滑带边界，包括：依据替换后的节点连接关系和更新后的候选滑带边界节点建立当前阶段刚度矩阵；将保留的岩体单元间切向连接写入所述当前阶段刚度矩阵中的体传力子矩阵；将替代传力段的切向连接写入所述当前阶段刚度矩阵中的沿层传力子矩阵；将已删除的剪切段切向连接对应的矩阵项置零；将等效节点失衡作用向量映射至所述当前阶段刚度矩阵的节点自由度；组合所述体传力子矩阵、所述沿层传力子矩阵以及置零后的矩阵项，得到更新后的当前阶段刚度矩阵；基于所述更新后的当前阶段刚度矩阵求解节点位移、单元应力和节点内力，并依据求解得到的节点内力方向更新候选滑带边界节点；在更新后的候选滑带边界节点贯通至坡脚释放区时，将更新后的候选滑带边界确定为控制性滑带边界。

15、在一个实施方式中，所述沿所述控制性滑带边界调整抗剪参数并进行有限元续算，包括：将所述控制性滑带边界对应的界面单元标记为边界界面单元；建立所述边界界面单元与抗剪参数组之间的阶段对应关系；读取所述抗剪参数组中的粘聚力参数和摩擦角参数并替换所述边界界面单元的本构参数；依据替换后的本构参数更新所述边界界面单元的切向抗剪刚度矩阵；保持控制性滑带边界外岩体单元的材料参数和节点连接关系；基于更新后的切向抗剪刚度矩阵求解位移场、应力场及节点内力；将求解结果写入下一阶段有限元模型。

16、本发明还提供一种基于有限元分析的滑坡体稳定性评估系统，包括：

17、模型建立单元，用于依据顺向层状岩质滑坡的坡体边界和多条软弱层界面建立有限元模型，将坡体划分为岩体单元，将软弱层界面离散为界面单元，并在所述界面单元上设置切向连接关系和法向接触关系；

18、候选滑带构造单元，用于依据所述界面单元和岩体单元之间的切向内力传递关系，沿后缘活动区至坡脚释放区构造候选滑带；

19、替代传力段形成单元，用于删除所述候选滑带中剪切段的切向连接关系，保留所述剪切段的法向接触关系，将删除前的切向内力按所述剪切段两侧界面节点的作用方向组装为等效节点失衡作用向量，施加至对应节点并求解相邻单元节点内力，依据求解得到的节点内力方向沿候选滑带以外的相邻软弱层界面单元及岩体单元逐节点建立传力连接，形成替代传力段；

20、控制性滑带边界形成单元，用于将所述替代传力段接入所述候选滑带下游，替换对应的原传力部分，并依据替换后的节点连接关系继续进行所述切向连接删除、等效节点失衡作用向量传递和替代传力段接入，形成控制性滑带边界；

21、续算评估单元，用于沿所述控制性滑带边界调整抗剪参数并进行有限元续算，输出阶段性滑带边界、有限元状态和稳定性评估结果；

22、处理器和存储器，所述存储器存储有程序，所述程序被所述处理器执行时，使所述模型建立单元、候选滑带构造单元、替代传力段形成单元、控制性滑带边界形成单元和续算评估单元执行相应处理。

23、本发明的有益效果在于：

24、第一，能够表达多条软弱层并存时的滑带路径重构过程。通过切向连接释放、节点失衡作用传递和替代传力段接入，使有限元模型内部的节点连接关系随传力路径变化而更新，从而形成能够反映传力关系转移的控制性滑带边界，而不是将滑带固定在预设软弱层或单一位移集中区域。

25、第二，能够在释放剪切段的同时保留法向接触关系。本发明在界面单元自由度层面区分切向自由度和法向接触自由度，删除切向刚度矩阵项并保留法向接触矩阵项，有利于保持剪切释放后的接触承压状态和张开/闭合关系，使传力路径更加真实。

26、第三，能够将释放前内力转化为可续算的节点作用。本发明将删除前切向内力组装为等效节点失衡作用向量，并施加至对应节点进行增量求解，使释放后的内力重新分配能够进入有限元计算过程，驱动相邻界面单元和岩体单元形成替代传力段。

27、第四，能够形成替代传力段并接入下游滑带。本发明依据求解得到的节点内力方向沿候选滑带以外的相邻软弱层界面单元及岩体单元逐节点建立传力连接，并将替代传力段接入候选滑带下游替换原传力部分，体现局部剪切释放后的传力路径转移。

28、第五，能够输出阶段性滑带边界和连续的稳定性评估结果。控制性滑带边界形成后，本发明沿该边界调整抗剪参数并进行有限元续算，使滑带边界演化、有限元状态和稳定性评估结果保持在同一模型链条下的连续性，提高评估结果的可靠性。