基于有限元强度折减的边坡锚杆加固效果评估方法及系统与流程

本发明涉及边坡稳定性评估，具体为基于有限元强度折减的边坡锚杆加固效果评估方法及系统。

背景技术：

1、边坡锚杆加固工程中，量化评估锚杆对边坡稳定性的实际提升幅度是设计优化与安全评价的关键需求。现有技术多基于单一有限元模型，将锚杆与岩土体作为整体进行一次强度折减计算，得到一个综合安全系数，并与未加固状态下的安全系数进行简单对比。这种对比来源于两次独立计算，但计算过程中往往不加区别地同步折减锚杆单元的力学参数和岩土体强度参数。

2、该处理方式存在缺陷。锚杆作为钢材构件，其材料强度在地层参数劣化过程中并不发生同步衰减，将锚杆参数随岩土体参数一同折减，会人为削弱锚杆的支护刚度与承载力，导致边坡在折减后期的锚固效应被显著低估。另一方面，仅凭两个独立安全系数的数值相减，无法从力学机理上反映锚杆在失稳演化全过程中对塑性区贯通和位移突变的抑制程度，评估信息存在片面性。

3、如何在不同支护状态下分别执行准确的强度折减迭代，并在模拟锚杆作用的强度折减过程中维持锚杆单元力学参数不变，以此从稳定性系数变化中提炼出锚杆的真实加固贡献，是需要解决的难题。

技术实现思路

1、本发明提供基于有限元强度折减的边坡锚杆加固效果评估方法及系统，目的是从失稳演化全过程量化锚杆对边坡稳定性的净贡献，消除因锚杆参数混同折减带来的评估偏差，输出能真实反映锚杆加固效果的客观评价结果。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种基于有限元强度折减的边坡锚杆加固效果评估方法，所述方法包括：

3、构建边坡的初始有限元数值模型，并设定所述初始有限元数值模型的初始强度参数和边界约束条件；

4、对所述初始有限元数值模型进行强度折减迭代计算，获取所述边坡在无锚杆支护状态下的第一稳定性系数；

5、在所述初始有限元数值模型中植入锚杆单元，生成加固有限元数值模型；

6、对所述加固有限元数值模型进行强度折减迭代计算，获取所述边坡在锚杆支护状态下的第二稳定性系数；

7、根据所述第一稳定性系数和所述第二稳定性系数的差值，确定所述锚杆对所述边坡的加固贡献度，并依据所述加固贡献度输出加固效果评估结果。

8、优选的，构建边坡的初始有限元数值模型，并设定所述初始有限元数值模型的初始强度参数和边界约束条件具体包括：

9、采集所述边坡的地层分布数据和岩土体物理力学参数；

10、根据所述地层分布数据建立所述边坡的几何轮廓，并对所述几何轮廓进行网格离散化处理，生成所述初始有限元数值模型的网格单元；

11、将所述岩土体物理力学参数赋予所述网格单元，作为所述初始强度参数；

12、在所述几何轮廓的底部和侧向边界上设置位移约束条件，作为所述边界约束条件。

13、优选的，对所述初始有限元数值模型进行强度折减迭代计算，获取所述边坡在无锚杆支护状态下的第一稳定性系数具体包括：

14、按照预设的折减步长，同步折减所述初始有限元数值模型中的粘聚力参数和内摩擦角参数，得到折减后的强度参数组；

15、将所述折减后的强度参数组代入所述初始有限元数值模型进行弹塑性应力应变求解，得到所述边坡在当前折减步长下的位移场和塑性区分布；

16、根据所述位移场和所述塑性区分布，判断所述边坡是否达到失稳临界状态；

17、若未达到所述失稳临界状态，则继续按照所述折减步长进行下一轮折减，直至达到所述失稳临界状态；

18、将达到所述失稳临界状态时的累计折减倍数记录为所述第一稳定性系数。

19、优选的，根据所述位移场和所述塑性区分布，判断所述边坡是否达到失稳临界状态具体包括：

20、从所述位移场中提取所述边坡的坡顶关键节点的位移增量；

21、从所述塑性区分布中提取塑性应变贯通区域的面积占比；

22、当所述位移增量超过预设的位移突变阈值且所述面积占比超过预设的贯通比例阈值时，判定所述边坡达到所述失稳临界状态。

23、优选的，在所述初始有限元数值模型中植入锚杆单元，生成加固有限元数值模型具体包括：

24、根据所述边坡的锚杆设计图纸，确定每根锚杆的植入位置、植入角度和锚固段长度；

25、在所述初始有限元数值模型的网格单元中，沿所述植入位置和所述植入角度生成线状锚杆几何轴线；

26、在所述锚杆几何轴线上设置杆单元，并将所述锚固段长度范围内的杆单元与周围网格单元进行位移耦合约束，形成所述锚杆单元；

27、将所有锚杆对应的锚杆单元整合至所述初始有限元数值模型中，生成所述加固有限元数值模型。

28、优选的，在所述锚杆几何轴线上设置杆单元，并将所述锚固段长度范围内的杆单元与周围网格单元进行位移耦合约束，形成所述锚杆单元具体包括：

29、沿所述锚杆几何轴线的方向，按照预设的单元划分间距将所述锚杆几何轴线离散为多个杆单元段；

30、为每个所述杆单元段赋予锚杆材料的弹性模量和截面积属性；

31、对于位于所述锚固段长度范围内的目标杆单元段，建立所述目标杆单元段的节点与所述周围网格单元的节点之间的位移协调方程，通过所述位移协调方程实现所述位移耦合约束。

32、优选的，对所述加固有限元数值模型进行强度折减迭代计算，获取所述边坡在锚杆支护状态下的第二稳定性系数具体包括：

33、以所述初始强度参数为折减起点，按照所述折减步长同步折减所述加固有限元数值模型中的岩土体粘聚力参数和岩土体内摩擦角参数，保持所述锚杆单元的弹性模量和屈服强度不变；

34、在每次折减后对所述加固有限元数值模型进行非线性静力求解，计算所述边坡的应力重分布结果和锚杆轴力增量；

35、根据所述应力重分布结果和所述锚杆轴力增量，监测所述边坡的失稳判据；

36、所述失稳判据被触发的条件为塑性区贯通判据成立，或者锚杆屈服判据成立且塑性区贯通带内屈服单元的面积占比同时超过50%；

37、当所述失稳判据被触发时，将当前的累计折减倍数记录为所述第二稳定性系数。

38、优选的，在每次折减后对所述加固有限元数值模型进行非线性静力求解，计算所述边坡的应力重分布结果和锚杆轴力增量具体包括：

39、在每次折减后，将折减后的粘聚力参数和折减后的内摩擦角参数代入所述加固有限元数值模型的岩土体单元，执行牛顿拉弗森迭代求解，得到当前折减步下的全局位移增量；

40、根据所述全局位移增量，通过所述岩土体单元的应力应变本构关系更新各单元的高斯点应力，得到所述应力重分布结果；

41、从所述应力重分布结果中提取所述锚杆单元两端节点的相对位移，并根据所述相对位移和所述锚杆单元的轴向刚度计算所述锚杆轴力增量。

42、优选的，根据所述第一稳定性系数和所述第二稳定性系数的差值，确定所述锚杆对所述边坡的加固贡献度，并依据所述加固贡献度输出加固效果评估结果具体包括：

43、计算所述第二稳定性系数减去所述第一稳定性系数的差值，将所述差值作为绝对加固贡献值；

44、计算所述差值除以所述第一稳定性系数的商值，将所述商值作为相对加固贡献率；

45、根据所述绝对加固贡献值和所述相对加固贡献率，在预设的加固效果等级表中匹配对应的加固效果等级，将匹配得到的所述加固效果等级作为所述加固效果评估结果输出。

46、本发明还提供基于有限元强度折减的边坡锚杆加固效果评估系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，处理器在执行所述计算机程序时，实现上述基于有限元强度折减的边坡锚杆加固效果评估方法的步骤。

47、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

48、在初始有限元数值模型上不植入任何锚杆单元，单独对其进行完整的强度折减迭代计算，得到无锚杆支护状态下的第一稳定性系数。该计算在每一次折减步长内同步折减粘聚力和内摩擦角，通过监测位移场和塑性区分布直至满足失稳临界判据，记录累计折减倍数。这一单独进行的折减过程完全排除了锚杆的干扰，为后续对比建立起独立的基准状态。

49、在加固有限元数值模型中植入锚杆单元后，执行强度折减迭代计算时仅对岩土体单元的粘聚力参数和内摩擦角参数进行同步折减，而保持锚杆单元的弹性模量和屈服强度始终不变。锚杆单元不参与岩土体强度弱化进程，每次折减后重新执行非线性静力求解，更新边坡应力重分布结果和锚杆轴力增量，并据此监测失稳判据，直到触发判据后得出第二稳定性系数。锚杆力学属性的恒定使得其在岩土体强度逐步降低的过程中持续提供不变的约束刚度，符合实际工程中锚杆材料性能不与边坡潜在滑移面强度同步衰减的物理事实，避免了人为折减锚杆参数导致的支护效应被低估的问题，进而使第二稳定性系数的计算结果更真实地逼近锚杆的实际加固能力。

50、通过获取第一稳定性系数与第二稳定性系数的差值，并将其作为绝对加固贡献值，同时计算相对加固贡献率，将两种指标结合输出加固效果评估结果。以差值和比率方式表达的加固贡献度直接来源于两个状态独立且边界明确的强度折减计算，能够剥离岩土体本身强度变化带来的影响，清晰展示锚杆单独作用所引发的稳定性系数净增量。这使得评估结论能够呈现锚杆对止滑阻移的具体贡献量级，而不仅仅是给出加固后的综合安全系数，为量化锚杆方案的实效性提供了明确的数值标度和对比依据。