【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及水工巖土工程領域，特別是一種復雜邊坡開挖卸荷過程的三維有限元模擬方法。
技術介紹
1、在現代土木、交通和礦業工程中，邊坡開挖已成為基礎設施建設的核心內容，尤其在公路、鐵路、隧道、礦山和堤壩等工程領域，邊坡穩定性直接關系到工程的質量和安全。隨著開挖作業逐層進行，土體或巖體的應力場發生顯著變化，原有的應力狀態被打破并重新分布，產生卸荷效應。卸荷引發的應力重分布往往會使邊坡表層的拉應力增大，局部區域的剪應力有可能超過材料的強度極限，進而引發失穩?；诖?，深入研究開挖卸荷效應對于科學評估和保障邊坡的長期穩定性具有重要意義。
2、目前，針對邊坡開挖的數值模擬研究常用的方法主要包括以下兩種：①生死單元法：在有限元分析中，通過“激活”或“殺死”特定單元來模擬開挖過程中土體或巖體的逐層刪除或加入。然而，生死單元法在模擬邊坡開挖時可能會導致局部區域出現非連續的位移場，尤其是在應力集中區域，可能產生較大的計算誤差，影響局部應力分布的準確性。②零剛度法：通過將模型中某些單元或節點的剛度系數設定為零，以此模擬開挖后的卸荷狀態。由于引入零剛度單元會導致模型在局部區域的計算不連續性，可能影響整體力學行為的可靠性。在復雜的工況下，特別是多種失效模式并存的情況下，零剛度法可能產生較大的誤差，無法準確反映邊坡開挖后的力學特征。盡管這些方法在一定程度上可以用于邊坡開挖的模擬，但在應對復雜邊坡開挖工況時，仍存在一些局限性，尤其是對應力重分布和局部失穩的準確預測有待進一步改進。
技術實現思路
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2、為解決上述技術問題，本專利技術所采用的技術方案是：一種復雜邊坡開挖卸荷過程的三維有限元模擬方法，它包括如下步驟：
3、步驟1）、構建復雜邊坡的三維模型，建立有限元網格；
4、步驟2）、輸入模型的邊界條件、各地層的材料參數信息；
5、步驟3）、計算模擬開挖前邊坡的初始應力場；
6、步驟4）、根據初始應力場，計算邊坡開挖部分的卸荷載荷；
7、步驟5）、對開挖后的邊坡應力變形進行有限元計算。
8、優選地，所述步驟1）進一步包括：對邊坡進行平面掃略，輸出邊坡平面投影的網格節點數據，根據邊坡界面高程點數據，通過反距離插值獲得三維網格節點坐標數據，生成三維有限元模型。
9、優選地，所述步驟2）進一步包括，在已建立的有限元模型中，給定已知的孔隙水壓力以及邊界位移約束邊界條件，輸入各地層材料的容重、彈性模量、泊松比、黏聚力、內摩擦角、抗拉強度力學參數。
10、優選地，所述步驟3）具體還包括以下步驟：
11、步驟3.1）：在已建立的有限元模型中，施加各地層材料的自重載荷；
12、步驟3.2）：對邊坡后緣和前緣施加位移邊界條件，模擬邊坡受地質構造作用產生的擠壓變形；
13、步驟3.3）：利用有限元程序計算得到施加位移邊界條件所產生的相應的邊坡內部應力場；
14、步驟3.4）：通過比較邊坡測點實測到的地應力與相應點位計算得到的初始主應力，計算均方根誤差：
15、；
16、式中，為當前計算得到的大應力值；為實測點的大應力值；為當前計算得到的小應力值；為實測點的小應力值；為計算節點的總數；
17、若，則收斂，進入步驟3.5）；反之，則增加邊坡后緣和前緣的位移值，回到步驟3.3）重新計算；
18、步驟3.5）：將計算得到的應力場作為邊坡初始應力場，包括自重應力及構造應力。
19、優選地，所述步驟4）具體還包括以下步驟：
20、步驟4.1）：提取邊坡開挖部分的單元高斯點應力，在三維有限元模型中，對卸荷區域內的單元，確定其高斯點的應力；
21、步驟4.2）：根據高斯點的初始應力，對高斯點進行體積分得到單元內部高斯點上的合力大?。?/p>
22、；
23、式中，、表示不同單元內不同高斯點的索引；為單元內高斯點上的力；表示形函數的梯度；為第i個高斯點的權值；為第j個高斯點的權值；為高斯點的梯度矩陣；為雅可比行列式，用于將局部坐標系的積分轉換為全局坐標系的積分，與單元的幾何形狀有關；
24、步驟4.3）：根據各個高斯點的形函數，將單個單元內的所有高斯點的力作用至邊坡開挖部分的等效節點上，得到每個開挖單元在節點上的等效荷載：
25、；
26、式中，為高斯點形函數，為局部坐標系中高斯點的坐標，對八節點單元，采用2×2×2的高斯積分時，各個點坐標位置分別為（±0.57735，±0.57735，±0.57735）；
27、步驟4.4）：對整個三維有限元模型，將所有的開挖網格單元對節點求和得到節點等效荷載：
28、；
29、式中，為模型中開挖單元總數，表示將開挖區域所有單元對節點求和；
30、步驟4.5）：得到等效節點開挖卸荷荷載，最后對邊坡開挖區域等效節點荷載進行反號處理，即可得到的卸荷荷載施加到等效節點上得到力：
31、。
32、優選地，所述步驟5）進一步包括：根據開挖后的模型網格單元的邊界條件、荷載以及計算得到的開挖區域的卸荷載荷，再次求解平衡微分方程，計算得到開挖后的應力分布以及相應的位移變形。
33、本專利技術有益效果：
34、1、本專利技術能夠動態捕捉邊坡在開挖過程中應力場和變形場的演變，精準反映復雜地質條件下邊坡的應力重分布及地層變形對卸荷過程的影響；該方法具有較高的計算精度，為復雜邊坡開挖工程提供了更加全面、有效的科學依據，顯著提升了邊坡穩定性評估的可靠性。
35、2、本專利技術初始地應力場的計算綜合考慮了自重應力和構造應力的雙重影響，使得模擬更加接近實際工況；這種方法能夠更準確地反映邊坡在開挖過程中，初始應力狀態對卸荷后應力重分布及變形的影響，從而提高了對邊坡穩定性評估的精確性和可靠性。
36、3、本專利技術提供的有限元模擬方法無需進行復雜的單元激活和移除操作，在保證計算精度的同時，顯著簡化了計算過程；該方法有效提高了計算效率，降低了處理復雜度，適用于復雜邊坡開挖等工程場景，確保了精確性與效率的兼顧。
37、4、本專利技術解決了現有技術中對邊坡開挖卸荷效應分析不足、應力重分布預測不精確的問題；該方法通過建立高精度的三維有限元模型，結合多種材料參數和實際邊界條件，模擬邊坡在開挖過程中的應力變化和卸荷效應，通過精確再現卸荷過程中的應力重分布，改善了局部失穩和應力集中區域的預測精度，從而為邊坡開挖的安全性評估提供科學依據。
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1.一種復雜邊坡開挖卸荷過程的三維有限元模擬方法，其特征在于：它包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種復雜邊坡開挖卸荷過程的三維有限元模擬方法，其特征在于：所述步驟1）進一步包括：對邊坡進行平面掃略，輸出邊坡平面投影的網格節點數據，根據邊坡界面高程點數據，通過反距離插值獲得三維網格節點坐標數據，生成三維有限元模型。
3.根據權利要求1所述的一種復雜邊坡開挖卸荷過程的三維有限元模擬方法，其特征在于：所述步驟2）進一步包括，在已建立的有限元模型中，給定已知的孔隙水壓力以及邊界位移約束邊界條件，輸入各地層材料的容重、彈性模量、泊松比、黏聚力、內摩擦角、抗拉強度力學參數。
4.根據權利要求1所述的一種復雜邊坡開挖卸荷過程的三維有限元模擬方法，其特征在于：所述步驟3）具體還包括以下步驟：
5.根據權利要求1所述的一種復雜邊坡開挖卸荷過程的三維有限元模擬方法，其特征在于：所述步驟4）具體還包括以下步驟：
6.根據權利要求1所述的一種復雜邊坡開挖卸荷過程的三維有限元模擬方法，其特征在于：所述步驟5）進一步包括：根據開挖后的模型網
...【技術特征摘要】
1.一種復雜邊坡開挖卸荷過程的三維有限元模擬方法，其特征在于：它包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種復雜邊坡開挖卸荷過程的三維有限元模擬方法，其特征在于：所述步驟1）進一步包括：對邊坡進行平面掃略，輸出邊坡平面投影的網格節點數據，根據邊坡界面高程點數據，通過反距離插值獲得三維網格節點坐標數據，生成三維有限元模型。
3.根據權利要求1所述的一種復雜邊坡開挖卸荷過程的三維有限元模擬方法，其特征在于：所述步驟2）進一步包括，在已建立的有限元模型中，給定已知的孔隙水壓力以及邊界位移約束邊界條件，輸入各地層材料的容重、彈性模量、泊...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉暢，李享，李彪，田斌，童富果，周銓，胡楊，戴文敬，葉梓瑞，
申請(專利權)人：三峽大學，
類型：發明
國別省市：
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