多因素耦合作用边坡危岩体失稳启动速度确定方法和系统

1.一种多因素耦合作用边坡危岩体失稳启动速度确定方法，其特征在于，包括：S1，建立危岩体概化力学模型，所述危岩体概化力学模型中，将危岩体主控结构面简化为贯通段和未贯通主控结构面两部分，危岩体失稳破坏受所述危岩体主控结构面对应的岩体控制；S2，基于受到外荷载作用和所述危岩体概化力学模型，对危岩体和锁固段岩体进行受力分析；其中，所述外荷载作用包括水平和竖向地震力、冻胀力、裂隙水压力和超孔隙水压力中的一种或多种；S3，基于多因素耦合作用的条件，确定所述危岩体主控结构面的裂缝扩展中位能降低所释放的弹性应变能；S4，基于所述危岩体主控结构面的裂缝扩展中位能降低所释放的弹性应变能瞬间释放转化为危岩体运动的动能的假设，确定多因素耦合作用下边坡危岩体剧动的失稳启动速度。 2.根据权利要求1所述的一种多因素耦合作用边坡危岩体失稳启动速度确定方法，其特征在于，所述S1的所述危岩体概化力学模型基于如下假设建立：①地震波拉剪作用是危岩体裂缝扩展的根本动力；②危岩体裂缝是l型和ll型复合型裂缝；③地震荷载作用下裂缝尖端应力强度因子大于岩体断裂韧性时，裂缝开始扩展；④模型截取单位宽度，基于平面应变问题讨论分析；⑤假设危岩失稳启动后，运动过程中危岩体保持完整不破碎。 3.根据权利要求2所述的一种多因素耦合作用边坡危岩体失稳启动速度确定方法，其特征在于，所述S1包括：设定危岩体主控结构面裂缝高度e，0点为初始裂缝尖端位置，H为危岩体总高度，假定h w 为裂隙水的填充高度，G为危岩体重力；当存在地震荷载时，假定地震力作用方向与水平方向夹角为α，其中水平地震加速度为a h ，竖向地震加速度为a v ，则地震加速度和地震力作用方向与水平方向夹角如式(1)所示：作用于危岩体上地震荷载P可分解为水平地震荷载P h 和竖向地震荷载P v ，如式(2)所示：h和b分别为裂缝尖端0与危岩体重心，h w 为裂隙水的填充高度；危岩体考虑重力G、地震荷载P、裂隙水压力P w 、沿初始裂缝方向剪力F x 、法向拉力T和弯矩M O 等荷载；重力G对应质量m；根据危岩实际受力模式，以裂缝尖端0点为原点、初始裂缝方向为x轴建立x0y直角坐标系；假定危岩体重心与裂缝尖端的水平与竖向距离分别为l 1 和h 1 ，危岩体总高度H，求解裂缝尖端0点的受力如下式(3)-式(6)所示：裂隙水压力P w ：式中：P w 为裂隙水压力，γ w 为水的重度，h w 为裂隙水高度；沿初始裂缝方向剪力F x ：F x ＝P h cosβ+(G+P v )sinβ   (4)式中：F x 为沿初始裂缝方向剪力，P h 为水平地震力，P v 为竖向地震力，G为岩体重力，β为岩体结构面与水平面夹角；法向拉力T：T＝P h sinβ+(P v -G)cosβ   (5)弯矩M O ：M O ＝P h h 1 ±(P v -G)l 1 (6)；式中：M O 为弯矩，h 1 为危岩体重心与裂缝尖端的竖向距离，P h 为水平地震力，P v 为竖向地震力，G为岩体重力，l 1 为危岩体重心与裂缝尖端的水平距离，β为岩体结构面与水平面夹角；式(3)-式(6)中：当危岩体的重心在0点内侧时，所有量的符号取“-”；当危岩体重心在0点外侧时，所有量的符号取“+”。 4.根据权利要求3所述的一种多因素耦合作用边坡危岩体失稳启动速度确定方法，其特征在于，所述S2包括：将基于断裂力学，每类危岩的破坏为危岩体主控结构面在荷载组合作用下的断裂扩展问题建立断裂模型，将危岩稳定性分析作为所述断裂模型的求解过程，包括：假定法向拉力T和沿初始裂缝方向剪力F x 沿所述危岩体主控结构面均匀分布，将所述断裂模型分解为由裂隙水压力P w 、沿初始裂缝方向单位长度的剪力τ、弯矩M O 和单位高度法向拉力σ作用的四种情况；其中τ＝F x /L；σ＝T/H；L为危岩体总长度；假定裂隙水压力在主控结构面贯通段均匀分布，则由此产生的断裂强度因子由下式(7)表示：式中：K I1 为裂隙水压力产生的应力强度因子， 为裂隙水压力，a 0 为裂纹长度；法向拉力T产生的裂缝断裂强度因子由下式(8)表示：式中：K I2 为法向拉力产生的应力强度因子，T为法向发力，H为危岩体总高度，a 0 为裂纹长度；弯矩M O 产生的裂缝断裂强度因子由下式(9)表示：式中：K I3 为弯矩M O 产生的应力强度因子，F(e)为与危岩体主控结构面裂缝高度有关的函数，e为危岩体主控结构面裂缝高度， 为弯矩产生的最大正应力；沿初始裂缝方向剪力F x 产生的裂缝断裂强度因子由下式(10)表示：式中：K I4 为剪力F x 产生的应力强度因子， 为剪力F x 产生的剪应力；根据应力强度因子的可叠加性，危岩主控结构面第一类断裂强度因子K I 由下式(11)计算：K I ＝K I1 +K I2 +K I3 +K I4 (11)。 5.根据权利要求4所述的一种多因素耦合作用边坡危岩体失稳启动速度确定方法，其特征在于，所述S3基于假定主控结构面初始裂纹在荷载作用下沿原裂纹方向扩展，根据功能原理，主控结构面裂纹扩展时，裂纹体的位能降低并释放弹性应变能；以及对于1-ll型加载下的平面断裂问题，所释放的弹性应变能等于使裂纹重新闭合至原有状态所应做的功的假定实现。 6.根据权利要求5所述的一种多因素耦合作用边坡危岩体失稳启动速度确定方法，其特征在于，所述S3包括：裂纹尖端扩展长度Δa，这一过程中危岩体释放弹性应变能；假定在裂纹面Δa上施加均布正应力σ y 和剪应力τ yx ，使得裂纹重新闭合，均布正应力σ y 和剪应力τ yx 随各点作用力的位移按线性变化规律由零逐渐增大；施加于裂纹面Δa上各点正应力和剪应力的最大值分别为σ y (r，0)和τ yx (r，0)，裂纹在闭合过程中裂纹面Δa上对应的位移量为u(r，π)、v(r，π)；将r＝x、θ＝0带入裂纹端部区域y方向应力场，得施加于裂纹面Δa上各点正应力和剪应力的最大值分别如式(12)和式(13)所示：式中：σ y (r，0)为极坐标系中极径r＝r、极角θ＝0处的正应力；τ yx (r，0)为极坐标系中极径r＝r、极角θ＝0处的剪应力；K I 为危岩主控结构面第一类断裂强度因子；K II 为危岩主控结构面第二类断裂强度因子；将r＝Δa-x、θ＝π带入裂纹端部区域y方向位移场，可得裂纹在闭合过程中裂纹面Δa上对应的位移量分别如式(14)和式(15)所示：则裂纹扩展Δa时裂纹位能降低所释放的弹性应变能ΔU如下式(16)所示：危岩体主控结构面扩展失稳可视为平面应变问题， 剪切模量 单位为kPa；裂纹扩展面积增量ΔA＝bΔa，单位为m 2 ；则式(16)转化为式(17)： 7.根据权利要求6所述的一种多因素耦合作用边坡危岩体失稳启动速度确定方法，其特征在于，所述S4包括：作为脆性材料，危岩失稳主控结构面裂纹端部应力K * 超过其强度极限K IC 时，即K * ＞K IC ，裂纹开始扩展；危岩失稳时，裂纹位能降低所释放的弹性应变能ΔU瞬间释放转化为危岩体运动的动能E k ；根据动能定理，可得式(18)：式(18)中：E k 为危岩体初始动能；m为危岩体质量；v 0 为危岩体初始运动速度；联立式(17)和式(18)，求解危岩体初始运动速度如下式(19)所示：其中所述危岩体初始运动速度即为边坡危岩体失稳启动速度。 8.一种多因素耦合作用边坡危岩体失稳启动速度确定系统，用于实施权利要求1-7任一所述的方法，其特征在于，包括：模型建立模块(101)，用于建立危岩体概化力学模型，所述危岩体概化力学模型中，将危岩体主控结构面简化为贯通段和未贯通主控结构面两部分，危岩体失稳破坏受所述危岩体主控结构面对应的岩体控制；受力分析模块(102)，用于基于受到外荷载作用和所述危岩体概化力学模型，对危岩体和锁固段岩体进行受力分析；其中，所述外荷载作用包括水平和竖向地震力、冻胀力、裂隙水压力和超孔隙水压力中的一种或多种；应变能确定模块(103)，用于基于多因素耦合作用的条件，确定所述危岩体主控结构面的裂缝扩展中位能降低所释放的弹性应变能；启动速度确定模块(104)，用于基于所述危岩体主控结构面的裂缝扩展中位能降低所释放的弹性应变能瞬间释放转化为危岩体运动的动能的假设，确定多因素耦合作用下边坡危岩体剧动的失稳启动速度。 9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如权利要求1-7任一所述的方法。 10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如权利要求1-7任一所述的方法。