[发明专利]一种非均质边坡稳定性分析方法

权利要求书

1.一种非均质边坡稳定性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集工程区域的块石二维投影；

步骤2：通过MATLAB构建块石二维投影的24边形，并建立记录块石二维投影的24边形的顶点坐标的数据库；

步骤3：通过MATLAB生成块石二维投影的块石三维图形；

步骤4：采集工程区域的边坡影像，并通过三维重构技术生成工程区域的三维边坡模型；

步骤5：将块石三维图形嵌入工程区域的三维边坡模型，建立非均质边坡模型；

步骤6：赋予非均质边坡模型工程区域的岩土材料数据、边界限制条件及作用力参数；

步骤7：根据有限元强度折减法对非均质边坡模型进行分析，快速生成边坡稳定性分析报告；

所述步骤2具体为：

2.1：通过MATLAB将块石二维投影转化为二值图，并获取块石二维投影的外部轮廓线；

2.2：利用块石二维投影的外部轮廓线构建块石二维投影的24边形，并建立记录块石二维投影的24边形的每个顶点坐标的数据库，每个顶点的坐标包括横坐标X_i和纵坐标Y_i，其中i为块石二维投影的24边形的顶点序号，i为整数，取值范围1≤i≤24，以X轴正向为起始方向，按逆时针方向依次记录顶点的序号，块石二维投影的24边形及其顶点坐标确定方法如下：

(1)块石二维投影的外部轮廓线上的节点数目为24时，块石二维投影的24边形与块石二维投影的外部轮廓线对应，块石二维投影的24边形的24个顶点分别为块石二维投影的外部轮廓线上的24个节点，块石二维投影的24边形的24个顶点的坐标与块石二维投影的外部轮廓线上的24个节点坐标一一对应；

(2)块石二维投影的外部轮廓线上的节点数目大于24时，计算块石二维投影的外部轮廓线上每条边的长度，找到长度最短的边及与其相邻的两条边中的较短边，删除此较短边与长度最短的边共有的节点，连接此较短边剩下的另一节点和长度最短的边的剩下的另一节点，以形成新的块石二维投影的外部轮廓线，利用此方法，直至形成新的块石二维投影的外部轮廓线上的节点数目为24，则块石二维投影的24边形与新的块石二维投影的外部轮廓线对应，块石二维投影的24边形的24个顶点的坐标与新的块石二维投影的外部轮廓线上的24个节点坐标一一对应；

(3)块石二维投影的外部轮廓线上的节点数目小于24时，计算块石二维投影的外部轮廓线上每条边的长度，找到长度最长的边，将长度最长的边的中点分别与长度最长的边的两个节点连接，长度最长的边的两个节点不再连接，以形成新的块石二维投影的外部轮廓线，利用此方法直至形成的新的块石二维投影的外部轮廓线上的节点数目等于24，则块石二维投影的24边形与新的块石二维投影的外部轮廓线对应，块石二维投影的24边形的24个顶点的坐标与新的块石二维投影的外部轮廓线上的24个节点坐标一一对应；

2.3：利用2.1至2.2的方法构建步骤1所采集块石二维投影的24边形，并建立记录每个块石二维投影的24边形的每个顶点坐标的数据库；

所述步骤3具体为：

3.1：建立一个三维空间坐标系，抽取一个块石二维投影的24边形，将此块石二维投影的24边形的形心移动至三维空间坐标系的原点处，将块石二维投影的24边形的24个顶点的Z坐标均赋值为0，得到此块石二维投影的24边形在三维空间坐标系中所有顶点Z坐标均为0的块石三维中心平面；

3.2：基于此块石三维中心平面，生成与此块石三维中心平面平行的四个子平面，分别为子平面1、子平面2、子平面3和子平面4，其中子平面2与此块石三维中心平面相邻且位于其上方，子平面3与此块石三维中心平面相邻且位于其下方，子平面1与子平面2平行、相邻且位于其上方，子平面4与子平面3平行、相邻且位于其下方，具体方法如下：

(1)定义块石Z方向高度与块石X方向宽度的比值E，0E1；

(2)生成子平面2，基于块石三维中心平面的24边形的12个奇数顶点的坐标值生成子平面2的12边形的12个顶点的坐标值，并对子平面2的12边形的12个顶点进行标号，子平面2的12边形的序号1到序号12的顶点分别与块石三维中心平面的24边形的序号为1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23的顶点一一对应，子平面2的12边形的序号1到序号12的顶点的Y坐标分别为块石三维中心平面的24边形的序号为1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23的顶点的Y坐标乘以0.8，子平面2的12边形的序号1到序号12的顶点的X坐标分别为块石三维中心平面的24边形的序号为1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23的顶点的X坐标，定义子平面2的12边形的12个顶点的Z坐标的分布范围H，0.7≤H≤0.825，根据unifrnd函数在0.7*E和0.825*E之间生成4个数值，将此4个数值从小到大进行排序并分别用A、B、C和D进行表示，将子平面2的12边形中序号为1的顶点的Z坐标的值确定为此4个数值中的最小值A，将子平面2的12边形中序号为4的顶点的Z坐标的值确定为此4个数值中的第二小值B，将子平面2的12边形中序号为7的顶点的Z坐标的值确定为此4个数值中的第二大值C，将子平面2的12边形中序号为10的顶点的Z坐标的值确定为此4个数值中的最大值D，根据unifrnd函数在A*E和B*E之间生成2个数值，将子平面2的12边形中序号为2的顶点的Z坐标的值确定为此2个数值中的较小值，将子平面2的12边形中序号为3的顶点的Z坐标的值确定为此2个数值中的较大值，根据unifrnd函数在B*E和C*E之间生成2个数值，将子平面2的12边形中序号为5的顶点的Z坐标的值确定为此2个数值中的较小值，将子平面2的12边形中序号为6的顶点的Z坐标的值确定为此2个数值中的较大值，根据unifrnd函数在C*E和D*E之间随机生成2个数值，将子平面2的12边形中序号为8的顶点的Z坐标的值确定为此2个数值中的较小值，将子平面2的12边形中序号为9的顶点的Z坐标的值确定为此2个数值中的较大值，根据unifrnd函数在D*E和A*E之间生成2个数值，将子平面2的12边形中序号为11的顶点的Z坐标的值确定为此2个数值中的较小值，将子平面2的12边形中序号为12的顶点的Z坐标的值确定为此2个数值中的较大值，通过以上步骤确定子平面2的12边形中的12个顶点的X坐标、Y坐标和Z坐标，将此12个顶点按序号顺序依次相连并首尾相连得到子平面2；

(3)利用生成子平面2的方法生成子平面3，其中定义子平面3的12边形的12个顶点的Z坐标的分布范围Q，0.1≤Q≤0.3；

(4)生成子平面1，基于子平面2的12边形的6个奇数顶点的坐标值生成子平面1的6边形的6个顶点的坐标值，并对子平面1的6边形的6个顶点进行标号，子平面1的6边形的序号1到序号6的顶点分别与子平面2的12边形序号为1、3、5、7、9、11的顶点一一对应，子平面1的6边形的序号1到序号6的顶点的Y坐标分别为子平面2的12边形的序号为1、3、5、7、9、11顶点的Y坐标乘以0.8，子平面1的6边形的序号1到序号6的顶点的X坐标分别为子平面2的12边形的序号为1、3、5、7、9、11顶点的X坐标，定义子平面1的6边形的6个顶点的Z坐标的分布范围W，0.825≤Q≤0.875，根据unifrnd函数在0.825*E和0.875*E之间生成2个数值，将子平面1的6边形中序号为1的顶点的Z坐标的值确定为此2个数值中的较小值G，将子平面1的6边形中序号为6的顶点的Z坐标的值确定为此2个数值中的较大值K，根据unifrnd函数在G*E和K*E之间生成4个数值，将子平面1的6边形中序号为2的顶点的Z坐标的值确定为此4个数值中的最小值，将子平面1的6边形中序号为3的顶点的Z坐标的值确定为此4个数值中的第二小值，将子平面1的6边形中序号为4的顶点的Z坐标的值确定为此4个数值中的第二大值，将子平面1的6边形中序号为5的顶点的Z坐标的值确定为此4个数值中的最大值，通过以上步骤确定的子平面1的6边形中的6个顶点的X坐标、Y坐标和Z坐标，将此6个顶点按序号顺序依次相连并首尾相连得到子平面1；

(5)利用生成子平面1的方法生成子平面4，其中定义子平面4的6边形的到6个顶点的Z坐标的分布范围为T，0≤T≤0.1；

3.3：将块石三维中心平面的24边形、子平面1的6边形、子平面2的12边形、子平面3的12边形和子平面4的6边形上的顶点连接形成块石三维图形，步骤如下：

(1)将块石三维中心平面的24边形的24个顶点与子平面2的12边形的12个顶点进行连接构成36个三角形，以形成以块石三维中心平面边界线与子平面2边界线为边界的封闭曲面，三角形的连接方法具体为：将子平面2的12边形的第1个顶点作为三角形的第一个顶点形成两个三角形，其中块石三维中心平面的24边形的第24个顶点和第1个顶点分别为其中一个三角形的另外两个顶点，块石三维中心平面的24边形的第1个顶点和第2个顶点分别为另一个三角形的另外两个顶点；将子平面2的12边形的第m个顶点作为三角形的第一个顶点形成两个三角形，m为整数，2≤m≤12，其中块石三维中心平面的24边形的第2m-2个顶点和第2m-1个顶点分别为其中一个三角形的另外两个顶点，块石三维中心平面的24边形的第2m-1个顶点和第2m个顶点为另一个三角形的另外两个顶点；将子平面2的12边形的第j个顶点、子平面2的12边形的第j+1个顶点和块石三维中心平面的第2j个顶点分别作为三角形的三个顶点形成一个三角形，j为整数，1≤j≤11；将子平面2的12边形的第12个顶点、子平面2的12边形的第1个顶点和块石三维中心平面的24边形的第24个顶点分别作为三角形的三个顶点形成一个三角形；

(2)将块石三维中心平面的24边形的24个顶点与子平面3的12边形的12个顶点进行连接构成36个三角形，以形成以块石三维中心平面边界线与子平面3边界线为边界的封闭曲面，三角形的连接方法与块石三维中心平面的24边形的24个顶点与子平面2的12边形的12个顶点的连接方法一致；

(3)将子平面2的12边形的12个顶点与子平面1的6边形的6个顶点进行连接构成18个三角形，以形成以子平面2边界线与子平面1边界线为边界的封闭曲面，三角形的连接方法具体为：将子平面1的6边形的第1个顶点作为三角形的第一个顶点形成两个三角形，其中子平面2的12边形的第12个顶点和第1个顶点分别为其中一个三角形的另外两个顶点，子平面2的12边形的第1个顶点和第2个顶点分别为另一个三角形的另外两个顶点；将子平面1的6边形的第k个顶点作为三角形的第一个顶点形成两个三角形，其中子平面2的12边形的第2k-2个顶点和第2k-1个顶点分别为其中一个三角形的另外两个顶点，子平面2的12边形的第2k-1个顶点和第2k个顶点分别为另一个三角形的另外两个顶点，k为整数，2≤k≤6；将子平面1的6边形的第f个顶点、子平面1的第f+1个顶点和子平面2的第2f个顶点分别作为三角形的三个顶点形成一个三角形，f为整数，1≤f≤5；将子平面1的6边形的第6个顶点、子平面1的6边形的第1个顶点和子平面2的12边形的第12个顶点分别作为三角形的三个顶点形成一个三角形；

(4)将子平面3的12边形的12个顶点与子平面4的6边形的6个顶点进行连接构成18个三角形，以形成以子平面3边界线与子平面4边界线为边界的封闭曲面，三角形的连接方法与子平面2的12边形的12个顶点与子平面1的6边形的6个顶点的连接方法一致；

3.4：按照3.1至3.3的方法构建步骤1所采集的块石二维投影的块石三维图形。