基于坡面网格全局搜索土坡临界滑动面的优化技术

提出了一种基于坡面网格全局搜索土坡临界滑动面的综合优化方法。该方法较好地结合了几何优化和数值优化长 处,原理简单,若辅以一定的经验分析,能较高效地得到土坡临界滑动面。通过2个实例计算表明,该方法计算搜索结果具有较好的稳定性和完备性,并且适用于一些复杂的工程土坡。     

样条函数模拟土坡滑动面的效率分析

土坡稳定分析中,二维滑动面通常由一系列点顺序连接产生,并且将点的坐标当作优化变量来搜索临界滑动面,当点的个数较多时会导致优化变量较多;只需给定少量的控制节点,即可利用三次样条函数得到光滑的曲线作为任意滑动面,该法对于含软弱夹层土坡,无需事先指定直线段。利用不平衡推力法计算给定滑动面的安全系数,采取和声搜索算法确定最小安全系数相应的临界滑动面。对3个土坡算例进行了比较分析,比较了常规策略与样条函数方法在模拟土坡滑动面时的效率。     

基于修复策略的改进和声搜索算法求解土坡非圆临界滑动面

针对土坡非圆临界滑动面的确定问题,提出了一种两点直线搜索策略替换随机搜索策略,以最大限度地利用和声库的积累信息搜索新解。以一种修复策略替换惩罚策略来修复搜索过程中可能出现的不合理滑动面,更有效地搜索最危险的滑动面,而构成了一种新的和声搜索算法,给出了利用新的和声搜索算法求解两个土坡最小安全系数及其临界滑动面,与已有的结果比较,证明了提出的两种策略是有效合理的。     

利用潘家铮极值原理与和声搜索算法进行土坡稳定分析

基于潘家铮极大极小值原理,结合和声搜索算法提出了一种土坡稳定分析的新方法。对给定的滑动面,利用和声搜索算法寻找出能使该滑动面具有最大抗滑稳定安全系数的内力分布,其间可以考虑土条发生局部破坏后的内力调整过程。同样利用和声搜索算法搜索出土坡最危险的滑动面。将该法应用于简单土坡、复杂土坡的稳定分析中,与传统方法计算结果的比较证明了新方法的合理和适用性。     

土坡圆弧临界滑面的网鱼算法

提出了一种新的搜索土坡临界滑面的优化方法——网鱼算法。该方法原理简单,具有较强的全局寻优能力。网鱼算法首先通过对较大范围内试算滑面作计算,得到局部最优值,然后再以局部最优为初值进行小范围、高密度的搜索,从而确定临界滑面。实例证明,该方法适用于复杂土坡的临界滑面搜索。      

基于能量定义的边坡临界滑动场方法

边坡临界滑动场法是最近发展起来的边坡稳定性计算方法,通过定义外力功与内能耗散之差为剩余功。基于能量定义的边坡临界滑动场模拟的主要思路为：给定一个安全系数,寻找最大剩余功对应的滑动面,变换安全系数直到所得最大剩余功为零,其对应的滑动面即为临界滑动面,相应的安全系数即为最小安全系数。通过两个典型土坡算例分析证明了该方法的有效性,与传统的临界滑动场相比,该新方法不再需要条间力假定,计算简单。     

一种基于数值应力场的强度各向异性边坡稳定性分析方法

提出了一种基于数值应力场下的边坡临界滑动面和临界坡高的分析方法。该分析方法首先利用有限元得到边坡内部较为精确的应力场,再通过在边坡内部模拟类似于链式反应过程中粒子产生和运动规律,在此基础上完成临界滑动面的搜索。主要结论如下：（1）提出了一种基于数值应力场的边坡临界滑动面的搜索方法,该方法可在不对边坡滑动面形状和位置进行干预的情况下完成潜在破坏路径的搜索。（2）通过对算法中区域与边界、激发源、产物扩散路径、路径权值4方面要素进行合理控制,可使算法在具有较高精度的同时又能保证较好的分析效率。（3）算法能较为方便地考虑真实应力条件下地层强度各向异性对边坡稳定性的影响,并能对临界坡高进行很好的分析。（4）通过具体算例对本文算法的计算结果进行验证,将所得结果与PSO和Monte Carlo两种方法得到结果进行对比,对本文方法的可靠性进行了验证,取得了较好的效果。     

遗传算法在土坡整体稳定性分析中的应用

边坡稳定性分析的关键是如何确定最危险滑动面的位置并计算与之相对应的安全系数。由于传统的极限平衡分析方法很容易陷入局部极小值而不能找到真正的最危险滑裂面,因此采用瑞典条分确立土坡分析模型,用遗传算法搜索土坡最危险滑动面,进而求得土坡最小安全系数。该方法模拟了生物遗传进化的过程,克服了传统方法的局限性。通过和面积细分法所搜索的最危险滑动面和计算得到的土质边坡安全系数作对比,可得遗传算法在土质边坡稳定分析中具有较高的精度与可靠性。遗传算法可以很好地解决如何寻找土质边坡整体极值的问题。工程应用实例表明,遗传算法分析土质边坡的稳定性效果良好,具有很好的应用前景。     

相遇蚁群算法在边坡非圆弧临界滑动面搜索中的应用研究

边坡非圆弧临界滑动面搜索是边坡稳定计算中的一个关键问题,其实质为安全系数最小的滑动路径搜索问题,采用效果良好的路径搜索算法--蚁群算法是目前研究的热点。为了克服传统蚁群算法效率低、效果差的缺点,基于蚂蚁正反向搜索相遇形成完整路径的原理,提出了一种相遇蚁群算法。将该算法用于边坡非圆弧滑动面搜索问题,提出了一种非圆弧临界滑动面搜索的新方法。通过2个边坡的算例计算及一个水库岸坡的工程应用,验证了新算法的有效性。计算结果表明,相遇蚁群算法无论是整个搜索范围还是从某一点起的搜索范围都要比一般蚁群算法大,所以相遇蚁群算法在搜索边坡临界滑动面时所得到解的多样性也要比一般蚁群算法好,因此,相遇蚁群算法的搜索范围能以较大的概率包含全局最优解,算法最终也能以较大概率搜索到全局最优解。最终,相遇蚁群算法可以在更大的范围内以更快的速度找到边坡的临界滑动面。     

基于小生境遗传算法软土地基上加筋路堤稳定性分析

在软土地基加筋路堤稳定性分析方法中,传统分析方法(如瑞典法和荷兰法)因对加筋材料的加筋作用估计不足,导致计算结果过于保守,与实际不符。本文在充分考虑加筋体的加筋作用下,提出了新的加筋路堤稳定性分析计算方法,并采用小生境遗传算法搜索临界滑动面和最小安全系数。算例计算结果表明,本文提出的加筋路堤稳定性分析方法与工程实际情况吻合较好,并且小生境遗传算法能有效地搜索到边坡所有的临界滑动面。     

基于交替变量局部梯度法对土质边坡的三维稳定性分析

临界滑动面的获得是土质边坡稳定性分析中一个必要的过程,然而现有分析方法难以保证该临界滑面的准确性,而且部分分析方法在计算过程中会陷入局部最小值陷阱。基于单变量方法和最速梯度法,提出了交替变量局部梯度法,该方法能够突破最优化方法应用在边坡稳定性分析上的瓶颈。首先,通过斯宾塞极限平衡方法和网格搜索法（或者其他确定临界滑面的方法）,获得边坡初始椭球状临界滑面;其次,在该滑面上布置若干节点作为变量,目标函数为安全系数Fs关于空间节点坐标Zi的方程,为了使目标函数快速降低,沿负梯度方向循环优化每个节点,当满足一定精度要求时,即可获得三维土质边坡非圆弧状临界滑动面;最后,通过算例证明该方法可行,计算结果可靠。     

季冻区土质边坡滑动界面临界深度的试验研究

为研究季节冰冻区土质边坡春融期常发生的浅层滑坡灾害,考虑盐水冰点低于水的冰点这一物理特性,设计了模拟土坡内部冻融界面的试验方法。比较了在不同含水率时,经冻融循环后土质边坡滑动面的临界深度,验证了在冻融界面上土质边坡的破坏形态,根据试验结果拟合了符合本文土样条件的土质边坡滑动面临界深度的损伤模型。分析表明,冻融循环后,随含水率和冻融循环次数的增加,边坡滑动破坏的临界深度值逐渐减小,经对试验数据拟合提出的临界深度随冻融循环损伤模型,可为季节冰冻区的边坡设计提供参考。     

地下矿体采动下的露天采场边坡稳定性研究

对于进入中晚期的露天金属矿,为了延长矿山的寿命或露天转地采稳产过渡,通常选择露天与地下联合开采,那么矿体采动下的边坡稳定性问题则尤为突出。在边坡几何形态、上部荷载和材料性质等不变的情况下,极限平衡获得的边坡安全系数为定值,因此,不能用来反映地下矿体采动对边坡稳定性影响。为了克服常规极限平衡方法的上述缺陷,采用基于边坡应力场的矢量和法求解滑动面的安全系数,结合蚁群算法与遗传算法联合搜索边坡临界滑动面,以确定矿体开采前后边坡的安全系数和临界滑动面。最后,给出一个假定算例和两个工程算例说明上述安全系数求解和临界滑面搜索方法的有效性,并揭示了地下矿体开采对露天采场边坡的稳定性的影响。     

填筑和开挖边坡的稳定性分析

在有限元应力应变分析的基础上,采用以剪应力定义的安全系数和模式搜索的方法确定边坡的安全系数及最危险滑动面。在平面应变条件下,对土层均质的填筑和开挖边坡的稳定性进行了较为全面的研究,并同天然边坡的安全系数和破坏面进行比较,计算结果表明,这3类边坡滑动面的形状基本一致,天然边坡安全系数要高于填筑和开挖边坡;同时比较了采用有限元稳定评价方法和采用极限平衡方法计算结果的差别;最后分析研究了计算参数变化对填筑和开挖边坡稳定性的影响。     

临近边坡的条形基础地基极限承载力数值分析

建筑物或构筑物基础临近边坡置放的情况在实际工程中十分普遍,但目前对于临近边坡基础的地基承载力及破坏模式尚缺乏深入研究。采用不连续布局优化（DLO）极限分析法建立数值模型,分析边坡几何尺寸、土体参数和基础位置对临坡条形基础的极限承载力和边坡破坏模式的影响,并对国内外现行规范推荐的计算方法进行评价。结果表明：极限承载力随边坡高度和边坡倾斜角的增大而减小,当坡高超过临界高度后,极限承载力将不受其影响;极限承载力随土体黏聚力和内摩擦角的增大而提高,滑动面随黏聚力的增大而变浅,随内摩擦角的增大而变深;极限承载力随基础与坡肩相对距离的增大而提高,当基础置放位置超过某临界距离后极限承载力不受边坡影响。在土体强度高、坡角较大时,《建筑地基基础设计规范》规定的临坡基础最小置放距离偏于危险,设计时仍需考虑边坡对承载力的减损作用;在土体强度较低、坡角较小时,规范规定值偏于保守。美国AASHTO规范对边坡地基极限承载力的取值在砂土边坡时较为可靠,但其仅适用于坡面破坏模式的情况;饱和黏土边坡的承载力曲线有悖于理论解,对临界距离的规定同样存在低估。     

基坑土钉支护边坡有限元稳定性分析方法探讨

针对基坑土钉支护开挖边坡的稳定性,讨论了极限平衡方法的局限性,指出应用有限元方法分析评价基坑土体结构稳定性是近年来研究的新趋势。采用滑面应力分析法和强度折减法两种有限元方法对基坑边坡的稳定性进行了研究。对于无支护的基坑边坡,两种有限元方法得到的安全系数和滑动面结果一致,且滑动面形状随基坑土体强度的降低保持不变。对于采用土钉支护的基坑边坡,两种有限元方法得到的安全系数结果一致,不同阶段下滑动面形状和位置不同,这主要是由于在强度折减时,仅仅对土体强度参数进行折减,而未考虑土钉自身强度的降低。最后指出,在应用强度折减法时,是否考虑土钉自身强度的折减有待进一步研究。     

An improved search strategy for the critical slip surface using finite element stress fields

The finite element method can be used to advantage in slope stability problems. This paper proposes a technique to search for the critical slip surface as well as to define and calculate the factor of safety for the slope, when the finite element method is used to model its formation. First, stresses are estimated at each Gaussian point from the finite element analysis. Then, the global stress smoothing method is applied to get a continuous stress field. Based on this stress field, the factor of safety is calculated for a specified slip surface by a stress integration scheme. An improved search strategy is proposed for a noncircular critical surface which starts with a search method for a circular critical surface. During the search process, points defining a trial slip surface can freely move in the finite element mesh subject to some kinematical constraints. This method can be applied to both the limit equilibrium method and the finite element method. Effects of the slope stress history and soil parameters on the resulting critical surface are investigated.     

一种基于位移场分析的临界滑动面确定方法研究

安全系数的计算和临界滑动面的确定是边坡稳定性分析的两个组成部分,强度折减法可以得到合理的安全系数,但却不能准确刻画临界滑动面的位置。基于对滑动现象的认识,提出了一种基于位移场分析的临界滑动面确定方法,认为当边坡处于临界状态时,其潜在滑动面附近的位移等值线最为密集,潜在滑动面上的点往往是在深度方向上沿垂直滑面的位移变化率达到最大值的位置。将本文方法与Spencer法、岩质边坡模型试验进行了对比,验证了该方法在曲线和折线滑动面搜索方面的适用性和可靠性。同时,探讨了单元形状、疏密程度、离散点间距等因素对滑动面的影响。     

基于随机响应面法的边坡系统可靠度分析

提出了一套基于随机响应面法的边坡系统可靠度分析方法。该方法首先从大量潜在滑动面中筛选出代表性滑动面。针对每条代表性滑动面,采用Hermite多项式展开建立其安全系数与土体参数间的非线性显式函数关系（即随机响应面）。然后,采用直接蒙特卡洛模拟计算边坡系统失效概率。在蒙特卡罗模拟中,采用所有代表性滑动面的随机响应面计算每一组样本所对应的边坡最小安全系数。最后,以两个典型多层边坡系统可靠度问题为例验证了该方法的有效性。结果表明：文中提出的边坡系统可靠度分析方法能够有效地识别边坡代表性滑动面,具有较高的计算精度和效率,并且确定代表性滑动面时无需计算滑动面间的相关系数。同时该方法可以有效地计算低失效概率水平的边坡系统可靠度,为含相关非正态参数的边坡系统可靠度问题提供了一条有效的分析途径。此外,多层边坡可能同时存在多条潜在滑动面,基于单一滑动面（如临界确定性滑动面）或者部分代表性滑动面进行边坡系统可靠度分析均会低估边坡失效概率。