岩土工程可靠度分析的改进四阶矩方法

岩土工程可靠度分析中,功能函数往往呈隐式且具有强非线性性质,而目前最为实用的矩方法,如JC法、二次二阶矩法,主要适用于显式功能函数情形。为此,将高效的统计矩估计方法和可靠度分析的高阶矩法相结合,提出了一种岩土工程可靠度分析的改进四阶矩方法。首先,通过引入变量的独立化变换和线性变换将功能函数转换为参考变量的函数,并结合多变量函数的单变量降维近似方法和参考变量计算节点与权系数的确定方法,建立了功能函数前四阶矩的高效点估计法。然后,将上述统计矩与立方正态变换假设相结合,提出了易于实现的岩土工程可靠度分析的改进四阶矩方法。最后,由数学算例验证了统计矩估计方法的效率和精度,并通过经典的岩土工程算例验证了建议的改进四阶矩方法具有高效率、高精度且操作简单等特点。     

岩土工程可靠度分析的改进响应面法研究

为了提高响应面法的计算效率和精度,对现有的全局响应面法进行了改进。采用径向基函数（RBF）神经网络,代替目前常用的BP网络,迭代过程中在超锥体的范围内构造响应面,逼近隐式的非线性功能函数。数值算例分析表明,与通常的响应面法相比,改进全局响应面法的迭代次数和有限元分析次数均大幅减少,节省机时,有利于提高计算精度。同时,以浅基础和挡土墙为工程背景进行可靠度分析,表明该方法能以较快的收敛速度和较少的有限元分析次数,获得较高精度的可靠度指标,适用于岩土工程的可靠度分析。     

岩土工程可靠度分析的神经网络四阶矩法

针对岩土工程的功能函数强非线性且难以显式表达的特点,提出了基于人工神经网络的四阶矩法,充分利用了基本随机变量的统计信息。首先利用神经网络对结构的隐式功能函数进行拟合,求得基本随机变量在均值点处的功能函数值及其偏导数,然后利用泰勒级数展开的方法由基本随机变量的前四阶矩求得功能函数的前四阶矩,并借助于Pearson系统获得功能函数的更高阶矩。在此基础上,通过最大熵原理确定以功能函数各阶矩为约束的功能函数的概率密度函数,最后由一次积分得到结构的失效概率。通过数值算例和工程实例不同方法的对比分析,表明基于神经网络的结构可靠度分析四阶矩方法是可行的,有效的,能够满足岩土工程可靠度分析的要求。     

边坡可靠度分析的支持向量机法

提出了基于支持向量机（SVM）的边坡可靠度分析新算法。该方法采用均匀设计确定样本点,通过一定数量的确定性计算来训练SVM,拟合边坡的功能函数;采用一阶可靠度方法（FORM）和迭代算法优化SVM模型,获得可靠度指标和验算点信息;在SVM模型基础上进一步通过二阶可靠度方法（SORM）和蒙特卡罗模拟（MCS）计算边坡的失稳概率。以两个典型边坡为例,通过与其他方法比较,证明了该方法的准确性和高效性。结果表明：提出的在标准正态空间（U空间）中取样并构建SVM,在原始空间（X空间）中计算功能函数的算法,有效地解决了具有相关非正态分布变量的可靠度分析问题,并且可很容易扩展到SORM的计算。算例结果证明,该方法的精度高于FORM;而效率优于MCS。分析过程中,边坡安全系数计算和可靠度分析相互独立。因此,该方法既适用于具有显式功能函数的简单问题,也适用于需要软件计算安全系数的实际边坡问题。     

PSO-RBFNN模型及其在岩土工程非线性时间序列预测中的应用

岩土工程受力变形演化是一个典型的非线性问题,其演化的高度非线性和复杂性,很难用简单的力学、数学模型描述,但可用粒子群优化径向基神经网络对岩土工程应力、位移非线性时间序列进行动态实时预测。网络径向基层的单元数通过均值聚类法确定后,所有其它参数：中心位置、形状参数、网络权值,均通过粒子群优化算法在全局空间优化确定。工程实例应用表明,该模型预测结果准确、精度高,有良好的应用前景。     

岩土工程计算分析的力分配方法

提出了一种岩土工程计算的新方法,即力分配方法。阐述了力分配方法的原理,并详细推导了方法的相应公式。提出的方法,适应于一般的岩土体力学分析,也同样适应于一般的固体力学计算。由于采用分配法计算,因此,该方法具有分配法计算的所有特点：共同避免了组成和解算典型方程,而以逐次渐近的方法来计算节点的不平衡力;其物理概念生动形象,易于掌握,且程序简单。由于该方法所具有的这些特点,其将在岩土工程计算领域有较好的应用前景。     

对岩土工程数值分析的几点思考

首先,介绍了笔者对我国岩土工程数值分析现状的调查结果及分析,然后,分析了采用连续介质力学分析岩土工程问题的关键,并讨论分析了岩土本构理论发展现状,提出对岩土本构理论发展方向的思考,最后对数值分析在岩土工程分析中的地位作了分析。分析表明,岩土工程数值分析结果是岩土工程师在岩土工程分析过程中进行综合判断的重要依据之一;采用连续介质力学模型求解岩土工程问题的关键是如何建立岩土的工程实用本构方程;建立多个工程实用本构方程结合积累大量工程经验才能促使数值方法在岩土工程中由用于定性分析转变到定量分析。     

岩土工程建筑信息模型集成与仿真关键技术研究

岩土工程;建筑信息模型（BIM）;一体化集成;施工模拟;数值模拟     

数值流形方法对岩土工程开挖卸荷问题的模拟

基于数值流形方法数学覆盖与物理网格的相对独立性,考虑任一时刻体系中真实存在的各平衡力项对体系平衡的作用,提出用数值流形方法模拟岩土工程开挖卸荷的方法。相对于传统数值方法,数值流形方法在模拟开挖时不用计算开挖面上的释放荷载,不用为卸除的材料部分准备专门的单元,简单的数学网格可以适应任意的开挖过程,使其对开挖的模拟更加简便和有效,同时高阶的流形方法对开挖问题具有较高的求解精度。     

可靠度分析中梯度求解方法的研究

在岩土工程的可靠度分析中，功能函数的形式非常复杂，甚至是隐式的。而对于常用的可靠度分析方法，如一阶可靠性方法（FORM）、二阶可靠性方法（SORM）等，一个重要的问题是求功能函数对基本随机变量的梯度。因此，对于隐式的或复杂的显式功能函数，必须采用数值微分方法来求解功能函数的梯度。对于可靠度分析中常用的有限差分法（FDM）及有理多项式法（RPT）这两种数值微分方法，本文详细研究了二者问的异同及其求导结果与步长的关系，指出了对于相同的步长控制系数及取样方式，FDM是RPT在线性情况下的特例；对于连续的线性功能函数，可直接用3点FDM求导：对于连续的非线性功能函数，可用5点RPT求导；对于非连续的功能函数，应采用RPT求导。建议取步长控制系数等于1。     

三维过渡等参单元在岩土工程有限元分析中的应用

土石坝等复杂土工结构物有限元三维建模中多采用精度较高的六面体单元辅以部分过渡用的退化单元,而退化单元由于形态不好,会导致有限元计算精度较差。解决该问题的途径之一是采用过渡性的等参元。总结了几种常遇到的过渡等参单元（楔形体、四面体、金字塔）的插值函数和高斯积分局部坐标和权重,并编入了有限元程序。通过比较六面体单元和金字塔单元剖分理想土石坝的有限元计算结果,说明所引入的金字塔单元是满足精度要求的。将各种过渡单元应用于实际土石坝工程的有限元计算,结果表明,使用过渡等参单元是可以在一定程度上提高计算精度的。最后讨论了二次单元在弹塑性有限元动力计算中的应用。二次单元的使用,可以改善动力计算中的超静孔压分布,提高计算精度。     

岩土工程亿级单元有限元模型可扩展并行计算

讨论了亿万单元有限元模型的可扩展并行计算方法。从软件和硬件两个方面提出了前处理、并行计算方法、程序算法、后处理实现等核心问题的解决方案。采用网格加密方法生成一亿单元的有限元模型,利用对偶原始有限元撕裂内联法（FETI-DP）求解系统方程。基于图论理论建立了子区域间的通讯拓扑关系,实现了子区域间点对点通讯,避免速度慢、通信量大的全局通讯。在自主开发程序基础上,增加相应模块,采用面向对象编程技术和MPI消息传递库开发程序。对一个一亿多单元的工程实例运用5 000核并行计算,得到了超线性加速比。计算结果在专用图形工作站上进行后处理,显示和交互操作速度良好。研究在两方面实现了突破：一是将模型规模提高到了一亿多单元;二是同时调用了5 000个计算核来并行运算,并得到了很高效率。高分辨率有限元并行模拟研究成果可为岩土工程中结构特别复杂、计算区域特别大、地质情况复杂等模拟提供很好的技术方法和实现手段。     

Reliability analysis of the induced damage for single-hole rock blasting

Rock explosion has always been a complex problem because neither rock characteristics nor explosion waves could be accurately estimated. As such, this imposes a high uncertainty on deterministic methodologies available for damage prediction. In this paper, by defining two damage zones around the blast hole, including crushed and cracked zones, a first-order reliability analysis (FORM) was adopted to address this issue. For this purpose, FORM was used in a double-loop algorithm, where the inner loop was responsible for converging the FORM, and the outer loop was assigned to feed the inner loop with new cases. Using such nested-loop algorithm, the probability of exceedance was calculated for any desired damage zone radius. The maximum effect of the involved parameters on the failure probability induced around the blast hole was additionally studied using a parametric reliability analysis. The results showed that the radii for crushed and cracked zones are limited to 0.5 and 4.2?m, respectively, so that the probability of going beyond these limits is less than 1%. Moreover, the analyses of decoupled explosions showed that increasing the gap between the explosion charge and wall of the borehole could severely reduce the failure probability; however, the maximum effect of decoupling ratio occurs in the small range of radii between 0.3?mm and 2.35?m.     

基于响应面法的边坡稳定二阶可靠度分析

提出了基于响应面法的边坡稳定二阶可靠度分析的实用算法。选择U空间中的随机变量,通过空间变换和相关矩阵分解,计算试验点的功能函数;通过迭代算法构造响应面、以确保通过最小的计算量获得最优精度,并在此基础上进行FORM/SORM计算。以一岩石边坡的平面滑动问题为例,通过与蒙特卡洛模拟、FORM及随机响应面法的比较,证明了该方法的准确性和高效性。分析了参数的相关性及试验点取值范围对计算结果的影响,讨论了可靠度分析结果中参数敏感性和物理属性问题。该方法可为实际边坡问题的可靠度分析提供参考,并可以用来进行基于可靠度分析的加固设计。     

A reliable-subset DIC method for deformation measurements in similarity simulation experiments of geotechnical engineering

During similar simulation experiments in geotechnical engineering, cracks and speckles falling off appear on the surface of the equivalent material model, and invalid areas will form at the excavation zones and model surface penetrations. However, the traditional digital image correlation (DIC) method had some limitations in these cases. To improve the applicability of the DIC method in similarity simulation experiments, a novel method was proposed based on the image feature matching algorithm. In the proposed method, firstly, reliable subsets were selected by feature matching of images before and after deformation;secondly, deformation parameters of reliable subsets were obtained by correlation operation;finally, deformation parameters of monitored points were determined by the least absolute deviation fitting of displacements of reliable subset center points in certain areas around the monitored points. To validate the proposed method, deformations of the similar simulation experiment of mining-induced fault slip were measured using the proposed method, and the results were compared with those of the traditional method. Results show that cracks and invalid areas can be accurately identified by the proposed method, and displacements measured by the proposed method are more complete than those by the traditional DIC method in the vicinity of these areas. The proposed method has strong stability for speckles falling off on the surface of the model.     

On the application of the maximum entropy meshfree method for elastoplastic geotechnical analysis

In this study, the Maximum Entropy Meshfree (MEM) method is employed for analysing geotechnical problems involving material nonlinearity, assuming small strains. The efficiency of the MEM method is evaluated through several solution schemes for the global governing equations as well as the local constitutive equations. The conventional implicit approach involving the Newton-Raphson method and an explicit adaptive dynamic relaxation technique are employed for solving the governing equations, while local constitutive equations are solved numerically as well as analytically. Two- and three-dimensional numerical experiments are performed to study the efficiency of different configurations of the solution scheme, which leads to some important conclusions about application of the MEM method in geotechnical problems.     

Effect of 2D spatial variability on slope reliability: A simplified FORM analysis

To meet the high demand for reliability based design of slopes, we present in this paper a simplified HLRF(Hasofere Linde Rackwitze Fiessler) iterative algorithm for first-order reliability method(FORM). It is simply formulated in x-space and requires neither transformation of correlated random variables nor optimization tools. The solution can be easily improved by iteratively adjusting the step length. The algorithm is particularly useful to practicing engineers for geotechnical reliability analysis where standalone(deterministic) numerical packages are used. Based on the proposed algorithm and through direct perturbation analysis of random variables, we conducted a case study of earth slope reliability with complete consideration of soil uncertainty and spatial variability.     

基于认知聚类分区方法的边坡可靠度分析

提出了边坡可靠度分析的一种新的全局优化方法--认知聚类分区方法。该方法主要包括5个步骤：分区、随机抽样、计算极径L、回代、计算可靠指标及验算点。给出了相应的计算流程图,并编写了基于C语言的计算程序KCPREL。最后,以岩质边坡稳定可靠度问题为例证明了所提方法的有效性。结果表明,认知聚类分区方法能同时计算出可靠指标和验算点,并能获得全局最优解。该方法的计算精度和蒙特卡洛模拟方法相当,计算效率远远高于传统的蒙特卡洛模拟方法。此外,该方法在分析含有复杂的隐式及非线性功能函数的边坡稳定可靠度问题方面体现出明显的优越性。等步长认知聚类分区方法能全面且均匀地搜索角度,从而得到更准确的验算点。为了保证足够的计算精度及减小计算量,建议步长取10º以内。     

土石坝地震永久变形参数反演方法研究

提出了一种基于径向基网络的土石坝永久变形参数反演分析模型。该模型充分利用了径向基神经网络的非线性映射能力,只需要进行少量的样本设计,即可反演坝体永久变形参数,可以解决土石坝动力参数反演计算耗时长的问题。同时在对永久变形参数进行灵敏度分析的基础上,建立考虑参数灵敏度的网络训练目标函数,进一步提高了反演精度。将所建立的模型用于紫平铺面板堆石坝地震永久变形参数反演,采用三维有限元法进行静动力分析,并采用改进的沈珠江模型计算坝体地震永久变形。结果表明,反演参数计算的大坝地震永久变形和坝体实测永久变形数值接近,趋势一致,因而所建立的模型能够有效地反演坝体地震永久变形参数,为土石坝的动力参数反演提供了一种简便、有效的方法。     

边坡模糊可靠性分析隶属函数取值界限研究

针对岩土参数取值所具有的随机性、模糊性与区间性特征,建议采用隶属函数表征参数取值,分别构造了岩土参数三角形分布、正态分布与拟正态分布隶属函数,并建立了采用隶属函数取值界限表示的不同截集水平岩土参数区间值确定方法,提出分别采用均值加减2.5倍标准差与3倍标准差确定岩土参数三角形分布与拟正态分布隶属函数取值界限,进而以此为基础采用模糊点估计分析方法对工程算例进行分析,结果表明,在截集水平个数为11时,模糊点估计方法所得边坡稳定模糊可靠性指标与蒙特卡洛法所得随机概率可靠性指标精度相当,截集水平个数为9时,评价结果偏安全,建议在工程分析时,截集水平取0.1⁰.9间的9个,该方法计算过程直接简单,计算代价低,更具工程实用性。