非线性破坏准则下的边坡稳定塑性极限分析

利用塑性分析上限定理,考虑岩土介质本身的非线性破坏准则,对各种不同破裂面边坡稳定性分析进行研究。针对破坏边坡破裂面不同,采用外切直线法来分析其上限解,推导出非线性破坏准则下的边坡稳定性系数计算公式,并对较复杂的对数螺旋线破裂面边坡提出初始切线法,较好地求出塑性极限分析上限解。将在非线性破坏准则下按对数螺旋线破裂面推导出的塑性极限分析上限解运用于实际边坡工程,其结果与精确塑性分析结果非常接近,为非线性破坏准则下的边坡稳定塑性极限分析提供了一条新的思路与方法。     

基于非线性破坏准则的边坡稳定性极限分析

上限定理是求解岩土工程问题的有效工具。以上限定理为理论基础,分析边坡的稳定性问题,并考虑了岩土材料破坏准则的非线性特性。在非线性Mohr-Coulomb破坏准则下,采用条分法与极限分析上限法相结合的方法,对边坡稳定性进行分析。通过切线法引入非线性强度参数 、 ,推导了岩土材料在非线性破坏准则下的相关联流动法则,建立功能方程,推导了边坡直线滑裂面、折线滑裂面和光滑曲线滑裂面安全系数F的计算方程。采用数学规划法计算后与工程实际中常用的边坡稳定性分析方法进行对比,并获得安全系数F =1.0时的稳定性系数Ns。与已有的研究成果进行比较分析,结果表明了该方法的正确性及优越性     

基于非线性破坏准则的主动土压力上限计算

主要叙述了一种基于非线性破坏准则下的主动土压力计算分析方法。引入Power-Law非线性破坏准则,并根据切线法引入了变量 ,建立了一个统一的容许速度场,通过上限分析得出了主动土压力的计算表达式。由于主动土压力计算表达式中自变量个数繁多,为实现对上限解的最优化,应用了大型的数学规划软件,采用了目前广泛使用的SQP算法,得出了最优的上限解。通过与同样引入Power-Law非线性破坏准则后的朗肯土压力理论解的比较,发现所述的方法切实有效,并且适用范围更加广泛。     

极限分析有限元法讲座--Ⅱ有限元强度折减法中边坡失稳的判据探讨

边坡失稳,滑体滑出,滑体由稳定静止状态变为运动状态,同时产生很大的且无限发展的位移,这就是边坡破坏的特征。有限元中通过强度折减使边坡达到极限破坏状态,滑动面上的位移和塑性应变将产生突变,且此位移和塑性应变的大小不再是一个定值,有限元程序无法从有限元方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力-应变关系和强度准则的解,此时,不管是从力的收敛标准,还是从位移的收敛标准来判断有限元计算都不收敛。塑性区从坡脚到坡顶贯通并不一定意味着边坡破坏,塑性区贯通是破坏的必要条件,但不是充分条件,还要看是否产生很大的且无限发展的塑性变形和位移,有限元计算中表现为塑性应变和位移产生突变。在突变前计算收敛,突变之后计算不收敛,表征滑面上土体无限流动,因此可把有限元静力平衡方程组是否有解,有限元计算是否收敛作为边坡破坏的依据。-     

边坡稳定极限分析的单元集成法

提出的单元集成法为采用塑性力学上限定理分析边坡的稳定性提供了一种通用性较强的手段。它采用类似于有限元网格划分的方式离散边坡计算区域,并设定一个机动许可的滑动机构（包括滑裂面位置和速度场,它与网格划分方式无关）,在此滑动机构下可以很方便地计算每个单元贡献的外力功率和内能耗散率。把所有单元的能量相加就是滑坡体的总能量。然后,根据上限定理求得安全系数,并通过非线性数学规划方法找到最小值。对于直线滑裂面或对数螺旋滑裂面的单滑块机制,几个典型算例说明了该方法的有效性。     

非线性破坏准则下边坡稳定性极限分析斜条分法

考虑坡顶均布荷载和地震效应典型情况下,将边坡滑体进行任意斜条块划分,建立了具有倾斜界面的多块体破坏模型。基于极限分析上限法和非线性摩尔-库仑破坏准则,考虑岩体内正应力的不均匀性,引入多点切线法和强度折减法推导得出边坡临界破坏状态下的安全系数Fs通用计算公式。采用序列二次规划法对安全系数Fs的目标函数进行最优化计算,并与既有研究成果进行对比分析,其结果具有较好的一致性,相对误差不超过3.565%,表明了该方法的正确性。同时对比传统单点切线法计算结果,多点切线法较单点切线法获得的边坡安全系数值偏小,表明了多点切线斜条分法偏于保守,是安全的。参数分析表明坡顶均布荷载、地震效应和非线性参数均对边坡安全系数及潜在临界滑裂面有重要影响。多点切线法引入非线性摩尔-库仑破坏准则对边坡进行稳定性极限分析,为相关研究人员提供了一种新的思路与方法。     

边坡稳定分析的极限分析下限解有限元法

研制开发了极限分析下限解有限元程序.在程序的开发过程中,着重解决了下限解有限元法转化为标准线性规划问题和线性优化方法的选择问题,同时,通过典型算例的分析对比,对程序的合理性和可行性进行了验证.     

非线性破坏准则与岩土材料地基承载力研究

根据线性Mohr-Coulomb破坏准则,前人运用极限平衡法、滑移线理论或极限分析等方法求解地基承载力问题,但实际上岩土在剪切破坏过程中破坏准则具有非线性。因此,为了研究非线性破坏准则对地基承载力的影响,基于上限定理,通过“切线法”引进变量,根据能量耗散情况,将承载力问题转变为非线性规划问题,运用“序列二次规划算法”求出地基承载力的最优解。数值计算结果表明,当非线性破坏准则转变为线性破坏准则时,非线性参数对地基承载力有重要影响。     

考虑孔隙水压力的土坡稳定性的有限元上限分析

基于塑性极限分析的上限定理,考虑孔隙水压力的影响,以结点速度为未知量,根据塑性流动约束条件、速度间断约束条件、速度边界约束条件以及由外功功率与内功功率相等条件得到的目标函数,建立了求解孔隙水压力条件下土坡稳定性的有限元塑性极限分析线性规划数学模型;可求得边坡安全系数的上限值及相应的机动容许位移场;最后对2个经典算例进行了分析,验证了提出方法和程序是正确可行的。     

基于Hoek-Brown破坏准则的浅埋条形锚板抗拔力上限分析

现有的锚板极限承载力研究大多是采用线性或非线性Mohr-Coulomb破坏准则在砂质地基中进行的,然而Mohr-Coulomb破坏准则并不适合分析岩质地基中的抗拔结构。采用Hoek-Brown破坏准则构建了一个曲线型的破坏机制,根据极限分析上限定理求出了条形锚板抗拔力的表达式。通过变分计算,得到了极限状态下条形锚板的抗拔力和岩体破裂面的上限解。为了证明所采用方法的有效性,当材料参数B =1时,采用与Mohr-Coulomb破坏准则等效的土体参数,计算了曲线型破坏机制下条形锚板的极限抗拔力,并与已有计算结果进行了比较。结果表明,采用曲线型破坏机制得到的锚板极限抗拔力与直线型多块体破坏机制的结果基本一致,证明了所采用的曲线形破坏机制是正确的。参数研究表明：在其他参数不变的情况下,锚板极限抗拔力和破坏面都随岩体参数B的增大而减小。     

基于广义Hoek-Brown强度准则的岩质边坡开挖稳定性分析

导出了广义Hoek-Brown强度准则的弹塑性矩阵计算方法,并将其用于一岩质开挖边坡施工过程模拟。同时,利用Hoek所提出的参数等效化方法对岩质开挖边坡的稳定性进行强度折减分析,揭示了开挖施工过程中边坡临界失稳模式的演变、发展过程。分析结果表明,边坡的应力-应变场、位移场、边坡的稳定性及其临界失稳模式的演变过程与采用传统的Mohr-Coulomb强度准则的发展过程是一致的,但用Hoek所提出的等效Mohr-Coulomb强度参数可能会高估边坡的稳定性。     

Lower bound limit analysis of wedge stability using block element method

A lower bound limit analysis approach based on the block element method is proposed to analyze wedge stability problem. The search for the maximum value of the factor of safety is set up as a nonlinear programming problem. Sequential quadratic programming (SQP) algorithm from a reasonable initial value is applied to obtain the optimal solution. This approach provides a strict lower bound solution considering the sliding mode and rotation effect simultaneously. The deviations of the factor of safety between the present and traditional limit equilibrium methods are positively correlated with both the friction angle and the dip of the discontinuity surface.     

考虑孔隙水压力的土坡稳定性的有限元下限分析

以极限分析下限法理论为基础,应用有限单元思想离散结构物,建立了同时满足平衡条件、应力边界条件、屈服条件和应力间断条件的静力许可应力场,其中孔隙水压力被当作一种类似于重力的外力荷载。引入线性数学规划手段后,得到了考虑孔隙水压力的边坡稳定的下限法数学规划模型,由此可以求出安全系数的下限解及其对应的应力场。最后,以2个经典的土坡为算例,与多种方法的分析结果比较,论证了该方法的正确性。     

考虑张剪破坏的边坡下限原理有限元法

在工程中发生的很多边坡破坏模式不仅表现为剪切破坏,还表现为在边坡后缘产生一定深度的张拉破坏。这种既考虑剪切破坏又考虑张拉破坏的屈服准则,是经典的Mohr-Coulomb（简称M-C）屈服准则难以模拟的。从空间方位离散的角度出发,对经典的M-C屈服面线性化的方式进行改造,建立了基于方位离散的线性化屈服准则,同时在屈服准则中考虑了张拉破坏准则,并引入伪黏聚力,保证在每一个离散方位平面上既不违背屈服准则,又不违背张拉破坏准则,建立了同时考虑张拉及剪切破坏的下限原理有限元法。算例表明了该方法的有效性,同时也证明了仅考虑剪切破坏时,会过高地估计边坡的安全系数。     

基于MATLAB的边坡稳定性极限上限分析程序开发

基于系统能耗最小原理的极限分析上限定理,利用MATLAB强大的数据处理功能,对边坡稳定系数Ncr采用序列二次规划法（SQP）进行优化计算,并与枚举法相结合,从而解决SQP算法求解优化解容易陷入局部最优解的问题。同时开发了一款简单实用的边坡稳定性分析软件,实现了计算结果与临界滑裂破坏面图形的可视化输出。与经典算例对比分析,计算结果具有较好的一致性,表明了程序的可靠性。分析了内摩擦角?、边坡倾斜角?、? 3个参数对边坡稳定系数Ncr的影响。计算结果表明：边坡稳定性系数Ncr对?、? 较为敏感,而对? 的敏感次之。其次,当?、? 比较接近或在小范围内波动时,对稳定性系数Ncr的影响特别敏感;当?、?值较小时,滑动面通过坡趾下方,而当?值比较大时,滑动面通过坡趾。     

基于Barton-Bandis准则的锚固边坡稳定性分析

结合岩石节理面非线性Barton-Bandis破坏准则,探讨了将Barton-Bandis破坏准则参数转化为线性Mohr-Coulomb破坏准则抗剪强度参数的两种常用方法,通过实例分析了各方法的优劣。推导了加锚单岩石节理面控制的平面滑动岩体边坡抗滑稳定性安全系数计算式,开展了锚固参数分析。研究表明：相对于采用等效线性拟合法或切线等效法获取Mohr-Coulomb抗剪强度参数而言,直接应用Barton-Bandis破坏准则计算节理面控制的岩石边坡稳定性更为直观和简便;随着结构面基本摩擦角、结构面粗糙度系数和结构面壁面有效抗压强度的增大,边坡安全系数逐步提高,且结构面基本摩擦角和粗糙度系数对边坡安全系数的影响程度更为显著;锚索锚固力越大,边坡抗滑稳定性越好,而锚索设置角度越大,边坡抗滑稳定性越低,锚索角度设置不当将明显减小锚固效应的有效性。     

基于广义Hoek-Brown准则强度折减法的岩坡稳定性分析

针对岩质高边坡的稳定性分析问题,开展了基于广义Hoek-Brown破坏准则强度折减法的研究。提出了判别强度折减法合理性的两个基本标准：与Mohr-Coulomb准则强度折减法的一致性和能否体现节理岩体的真实破坏特征。基于以上标准,对比了3种不同的基于广义Hoek-Brown破坏准则的强度折减方法：σci、mi,σci、GSI和mi、GSI均同比折减,理论分析表明：mi、GSI同比折减更符合前述标准。最后,通过对工程实例的对比研究,验证了这一结论,并提出mi、GSI同比折减更能体现节理岩体的真实破坏特征,因而其安全系数的计算结果也更加真实可靠。     

层状岩体边坡动态稳定性拟静力上限分析

将强度折减技术与极限分析上限定理结合,利用安全系数Fs评定指标对层状岩体边坡进行稳定性上限分析,与已有研究成果进行了对比分析,并较为详细地分析了相关参数对层状岩体坡体安全系数和潜在破裂面的影响。分析结果表明,与同类计算方法的对比可以证明表明文中方法的正确性;边坡安全系数和破坏范围受边坡坡度、岩体重度、边坡高度、动载效应系数和岩层倾角的控制;当岩层倾角处于一定范围时,层状岩体边坡发生顺层失稳的可能性最大,工程中需特别注意。     

边坡稳定分析的非线性有限元混合解法

在对有限元强度折减法和有限元迭代解法的优缺点分析的基础上,提出了边坡稳定分析的非线性有限元混合解法,该法将有限元强度折减法和有限元迭代解法联合运用于边坡稳定分析,充分利用了两种方法的优点。即由有限元强度折减法搜索边坡可能滑动面,将可能滑动面在网格中画出,由迭代解法逐步迭代求得其滑动面的安全系数。并以算例和工程实例说明了此种方法的正确性和合理性。     

软土中张紧式吸力锚破坏标准模型试验与有限元分析

为了确定软土中张紧式吸力锚的破坏标准,采用自主研发的电动伺服加载装置,在荷载和位移控制方式下进行了张紧式吸力锚在最佳系泊点受静荷载作用的承载力模型试验。结果表明：不同的破坏模式,锚破坏时对应的位移也不同。当锚为竖向破坏时,对应锚沿系泊方向的位移约为0.6倍的锚径;当锚为水平破坏时,对应锚沿系泊方向的位移约为0.3倍的锚径。同时,按照模型试验所得的破坏标准确定的吸力锚的极限承载力与极限分析法的预测结果吻合较好。对足尺锚进行了有限元分析,将分析结果与极限分析法的预测结果进行比较,验证了模型试验所得位移破坏标准的合理性。