基于临界滑动场的岩质边坡临界滑动面搜索方法

在边坡稳定分析中临界滑动面搜索是关键问题。现行搜索算法包括数学规划法和智能搜索算法,均是以圆弧或圆弧加折线为假定滑动面形式在计算土质边坡基础上发展起来的,基本上不适用于岩质边坡计算。临界滑动场理论以余推力法和最优化理论为基础,采用新的结构面处理方法,可计算出与实际情况基本吻合的最大余推力方向场,能方便追踪出各可能出口点的滑动面,从而找出边坡整体临界滑动面。取一均质土质边坡算例对计算结果可信度进行验证,与强度折减法和Spencer极限平衡法所得计算结果相吻合。另取一露天矿边坡对该方法的实用性进行了验证。     

边坡稳定分析中加速度临界滑动面研究

采用最大加速度也可以评价边坡的安全性。当黏聚力在土的抗剪强度中所占比重较小时,加速度与稳定系数的相关性较好。本文进一步比较加速度临界滑动面与稳定系数临界滑动面的关系,发现对于坡角α≥45°的简单边坡,在ξ < 0.1时,加速度临界滑动面与稳定系数临界滑动面是比较接近的。对于加筋土边坡,在筋材较短时,稳定系数较小的区域分布在筋材末端位置;筋材长度较长时,其位置和区域随着筋材长度的增加不再发生明显变化。但加速度较大的区域几乎都分布在筋材末端。相关机理还需要进一步研究。     

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。     

蒙特卡洛法与有限元结合搜索边坡临界滑动面

把蒙特卡洛随机搜索法与有限元法相结合,搜索边坡的临界滑动面及其对应的最小安全系数.通过随机跳跃法生成一定数量的初始试算滑动面,根据有限元分析的应力和孔隙水压力结果计算给定滑动面的安全系数,利用随机走步法不断更新试算滑动面,使试算滑动面安全系数不断减小,最终确定边坡临界滑动面及其对应的最小安全系数.本方法通过随机搜索,克服了大多数常规优化方法易陷入安全系数局部极小的问题.数值算例分析说明了本文提出的确定边坡临界滑动面的方法的有效性和优越性.     

边坡的潜在滑动面分析

边坡稳定分析是土力学的经典课题之一。极限平衡法是边坡稳定分析最常用的方法, 也是规范推荐的方法。通常认为最小安全系数对应的潜在滑动面就是最可能滑动的临界滑动面。本文对这一问题进行分析, 提出了将最大加速度对应的滑动面作为潜在滑动面的思路, 这里称为加速度临界滑动面。对典型算例进行分析, 表明最大加速度与最小安全系数具有较好的相关性。     

基于应力影响系数法的高边坡临界滑动面研究

临界滑动面一方面是与岩体结构面和坡面的组合关系有关,另一方面与荷载大小及位置有关。三维条件下,均质岩高边坡的破坏机理比较复杂,临界滑动面的判定较为繁琐。本文基于应力影响系数法对荷载作用下对均质岩高边坡三维临界滑动面形态及位置进行初步判别,研究各因素变化对临界滑动面分布形态的影响,结果表明:荷载作用下均质岩高边坡空间临界滑动面主要发生在基础前侧区域,约为一不规则楔体,楔体尺寸与桥基尺寸、坡度及桥基距离有关,其中桥基距离影响最大,荷载强度对滑动面形态无影响。桥基荷载作用下均质岩高边坡临界滑动线范围随桥基尺寸、桥基距离增加而增大,随坡度增加,临界滑动线长度减小,深度增大。本文提出桥基荷载作用下均质岩高边坡临界滑动面范围确定公式,即:均质岩高边坡破坏长度Pw=08444L-05098+05759S+693716,破坏深度Ph=01148L+0171B+11725+00733S-5719。     

双重变异遗传算法及其在临界滑动面搜索中的应用

针对传统的优化算法难以在具有变量多、约束条件复杂、局部极值点多的边坡临界滑动面搜索中取得较好效果的问题,提出双重变异遗传算法（DMGA）。一方面,该算法通过探测变异操作提升算法的局部寻优能力,通过直接变异操作提升算法的全局寻优能力,两者的结合使算法能够在搜索的广度与深度上达到较好的平衡;另一方面,算法采用考虑个体适应度值与进化代数的自适应交叉概率及自适应变异概率,使算法在进化的早期能够增加种群的多样性,在进化的后期能够保护较优的个体不受破坏。将该算法与简化Bishop法相结合,对澳大利亚计算机应用协会（ACADS）提供的考核题及一个海堤边坡工程实例进行分析,计算结果表明：（1）对于均质边坡和非均质边坡,该方法均能准确搜索到边坡的临界滑动面及相应的安全系数;（2）与仅进行直接变异或探测变异的遗传算法相比,双重变异遗传算法具有更强的全局搜索能力及更好的鲁棒性,具有广阔的应用前景。     

一种基于有限元应力场的边坡滑动面搜索方法

如何将有限单元法计算得到的结果是应力场、应变场和位移场等计算成果应用于边坡稳定安全系数及滑裂面位置的确定,是有限单元法边坡稳定分析中的一个重要研究课题.提出一种基于有限元应力场的最危险滑裂面的搜索方法,编制了搜索程序,采用澳大利亚边坡稳定分析程序的考核题进行对比验算,验证了该方法的正确性及程序的可行性.     

临界滑动场技术在排土场边坡设计中的应用

边坡临界滑动场技术是近年发展起来的一种边坡稳定性分析方法。它能准确快速确定多层介质、多台阶边坡任意形状的临界滑动面,全面评价边坡整体和局部稳定性。文章首先应用临界滑动场技术对原设计15坡角时的龙桥排土场边坡进行临界滑动面搜寻,确定边坡整体安全系数为1.42,证明原设计的15坡角取值过于保守。然后再应用临界滑动场技术的扩展方法进行反向分析,在给定安全系数为1.30的条件下,求得最佳设计坡角为17。研究成果为将来矿山的排土工作提供指导,具有一定的工程实用性。     

蚁群算法与遗传算法融合及其在边坡临界滑动面搜索中的应用

临界滑动面搜索是边坡稳定性分析中一项非常重要的内容。相对于圆弧滑动面的确定,只需要圆心和半径3个未知量,非圆弧滑面的确定则需要找出若干个控制点,是一个多维空间的优化问题。非圆弧滑动面优化搜索问题相当复杂,常规优化算法往往达不到要求。改进了蚁群算法,使其具备在连续空间的搜索能力,并与遗传算法融合,形成优势互补,克服了遗传算法的无反馈能力导致无用的冗余迭代、求解效率低以及蚁群算法初期信息素匮乏导致算法速度慢的不足。通过与商用软件GEO-SLOPE的算例求解结果对比,来说明本算法的有效性。     

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。     

A Simple Monte Carlo Method for Locating the Three-dimensional Critical Slip Surface of a Slope

Based on the assumption of the plain-strain problem, various optimization or random search methods have been developed for locating the critical slip surfaces in slope-stability analysis, but none of such methods is applicable to the 3D case. In this paper, a simple Monte Carlo random simulation method is proposed to identify the 3D critical slip surface. Assuming the initial slip to be the lower part of a slip ellipsoid, the 3D critical slip surface is located by means of a minimized 3D safety factor. A column-based 3D slope stability analysis model is used to calculate this factor. In this study, some practical cases of known minimum safety factors and critical slip surfaces in 2D analysis are extended to 3D slope problems to locate the critical slip surfaces. Compared with the 2D result, the resulting 3D critical slip surface has no apparent difference in terms of only cross section, but the associated 3D safety factor is definitely higher.     

基于整体稳定性分析法的边坡临界滑动面搜索

临界滑动面搜索是边坡稳定分析中很重要的内容,针对现有方法的不足,提出了一种新的搜索方法。基于边坡稳定性的整体分析法,建立了确定临界滑面的非线性优化模型。该模型将滑面离散点的纵坐标和安全系数都视为独立变量,目标函数取为安全系数本身,约束条件是平衡方程组和滑面凸性。由于目标函数是线性函数,约束条件至多是二次多项式,非线性程度较低,可采用经典优化算法和常见的非线性优化工具求解,比如Matlab。通过实例分析并与传统的滑面搜索方法进行对比表明,所建议的方法在数值稳定性及收敛性方面均具有优势。     

基于数值应力场的边坡临界滑动场

数值分析方法（有限元、有限差分等）可计算边坡应力、变形和破坏,但直接计算边坡安全系数比较困难;而极限平衡法需对边坡体内力作出假设,计算精度受到限制。利用数值分析方法计算得到的应力场,重新定义推力最大原理中推力的含义,将常规边坡临界滑动场数值模拟方法作进一步的改进,提出基于数值应力场的边坡临界滑动场方法。该方法可充分发挥两大方法的优势,能够准确、方便地搜索出边坡临界滑动面位置,并给出更合理的边坡安全系数。通过两个算例的稳定性分析,并与其他方法进行比较,验证了该方法的准确性和合理性。     

水位变化过程中边坡临界滑动场

库水位升降过程中,会引起边坡体内孔隙水压力分布的变化,对边坡的稳定性产生影响。对边坡临界滑动场进行改进,提出了可以考虑水位变化过程的边坡临界滑动场数值模拟方法,方便、快速地计算出边坡局部、整体安全系数在水位变化过程中的变化历程。通过对一个典型边坡在水位上升和下降过程中的稳定性分析,并和其他方法进行比较分析,结果表明,临界滑动场方法能搜索任意形状的最危险滑面,计算的安全系数是合理的。     

基于等效塑性应变的边坡滑面搜索

对土坡而言,利用有限元-强度折减方法将边坡代入临界破坏状态时,临界滑面上的点往往是沿深部方向的等效塑性应变最大的地方。通过设置一系列沿水平方向布置的垂直直线,并找出沿每条直线上的等效塑性应变最大值的位置后,就可得到一系列呈波动状的点的分布,它们构成了所谓的函数型数据,再利用最小二乘法对这些函数型数据做平滑处理就得到了边坡的临界滑面。与其他方法的相对比,验证了该方法的可靠性。     

某反倾页岩边坡破坏面确定及其稳定性分析

破坏面确定是边坡稳定性分析的基础,存在各级滑动面。不同结构类型边坡,其确定方法也随之不同。对于反倾软岩边坡,不能通过不连续面空间展布分析确定其破坏面。联合FLAC3D和极限平衡方法分析具有节理块体切割破坏模式的某反倾页岩边坡稳定性。在野外调查基础上分析边坡的变形破坏机制,应用FLAC3D研究其应力、应变等值线及相应增量等值线图确定边坡潜在最危险滑动面和次级滑动面,计算其稳定性系数。在防护设计中考虑次级滑动面,针对边坡危险区域分析其防护效果。应用强度折减计算两危险区域稳定性系数,表明防护后边坡整体稳定性较好。该方法对反倾软岩边坡的稳定性分析有一定的借鉴价值,在防护设计中考虑次级滑动面的影响具有一定的实际指导意义。     

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。     

Cauchy problem of three‐dimensional critical slip surfaces of slopes

Using the continuum‐based finite element approach in conjunction with the strength reduction technique, one can easily find out the factor of safety of a slope with rather high precision, but will encounter some obstacles in the accurate location of the corresponding three‐dimensional critical slip surface (CSS). On the basis of the Mohr–Coulomb failure criterion and the stress field in the limit equilibrium state of the slope, it is deduced that the three‐dimensional CSS is the solution of the Cauchy problem of a quasi‐linear partial differential equation (PDE) of first order. By means of the method of characteristics for the problem, the three‐dimensional CSS that may take any shape can be determined without the specification of its geometry. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.