地表超载作用下隧道失稳破坏的上限有限元分析

针对地表超载作用下隧道稳定性和破坏模式问题,基于刚体平动运动单元上限有限元理论编程并计算分析,获得了浅埋隧道失稳临界超载系数上限解和刚性运动块体体系破坏模式。通过与现有的刚性块体极限分析上限法以及极限分析上、下限有限元法计算结果的对比分析,验证了上限解的可靠性。研究结果表明,（1）临界超载系数 黏聚力c之比 随土体内摩擦角 和隧道埋深C与直径D之比( )的增大而相应增大,随土体重度与黏聚力参数 的增大而减小;（2） 和 对隧道破坏模式的影响较明显; 增大,则隧道破坏范围增加;内摩擦角 增大,刚性运动块体破坏模式相互错动更加显著,相比而言, 对破坏模式的影响并不显著;（3）刚体平动运动单元上限有限元上限解精度高,所得刚性运动块体破坏模式具有滑移线形态,能精细地反映隧道失稳破坏特征。     

岩石边坡稳定的块体单元极限分析上限法

将块体单元法与极限分析上限法相结合,提出了岩石边坡稳定的块体单元极限分析上限法。借助于块体单元法离散计算区域,通过块体系统速度场在结构面上满足Mohr-Coulomb屈服条件、关联流动法则、速度边界条件以及块体系统虚功原理,构成求解边坡强度储备安全系数上限解的非线性规划模型,模型的求解采用复合形法。最后研究了一个岩质楔形体边坡算例和小湾水电站进水口边坡实例,通过将块体单元法上限分析计算结果与刚体极限平衡法相比较,验证了该方法的正确性。     

非均质黏土地层隧道开挖面稳定运动单元上限有限元分析

将刚体平动运动单元上限有限元方法(UBFEM-RTME)与程序作进一步改进,使之适应分析非均质黏土地层稳定性问题。应用该程序系统分析了地表超载作用下非均质黏土地层隧道开挖面稳定性,获得了隧道埋深比C/D、土体重度参数γD/c_(u0)、土体强度非均质参数ρD/c_(u0)等因素综合影响下开挖面失稳临界荷载上限解σ_s/c_(u0)图表和以有效间断线网表征的地层破坏模式及其演变规律。研究表明:隧道埋深比C/D和强度非均质参数ρD/c_(u0)对临界荷载σ_s/c_(u0)及地层破坏模式影响显著;土体重度参数γD/c_(u0)对σ_s/c_(u0)影响明显,但对破坏形态影响不大。进一步展示了不同有效间断线数目及分布等网格参数下地层破坏形态的差异,解释了上限解精度提高的原因,与多块体上限法及上下限有限元法对比表明,UBFEM-RTME适宜于非均质黏土地层隧道开挖稳定性评价研究,特别是极限状态破坏模式的分析。     

边坡稳定分析刚体有限元上限法的锥规划模型

极限分析方法是土边坡稳定性分析的重要方法之一。刚体有限元上限法是其中的一类,此类方法仍旧存在一些关键问题需要完善。由于单元的刚性假设,系统的塑性变形内能耗散仅发生在单元间的界面上,故此类方法的性能主要取决于界面的布局,即采用非结构化三角形单元计算往往精度较差。为此,提出了基于滑动面摄动的刚体有限元上限法及临界滑动面的搜索方法。首先,在考虑刚体转动的基础上构造刚体有限元上限法的二阶锥规划模型,用于确定在给定试滑动面条件下的运动许可速度场。其次,将试滑动面的控制参数视为决策变量,建立搜索临界滑动面的非线性非凸优化问题模型,并采用非线性单纯形方法和粒子群方法求解此优化问题找出临界滑动面。通过经典边坡稳定问题的分析求解,验证了所提出的新方法,进一步证实了网格类型（即界面的布局）是影响刚体有限元上限法计算精度的主要因素。经过计算结果的对比发现,在刚体有限元上限法中考虑刚体转动是非常必要的,不仅可以提高刚体有限元上限法的计算精度,还可以克服此方法对界面布局的依赖性。     

浅埋隧道掌子面稳定性二维自适应上限有限元分析

为研究浅埋隧道掌子面稳定性及获取精细化的破坏模式,提出了一种上限有限元非结构化网格自适应加密策略。以单元耗散能权重指标作为网格自适应加密评判准则,该策略同时兼顾了单元尺度与塑性应变。应用高阶的6节点三角形单元并建立上限有限元线性规划模型,以多次反复计算和网格加密的方式实现了二维自适应上限有限元分析并编制了计算程序。利用条形基础地基极限承载力课题,从上限解精度和网格加密形态方面验证了该程序的有效性。针对浅埋隧道掌子面稳定性问题,展开多参数条件下的自适应上限有限元计算,分析了网格加密过程中单元总数与上限解精度的关系,列出不同隧道埋深和内摩擦角对应的隧道掌子面稳定性临界值的上限解,揭示出掌子面稳定性变化规律及精细化的破坏模式。     

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。     

三维复杂块体系统边坡深层加固条件下稳定性及破坏机制模型试验研究

白鹤滩水电站左岸为强卸荷岩体三维复杂块体系统高边坡,采用三维地质力学模型试验,进行了边坡变形特性、失稳破坏过程、破坏机制、边坡稳定性及加固处理效果研究。模型试验表明,边坡失稳模式为块体滑动破坏,破坏形态表现为底滑面的剪切破坏和后缘结构面的拉裂破坏以及块体沿底滑面和侧滑面的滑动。边坡破坏过程为模型结构面初裂、结构面组合块体边界贯通、最终至边坡整体失稳3个阶段。采用地质力学模型试验综合法获得了左岸块体系统边坡整体稳定安全系数,典型块体稳定安全系数与三维刚体法及块体单元法(BEM)计算成果对比基本一致,模型试验综合法安全系数相对较大。同时,针对层内错动带LS_(337)界面部位相对变位监测表明,深层混凝土置换洞加固有效地控制了底滑面的滑动变形,提高了相关结构面组合块体的稳定性,边坡加固效果较为明显。研究成果对白鹤滩工程左岸强卸荷区三维复杂块体系统边坡及类似工程边坡稳定性及加固处理具有重要的指导意义。     

基于塑性极限分析上限法理论的土质边坡可靠度分析

将极限分析的上限定理、有限元离散思想、随机规划理论和蒙特卡洛方法这四者结合起来,提出了一种土质边坡可靠度分析的上限数值方法。首先采用三节点有限单元离散土质边坡,然后将土体的抗剪参数设为随机变量,根据上限定理构建同时满足三角形单元的塑性流动约束条件、单元公共边的塑性流动约束条件和单元速度边界条件的机动许可速度场,并根据内功功率等于外功功率条件建立目标函数,构建土质边坡可靠度分析的上限法随机规划模型。采用蒙特卡洛方法求解上限法随机规划模型,同时提出了一种基于上限法速度场的边坡失效风险系数估算方法,该方法特别适用于具有多种失效模式的边坡风险分析。对2个经典算例进行了深入分析,验证了方法的正确性。     

基于二阶锥规划与高阶单元的自适应上限有限元研究

基于六节点三角形高阶单元的自适应上限有限元法具有计算精度高,能够直观获取结构破坏模式等优点,但若采用屈服准则线性化方法,则计算效率较低。因此,为提高上限有限元计算效率,在既有研究基础上,引入计算效率较高的二阶锥规划方法,建立基于二阶锥规划与高阶单元的自适应上限有限元计算模型。通过分析边坡稳定性及条形基础地基承载力算例,表明所提方法计算精度较高且能够获取精细化的破坏模式。同时,在相同计算精度下,所提方法计算时长显著小于屈服准则线性化方法,有效提高上限有限元的计算效率。算例分析证明所提方法的正确性及有效性,可为类似理论研究及工程实践提供参考。     

基于二阶锥规划与高阶单元的自适应上限有限元研究

基于六节点三角形高阶单元的自适应上限有限元法具有计算精度高,能够直观获取结构破坏模式等优点,但若采用屈服准则线性化方法,则计算效率较低。因此,为提高上限有限元计算效率,在既有研究基础上,引入计算效率较高的二阶锥规划方法,建立基于二阶锥规划与高阶单元的自适应上限有限元计算模型。通过分析边坡稳定性及条形基础地基承载力算例,表明所提方法计算精度较高且能够获取精细化的破坏模式;同时,在相同计算精度下,所提方法计算时长显著小于屈服准则线性化方法,有效提高上限有限元的计算效率。算例分析证明所提方法的正确性及有效性,可为类似理论研究及工程实践提供参考。     

Upper bound finite element analysis of slope stability using a nonlinear failure criterion

In this study, upper bound finite element (FE) limit analysis is applied to stability problems of slopes using a nonlinear criterion. After formulating the upper bound analysis as the dual form of a second-order cone programming (SOCP) problem, the stress field and corresponding shear strength parameters can be determined iteratively. Thus, the nonlinear failure criterion is represented by the shear strength parameters associated with stress so that the analysis of slope stability using a nonlinear failure criterion can be transformed into the traditional upper bound method with a linear Mohr–Coulomb failure criterion. Comparison with published solutions illustrates the accuracy and feasibility of the proposed method for a simple homogeneous slope stability problem. The proposed approach is also applied to a seismic stability problem for a rockfill dam to study the influence of different failure criterions on the upper bound solutions. The results show that the seismic stability coefficients obtained using two different nonlinear failure criteria are similar but that the convergence differs significantly.     

基于线性规划模型的极限分析上限有限元的实现

极限分析上限有限元法常利用三角形常应变率单元和摩尔-库仑屈服函数线性化的方法,以形成较易求解的线性规划模型。然而为满足计算精度,需引入大量的优化变量,增加了计算和存储的难度。为此,基于线性规划模型,利用MATLAB编制极限分析上限有限元程序,针对线性规划模型等式约束矩阵的高度稀疏性的特点,以稀疏矩阵的方式存储,从而在一定程度上解决了上述问题,使得上限有限元法能处理较大规模的岩土工程稳定性问题。以条形基础地基承载力课题为例进行算例分析,验证该方法的有效性,同时讨论了模型网格单元和塑性乘子数目对计算结果精度的影响。     

三维块体元塑性极限分析下限法

基于块体元离散思想,将三维边坡离散为块体-结构面组成的块体系统,假定块体为刚体,以结构面上的应力为未知量;从下限定理出发,构造满足平衡条件、边界条件和屈服条件的静力许可场,平衡方程严格满足3方向力平衡及绕3个主轴方向的力矩平衡条件,为避免非线性规划,对屈服条件进行线性化处理;最后,建立了下限法数学规划模型,通过线性及非线性规划获得边坡稳定严格的下限解。用几个典型算例验证了文中方法的正确性及可行性。     

一种二阶锥线性化方法在上限有限元中的应用研究

对于平面应变条件下岩土稳定性分析,基于线性规划的上限有限元需对常用的摩尔-库仑屈服准则形成的二阶锥约束进行线性化,直接地处理方法是以外接多边形替代锥体投影形成的圆域。为了提高线性化精度往往需直接增加外接多边形边数,从而造成线性规划模型中决策变量包含大量的塑性乘子变量,使计算难度大为增加甚至变得不可行。为此,引入Ben-Tal和Nemirovsky提出的一种二阶锥线性化方法,并将其嵌入到自编的上限有限元程序。经算例分析发现,该法与外接多边形线性化方法所获计算结果相互印证,且其通过适量的增加决策变量和等式约束数目,能保证摩尔-库仑屈服准则线性化精度,同时形成的线性规划规模更小,可望应用于基于线性规划模型的上限有限元中。     

基于界面元法的向家坝重力坝深层抗滑稳定分析

重力坝的深层抗滑稳定分析多采用刚体极限平衡分析方法和非线性有限元法,但通常的刚体极限平衡法不能反映坝基岩体渐近失稳过程和破坏的力学机制,非线性有限元法则难以解决坝基中软弱结构面位移不连续问题。结合向家坝工程,建立了泄④坝段的计算模型,采用界面元法进行了大坝深层抗滑稳定分析,给出了坝基中破坏区的范围和分布,以及坝基的渐进破坏过程和可能滑体的抗滑稳定安全系数等成果,为坝基处理措施提供了重要的技术参考依据。研究结果表明,所建立的分析方法可以自然描述坝基岩体各种介质的错动、张开和滑移等不连续变形的特征,可用于重力坝坝基的深层抗滑稳定 分析。     

基于三维非线性有限元的边坡稳定分析方法

刚体极限平衡法不能反映岩体中实际的应力分布,而基于有限元的强度折减系数法在判断收敛性方面存在一些问题。为了解决这些问题,采用多重网格法,分别建立用于有限元计算的结构网格和用于计算滑面稳定安全系数的滑面网格,可以方便地获得任意滑面或滑块的稳定安全系数,从而将非线性有限元和极限平衡分析结合起来。为了提高计算规模和计算精度,采用有限元并行计算程序TFINE.Pfem进行计算,分析了网格密度对计算结果精度的影响,并应用于锦屏高边坡的稳定分析中。与刚体极限平衡法结果的对比分析表明,由于考虑了计算过程中的非线性应力调整,该方法的计算结果比刚体极限平衡法偏大,而且更符合实际情况。