基于上限法的地基极限承载力计算模式探讨

当前地基极限承载力理论研究及实践应用的基本框架,仍采用的是Terzaghi所建议的三项叠加法,即分别考虑土体粘聚力、超载和地基土重对承载力的贡献,然后将三项进行叠加,由于土体并非线弹性材料,应用叠加原理在理论上是欠妥的。从理论上讲,采用整体考虑影响承载力的各种因素直接进行极限承载力计算更为恰当。为探讨采用三项叠加法与整体考虑各种影响因素直接计算的差别,基于多块体上限方法,分别采用两种计算方法对中心荷载作用下粗糙及光滑基础地基极限承载力问题进行了计算,探讨两种计算方法的差异,并从地基破坏面所反映出的信息揭示了两种计算存在差异的内在原因。     

水平加筋地基极限承载力的极限上限分析法

水平加筋是广泛应用的软土地基处理方法之一,而水平加筋地基极限承载力的确定是其地基处理设计的重要依据。因此,首先结合条形基础下水平加筋地基的工程特点,在探讨其承载机制和破坏特点的基础上,考虑破坏间断面上筋材与地基土体的变形协调,构建出反映加筋参数变化影响的可变破坏模式及机动允许速度场;然后,在此基础上,通过重点研究筋材的能量耗散分析方法,并引入上限极限分析理论,建立出条形基础下水平加筋地基极限承载力分析模型,再引入序列二次规划优化分析理论,建立出条形基础下水平加筋地基极限承载力确定方法,它能充分反映加筋设计参数对地基破坏模式及承载力的影响;最后,通过试验结果与该方法及现有同类分析模型结果的比较分析,表明了该模型与方法的合理性与可行性。     

岩溶区桥梁双桩基础有限元极限分析

为计算岩溶区桥梁双桩基础的极限承载力,根据极限分析的基本原理,结合有限元方法,基于MATLAB平台编制了相关计算程序。为描述岩体的非线性特点,采用修正的Hoek-Brown准则,并在优化计算过程中对其进行"双曲线近似"处理,解决了奇异点不可导的问题。在此基础上,分析了各参数对极限承载力系数N_σ的影响。结果表明:（1）N_σ随岩层上覆荷载、嵌岩深度增大而增大,但增长幅度不明显;（2）N_σ随溶洞半径增大而减小,随桩洞水平距离先增大后减小;（3）N_σ随GSI增大而非线性增大,与桩洞垂直距离、m_i大致呈线性关系;（4）当桩洞位置较近时,岩石重度对N_σ的影响可忽略不计;（5）破坏模式主要有,整体剪切破坏、左桩控制的冲切破坏、冲切破坏和地基破坏模式并存的联合破坏。最后,将本文计算结果与已有成果进行对比,验证了所提方法的正确性。     

临坡地基承载力极限分析上限有限元数值模拟

与水平地面地基土体的对称破坏模式不同,临坡地基土体随不同工况呈现较明显的多种破坏模式。基于上限分析有限元技术,通过对临坡地基土建模,得到非线性上限规划模型,采用可行弧内点算法对其进行求解。将计算结果转换成相应的速度场和能量耗散图,并与文献结果进行对比分析。分析结果表明,上限有限元法能够较清楚地模拟出临坡地基破坏的几种模式,并得到合理解。通过把临坡地基承载力转为Terzaghi建议的分项系数叠加形式,对分项系数N_c、N_γ、N_q的变化规律进行讨论,发现N_c和N_q变化趋势基本符合现有的单调变化规律,但对于N_γ而言,由于破坏模式改变造成了破坏体体积变化,得到N_γ发生非单调改变的变化规律。以临坡基础完全不受斜坡影响的距离α_0/B作为绝对安全距离,并给出部分计算图表,为斜坡地基设计提供参考。     

地基承载力上限分析中的Monte Carlo搜索技术

Greco提出的临界滑裂面搜寻的Monte Carlo搜索技术具有原理简单、适应性强、搜索性能好及容易编程实现等优点,目前该类方法已在边坡稳定的优化计算中有许多成功的应用。为能够在多块体上限法求解地基极限承载力的优化计算中应用Monte Carlo搜索技术,基于上限法相容速度场的要求及地基承载力问题的特点,对Monte Carlo搜索技术实现中的目标函数、几何约束条件、初始破坏面的产生以及收敛准则等重新进行了设置。由于Monte Carlo搜索技术随机性的特点,某一次的搜索优化往往存在陷入局部极值的危险,为解决这一不足,采取了随机设置多次初始破坏面分别进行搜索优化的办法,计算表明,优化效果很好。通过对实际问题的计算以及对比发现,Monte Carlo搜索技术在此处多块体上限法求解地基承载力问题中的优化应用是相当成功的。此外,由于此处的优化是以破坏面上的节点为对象的,因此,不但可以方便地考虑三角形块体的优化,而且也可以方便地考虑四边形块体的优化问题,其适用性更强。     

筒型基础水平向和抗倾承载力的极限分析上限解

海上风电是我国近年来重点发展的能源形式之一,大直径宽浅式筒型基础作为一种新型海上风电基础,具有更好的抗倾覆承载能力,更加适用于我国近海软黏土较多的土质特点;并可以实现岸边预制、海上基础?塔筒?风机整体浮运与安装,具有良好的经济效益。为更好地掌握宽浅式筒型基础的承载特性,针对海上风电基础承受水平向与倾覆荷载较大的特点,开展了数值分析对筒型基础的单向极限承载性能进行研究,得到水平向以及抗倾极限承载力和对应的承载模式;并基于筒型基础的承载模式,建立相应的破坏机动场和速度场,结合虚功方程和内部能量损耗率函数,采用数学软件编程求解了宽浅式筒型基础水平向和抗倾承载力的极限分析上限解,计算结果与数值结果的吻合程度良好。     

岩溶区隧道爆破开挖的数值模拟分析

采用非线性动态有限元软件DYNA2D,对岩溶区爆破开挖对隧道围岩产生的损伤破坏情况进行了数值模拟分析。模拟结果显示,当隧道附近溶洞的位置、形状以及溶洞内介质不同时,爆破开挖会对隧道围岩产生不同的损伤。本文根据现场的实际情况,分情况对岩溶区隧道爆破开挖产生的损伤破坏进行了数值模拟分析,得出了不同情况下的隧道损伤控制重点,对现场施工具有重要的参考价值。     

桂林岩溶区地基承载力理论确定方法的分析

理论计算是确定地基承载力的重要方法之一.<建筑地基基础设计规范>GB50007-2002中的地基承载力计算公式是基于弹塑性理论上建立的.桂林岩溶区地基土主要为粘土、粉质粘土、粉土等.本文在工程实例和理论分析的基础上,探讨了理论计算方法在桂林岩溶区地基承载力的确定的适用性,并且认为粉土地基不适宜用理论方法确定承载力.另外,结合桂林岩溶区地基的排水条件、施工条件等,对理论计算中C、φ值的选用进行了分析,并提出了一些建议.     

基于极限分析的圆形浅基础地基承载力上限解

地基承载力问题是岩土工程领域最重要的研究课题之一。针对圆形浅基础地基,从空间问题着手,根据极限分析上限分析理论,选择合适的地基破坏模式及机动位移速度场,首次考虑了单元土体所受的侧向土压力对地基极限承载力的影响,同时考虑到土体自重及地面超载等因素的作用,推导出理论上更为合理的三维圆形浅基础地基极限承载力上限解。结合工程实例,用相应Matlab计算程序计算出上限解,并与实测值进行了对比,证明了其方法的合理性与实用性。     

含下卧软层地基极限分析数值试验及承载力安全性研究

含下卧软层的地基在工程中比较常见,但目前对其破坏机制和承载力计算还依赖于很多的假设条件和经验。基于极限分析和快速拉格朗日数值模拟方法,对含下卧层地基的加载破坏过程进行应变控制的数值试验。首先用Prandtl的极限承载力解析解验证了数值试验的有效性,然后对一个含下卧层的地基模型按照不同加载尺寸进行加载数值试验,发现模拟结果存在明显的荷载尺寸效应。模拟获得不同荷载条件下的极限承载力以及相应的应力-应变曲线、渐进破坏模式、下卧软层的沉降规律。进一步将下卧层的地基承载力加载安全系数与强度折减系数进行对比,发现折减系数与加载系数随荷载尺寸变化的趋势相同,但前者的数值偏小。     

基础宽度对地基承载力影响的数值分析

利用数值方法对传统的地基极限承载力的计算公式进行了验证,结果表明传统的理论公式中基础宽度对极限承载力的贡献是正确的。通过数值计算结果,针对目前地基规范中地基承载力特征值限定基础宽度的贡献,研究了地基承载力的合理确定方法,认为地基的承载力应根据实际基础的沉降和地基承载力的安全系数来确定更科学合理。基础宽度对地基承载力的影响已在沉降和承载力安全系数上得到反映,从而计算时不必限定基础宽度,由此可以获得更合理的地基承载力值。     

各向异性和非均质黏土粗糙地基承载力上限计算

通过构建一种网格状多刚性块破坏机制,利用上限法研究了黏土地基各向异性和非均质对粗糙条形基础地基承载力的影响。该破坏机制允许滑动面和速度矢量沿破坏区域过渡区的径向和切向发生变化,形成了更为精确的破坏机制和塑性流动速度场。根据上限定理得到各向异性和非均质性黏土上条形基础极限承载力的目标函数,将其转化为非线性规划问题,并通过编程对该计算模型进行求解。与已有研究成果对比分析表明,两者具有较好一致性,且优于现有同类方法。文中亦探讨了黏土地基非均质、各向异性以及其他相关参数对地基承载力的影响。     

基于Hoek-Brown非线性破坏准则的软岩地基极限承载力数值模拟

基于有限差分分析（FLAC）的软质岩石地基承载力数值计算模型,分析中将软质岩石地基视为均质、各向同性的连续介质,采用理想线性弹塑性本构关系模拟和Hoek-Brown非线性破坏准则及非关联流动法则。为便于数值模拟,采用切线法,把Hoek-Brown非线性破坏准则转换成Mohr-Coulomb线性破坏准则,并依据等量原则推导了瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力的计算公式,编制了基于FLAC内置FISH语言的子程序。通过施加竖向速度向量,分别获得了圆形基础下考虑和忽略岩体自重的极限承载力。与理论值和现场载荷板承载力试验结果进行的对比分析表明,Hoek-Brown解结果比Bell解结果更接近实测值,但都偏于保守,而数值计算结果与实测值非常接近,特别是在考虑自重的情况下,误差仅为2%。说明对于软质岩石地基的极限承载力,采用基于Hoek-Brown非线性破坏准则的FLAC数值模型进行分析是合适的。     

斜坡地基刚性桩水平承载力上限分析

为探讨斜坡地基刚性桩水平极限承载力的计算方法,介绍柔性桩的等效刚性桩有效嵌入深度并引入极限水平地基反力分布形式。根据荷载指向坡外及坡内两种情况,提出适用于斜坡地基桩前土体的两种极限破坏模式。然后,基于极限分析上限定理,推导出两种荷载方向下的刚性桩极限承载力,并引入多组现场试验,验证了理论方法的合理性。探讨了边坡坡角、内摩擦角、黏聚力及荷载方向对极限承载力的影响,得出了一些规律性结论,并基于以上分析结果,提出斜坡地基刚性桩水平极限承载力随坡角变化的拟合公式。这些分析为斜坡地基上基桩设计提供了一定的参考,具有理论及工程应用价值。     

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。     

青藏铁路多年冻土区路堤人为上限与融化夹层的数值模拟分析

初始温度场采用实测温度场,相应的物理参数通过实测地温数据用有限元方法反演得到,计算结果的可靠性由实测数据验证。用这种方法对3种结构形式4个实测断面的青藏铁路多年冻土区清水河试验段路堤的人为上限和融化夹层进行了数值模拟分析。计算结果表明,从人为上限形态及融化夹层范围和面积两方面来看,相同路堤高度情况下,片石通风—碎石护坡组合路堤优于片石通风路堤,而片石通风路堤优于普通路堤;对于同类型的路堤,高路堤优于低路堤。这种不同路堤结构形式的优劣性排序,可为多年冻土区路堤设计提供理论依据和技术支持。     

地基渐进破坏及极限承载力的Cosserat连续体有限元分析

利用Cosserat连续体理论和所发展的有限元数值方法,模拟了地基由应变软化引起的以应变局部化为特征的渐进破坏过程,并从等价塑性应变的发展变化,阐述了渐进破坏过程对所能发挥的极限承载能力的影响。结果表明,Cosserat连续体模型能有效地模拟由应变软化引起以应变局部化为特征的渐进破坏现象,对地基等土工结构物有必要进行渐进破坏分析。同时指出,在求解软化型土体地基的极限承载力时,如果仍按传统的极限平衡或极限分析理论进行分析,可能得出偏于危险的结果。     

有关砂土地基承载力数值解析问题的讨论

以砂土地基的极限承载力为对象,讨论了古典理论解与室内模型实验值之间的差异,并结合试验中所观察到的现象对其原因进行了简要的分析,最后,利用有限元解析对各种极限承载力的计算方法进行了客观地评价.砂土材料强度具有明显的各向异性以及软化特性,并与周围压力大小以及密度相关.另外,砂土地基的破坏呈渐进性,砂土的粒径大小影响它的承载力以及变形破坏.结果表明,只有考虑砂土以上的各种特性的数值解析方法才能合理地得到砂土地基的极限承载力.     

圆形基础地基极限承载力计算

利用临界滑动场法计算了浅埋圆形基础的地基承载力,并提供了系数N、Nq和Nc的计算表格和曲线,同时分析了侧面土压力对N、Nq的影响。通过建立土体条块极限平衡方程,推导了计算地基承载力的递推关系式。首先,设定土体计算范围,并划分条块和设置状态点; 其次,根据递推公式和推力极值原理计算各个状态点的参数,并搜索临界滑面; 最后,根据搜索出的临界滑面计算地基承载力。通过与已有系数计算值或模型试验的比较,验证了该方法的合理性。研究结果表明:N、Nq和Nc与其他学者的计算值相近; 相同情况下侧面土压力越大系数N、Nq越小。该方法是临界滑动场法在地基承载力研究中的推广应用,原理简单、易于编程,可为深入研究圆形基础地基承载力的计算提供参考。     

极限分析有限元法讲座—— Ⅰ岩土工程极限分析有限元法

经典岩土工程极限分析方法一般采用解析方法，有些还要对滑动面作假设，且不适用于非均质材料，尤其是强度不均的岩石工程，从而使极限分析法的应用受到限制。随着计算技术的发展，极限分析有限元法应运而生，它能通过强度降低或者荷载增加直接算得岩土工程的安全系数和滑动面，十分贴近工程设计。为此，探讨了极限分析有限元法及其在边坡、地基、隧道稳定性计算中的应用，算例表明了此法的可行性，拓宽了该方法的应用范围。随着计算机技术与计算力学的发展，岩土工程极限分析有限元法正在成为一门新的学问，而且有着良好的发展前景。