基于GIS的三维对称边坡滑面正应力分布逼近函数构造

基于栅格柱体单元构造出对称边坡滑面正应力分布的逼近函数,为在GIS(地理信息系统)中建立基于滑面正应力假定的极限平衡法提供了理论计算基础。结合GIS的强大空间数据分析能力,建立出一个基于栅格柱体单元的三维边坡稳定性分析极限平衡模型,且在无任何力的假设条件下,推导出基于栅格单元的滑面正应力分布构成。结合算例分析表明:在滑体滑动方向上,滑面正应力的分布一部分由滑体自重和外力构成,且对滑面正应力的贡献所占比例很大,为已知函数,另一部分由柱间作用力构成,所占比例很小,为未知函数,因此,柱间作用力分布可选用三阶拉格朗日多项式来近似逼近拟合;在垂直于滑体滑动方向上,滑面正应力分布采用抛物线近似逼近拟合;进而构造出对称边坡的基于栅格单元的滑面正应力分布逼近函数。并通过算例对该逼近函数的合理性进行了验证。     

滑面正应力近似方法对三维极限平衡法解的影响

采用楔形体与椭球滑面算例,研究了三维极限平衡法中滑面正应力近似方法对其计算结果的影响。使用线性插值近似滑面修正应力时,插值节点和网格数目的改变未对安全系数造成明显影响,但明显改变了修正应力的计算结果,网格交界处的修正应力易出现突变。采用移动最小二乘近似滑面修正应力后,安全系数基本不变,并且相对于线性插值,能在求解更少未知量的情况下获得更有规律的修正应力分布。算例表明,在采用线性插值和移动最小二乘近似计算滑面修正应力的情况下,安全系数基本不随滑面正应力的改变而变化,这与二维极限平衡法的相关研究结论基本相同,显示三维极限平衡法满足了平衡条件和合理性条件。     

基于矢量和分析方法的边坡滑面搜索

基于力是矢量这个基本概念,给出了边坡矢量和法安全系数的矢量表达式。在边坡荷载已知的情况下,运用有限元法计算得到边坡真实的应力分布状态,使用矢量和法安全系数并采用优化算法中的直接法搜索边坡的临界滑面。计算结果表明,使用矢量和分析法搜索得到的临界滑面位置与极限平衡法得到的滑面位置基本吻合,且安全系数相对误差最大为2.09 %,验证了该方法在边坡稳定分析中的合理性与可靠性。矢量和分析方法与基于强度储备安全系数的分析方法不同,具有明确的物理和力学意义,且不需引入过多假设,公式简洁,易于进行三维边坡稳定分析,不需进行迭代计算,可在工程实际中得到广泛的运用。     

基于GIS的边坡稳定性计算方法研究

结合GIS（地理信息系统）的空间分析能力和滑动面正应力分布假定模型,建立了基于栅格单元的三维边坡极限平衡模型,提出了基于GIS的边坡稳定性计算方法。该方法首先建立了基于栅格柱体单元的三维边坡稳定性分析模型,给出了模型参数在GIS中的空间表达式;其次,在极限平衡条件下,推导出滑体在GIS中的3个力平衡方程式和1个力矩平衡方程式,形成了用于求解三维安全系数的方程组;最后,基于摩尔-库仑强度准则,以及滑动面正应力分布的假定,求解三维安全系数。同时利用COM（组件对象模型）技术开发出一个基于GIS的三维边坡稳定性分析扩展模块,该模块可实现复杂的算法计算以及多种组合荷载下的稳定性计算,并通过算例验证了该模块的正确性和便利性。     

基于滑动面应力假设下的三维边坡稳定性极限平衡法研究

基于滑动面法向应力的简单计算模式及Mohr-Coulomb强度准则,多个计算参数被使用对滑动面应力进行合理假设,并依据三维滑动体所满足的静力平衡条件,推导三维边坡稳定性极限平衡解答。同时,在三维边坡稳定性分析中,以往研究成果被采用对滑动面剪应力方向进行假定,且基于所采用极限平衡方程数目的不同,由此实现三维边坡极限平衡非严格法、准严格法和严格法。经与经典算例对比,验证了方法的可行性,并分析了三维非对称滑动体时非严格法、准严格法和严格法之间所得结果的差异。研究表明:非严格法所得计算结果偏小,其分析得到的边坡稳定性较为保守;准严格法与严格法计算所得结果接近,故采用不完全满足滑动体所有静力平衡条件的准严格法同样能得到较为可靠的安全系数。此外,所提方法构建了合理的滑动面应力假设,且求解过程简单,无需迭代计算,便于编程,从而利于工程应用。     

基于滑面正应力分布的爆炸震动荷载作用下边坡稳定性分析

假定滑面正应力分布为2个待定参数的拉格朗日函数,推导出爆炸震动作用下滑体的水平力、垂直力和力矩平衡方程。通过算例分析证实计算方法的可行性,说明爆炸振动拟静力系数与边坡安全系数的关系。研究结果表明,垂直向下、水平指向坡外的爆破振动荷载以及两者的联合爆破荷载对边坡稳定性安全系数有很大的影响;爆破荷载拟静力系数从0增加到0.3 ,每步增加 0.05,爆破振动水平指向坡外时,边坡安全系数减少6.65%～23.54%,爆破振动垂直向下时,边坡安全系数减少1.18%～2.52%, 联合爆破荷载的方向对边坡稳定性也有影响。     

边坡锚固力计算方法及工程应用

假定滑面正应力分布为含2个待定参数的拉格朗日插值函数,推导出含锚固力作用的滑体水平力、垂直力和力矩平衡方程,直接得到满足给定安全系数要求的锚固力系数解析解。这种锚固边坡计算方法克服了传统方法导致滑面正应力突变的缺点,且计算过程极为简便,并成功应用于实际边坡加固工程。     

边坡三维极限平衡法的通用形式

基于以下假定条件:(1) 稳定系数定义为材料的强度折减系数;(2) 土体为刚体,底滑面服从Mohr-Columb强度破坏准则;(3) 微条柱底部法向力dNz的作用点处于条柱底部中点;(4)滑面剪力与底滑面和xoz平面交线的夹角为。本文建立了边坡三维极限平衡法的通用形式,通过给定不同的限制条件,可分别得到三维普通条分法 、三维简化毕肖普法 、三维简化简布法 、三维Spencer法 等三维极限平衡的具体算法。     

基于等效塑性应变的三维边坡滑面搜索

边坡三维临界滑面的定位问题是边坡稳定性分析中尚未得以很好解决的一个重要问题。注意到临界滑面是由沿深部方向上的等效塑性应变的极大点所组成这一现象,在利用强度折减法将边坡带入临界平衡状态后,通过在水平面上设置一系列的垂直直线,并找出每条直线上的等效塑性应变最大值的位置,就得到了三维边坡滑面上离散点的分布。最后,采用被称为薄板光顺样条（thin-plate smoothing spline）函数的插值方法对滑面上的离散点进行了插值光顺处理,在不指定边坡滑动模式和滑面形状的前提下就可以得到三维边坡的临界滑面。通过在三维凸型边坡中的应用,体现了该方法在确定三维边坡临界滑面上的优越性。     

基于有限元计算的边坡三维滑裂面搜索

提出一种基于有限元计算的边坡三维滑裂面搜索的方法,根据有限元计算的应力结果,计算可能滑裂面的安全系数,然后用遗传算法搜索出最危险滑裂面,并得出相应的安全系数作为边坡的安全度评价指标。该方法的优越性是只需进行一次有限元计算,不需要假定滑裂面,可以用于具有复杂地貌和地质构造的三维边坡。通过算例,验证该方法的可行性和程序的正确性,以大岗山水电站库区边坡工程实例验证该方法的实用性。     

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GA与SVM的最危险滑动面识别

结合支持向量机与遗传算法,提出了一种边坡最危险滑动面识别的新方法。这种方法基于正交设计和极限平衡分析获得学习样本,通过支持向量机学习,从而获得最危险滑动面与安全系数之间的非线性映射关系,再用遗传算法从全局空间上搜索,进行最危险滑动面的识别,并同时获得对应的最小安全系数,该方法计算速度快、效率高。给出了两个算例,结果是令人满意的。     

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。     

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。     

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。