降雨型滑坡垂直位移方向率及其位移监测预警判据研究

针对降雨型滑坡位移量预测参数失稳判据的局限和不足,并根据滑坡全息论的基本原理,提出和确定了滑坡垂直位移方向率预测参数,且指出该参数是边坡稳定性演化分析与评价的一个有效位移动力参数,具有位移量或位移速率不可替代的评价和预测作用。同时,系统分析了降雨型滑坡位移与地下水位变化规律及其相互作用关系,对该类边坡稳定性的不同演化阶段的表层垂直位移方向率形成机制与变化规律进行了弹塑性力学分析与评价,分别确定了边坡压缩稳定变形阶段和塑性失稳变形阶段的表层垂直位移方向率与其稳定性演化的定量关系,并依此运用数理统计均方差基本原理,建立了该类滑坡垂直位移方向率的整体失稳监测预警判据。最后运用新滩滑坡A_3、B_3监测点垂直位移方向率对该滑坡稳定性演化过程与失稳规律进行了后验分析与评价,其分析预测结果与边坡实际变形失稳规律基本相吻合,表明该参数在该类滑坡预测预报与监测预警中具有一定的有效性与实用性。     

基于强度折减法的边坡安全预警及失稳判据研究

传统强度折减法难以对实际边坡失稳进行动态预测或预警。基于边坡失稳变形的演化规律,获得边坡特征点位移量与稳定状态的关系。利用强度折减法对边坡强度进行逐步折减,进而构建边坡折减系数与特征点位移间关系曲线,结合边坡失稳演化规律,以特征点处位移值的突变作为边坡失稳判定依据,提出一种边坡失稳预警位移值和极限位移值的确定方法,实现了对边坡安全性进行预测预警。     

基于改进Shannon伪近邻法研究易滑地层位移变形时序

合理地运用科学的理论方法,研究计算滑移地层的滑移规律并进行有效的预测,一直是亟待解决的岩土工程问题。通过基于Shannon伪近邻法时序分析理论研究易滑岩层变形破坏的演变机理;通过边坡演变的动力学方程组,建立相空间重构,得出显示边坡系统动态特性延迟时间与关联维数的计算公式,并对边坡变形破坏过程进行了实例分析,得到最佳嵌入维数取值,提取和恢复边坡系统原有的规律。在古树屋滑坡位移的外推预测中,模型计算相对误差都控制在2%以内,计算结果接近于实测位移值。工程实践表明,基于该模型的时序预测方法,在边坡位移初始变形和等速变形阶段,能保证95%以上的拟合控制精度。     

降雨诱发型堆积层滑坡的位移动力学特征分析

根据降雨诱发型堆积层边坡物质组成特点与位移构成性质,建立了边坡粘弹性位移动力学模型与位移动力学方程,并以此为基础系统分析了其位移动力学行为和特征以及位移与地下水位或降雨量定量关系,发现了边坡的位移动力学特征主要取决于边坡的地下水位及其变化规律,且其位移和位移速度在整体失稳前具有强烈的波动性。上述位移动力学规律表明,仅运用位移或位移速度作为单一动力学响应参数来评价与预测该类边坡稳定性存在一定局限性。因此,选择和建立堆积层滑坡的位移多源信息预测理论与模型将具有重要的理论意义与实用价值。     

水诱发堆积层滑坡位移动力学参数及其在稳定性评价中的应用——以三峡库区黄腊石滑坡分析为例

在系统分析堆积层滑坡的物质组成和失稳动因的基础上,运用加卸载响应比理论的基本原理,首次提出了将月降雨量及其变化作为该滑坡的加卸载参数,相应月平均位移速率及其变化值为加卸载响应参数,由此所确定的位移加卸载响应比作为堆积层滑坡的位移动力学参数.并根据三峡库区降雨量与堆积层边坡位移相关关系论证了应用该位移动力学参数评价堆积层边坡稳定性的可行性和有效性.最后,运用加卸载响应比动力学参数对三峡库区黄腊石滑坡排水工程实施前后的稳定性进行了评价,评价结果与该边坡排水工程前后的稳定性变化相吻合.这表明了加卸载响应比位移动力学参数是堆积层边坡稳定性评价的一种有效位移动力学参数,可以运用该位移动力学参数对该类边坡的稳定性进行评价与预测.     

滑坡位移的多模态支持向量机模型预测

将支持向量机（support vector machine,SVM）方法与信号分析中的经验模态分解（empirical mode decomposition, EMD）方法相匹配,提出了一种通过多模态支持向量机函数回归分析建模预测滑坡位移的理论方法。以边坡位移历史观测数据为基础,应用EMD方法获得滑坡形成过程中位移演化的几个特征时间模态,构成了多模态信息统计学习样本,确定了边坡位移演化的自适应多尺度变化信息。对应于每个经验模态的位移变化信息,引入了多模态SVM建模方法,然后合成不同经验模态下边坡位移的计算结果,得到滑坡位移的预测值。以卧龙寺新滑坡和新滩滑坡的监测数据为基础的理论预测结果表明,与采用遗传算法的神经网络方法的预测结果相比,支持向量机经验模态方法具有更强的预测能力,理论预测结果与实际监测值具有很好的一致性     

堆积层滑坡水动力位移耦合预测参数及其评价方法研究

在系统分析滑坡的物质组成和失稳动因的基础上,分析和研究了地下水在滑坡稳定性演化过程中的卸载与加载动力作用及其位移响应规律和特点。从非线性系统动力学角度,提出了运用地下水卸加载动力与位移响应耦合预测参数来评价边坡稳定性演化规律与失稳特征,即以地下水位变化量作为堆积层滑坡的卸加载动力参数,以相应的位移作为其卸加载响应参数,建立和确定了地下水卸加载动力与位移响应比预测参数与评价模型。同时,运用损伤力学基本原理,建立了其卸加载响应比与坡体损伤变量和稳定性系数的定量关系以及失稳判据。以三峡库区典型堆积层滑坡分析为例,运用地下水动力与位移耦合预测模型对其稳定性进行了分析与评价,发现地下水动力位移耦合预测参数变化与边坡稳定性实际动态演化规律基本吻合。研究成果表明,所确定的参数是水诱发型堆积层滑坡的一种有效位移动力评价参数,可运用该参数对该类滑坡的动态稳定性进行实时监测预警与评价。     

基于混合核函数PSO-LSSVM的边坡变形预测

支持向量机（SVM）的核函数类型和超参数对边坡位移时序预测的精度有重要影响。鉴于局部核函数学习能力强、泛化性能弱,而全局核函数泛化性能强、学习能力弱的矛盾,通过综合两类核函数各自优点构造了基于全局多项式核和高斯核的混合核函数,并引入粒子群算法（PSO）对最小二乘支持向量机（LSSVM）超参数进行全局寻优,提出了边坡位移时序预测的混合核函数PSO-LSSVM模型。将模型应用于锦屏一级水电站左岸岩石高边坡变形预测分析,并与传统核函数支持向量机预测结果进行对比分析。结果表明,该模型较传统方法在预测精度上有了明显提高,预测结果科学可靠,在边坡位移时序预测中具有良好的实际应用价值。     

基于集对分析组合理论的全风化边坡位移预测研究

风化花岗岩边坡位移受多种不确定因素影响,其预测是一个复杂的不确定性问题。以平益高速某风化花岗岩边坡为研究对象,先利用少量位移监测数据建立五种单项预测模型,然后基于集对关系准则定量分析各单项模型预测值与实测值间的集对关系,并通过联系数确定组合权重系数,最终建立了关于边坡位移的组合预测模型,并将预测数据与实测数据进行了对比验证。研究表明,利用集对分析组合理论建立的模型实现了预测信息的优化组合,相对单项模型,组合模型的预测相对误差最大不超过20%,绝对误差平方SSE、标准误差SE等指标偏小,可为边坡动态施工管理提供更加可靠的依据。拓宽了集对分析组合理论的应用范围,也为解决其他类似工程的位移预测问题提供了思路。     

位移监测在边坡治理工程中的应用

位移监测可为分析滑坡的结构和成因、评价预测滑坡的稳定性及发展趋势等提供重要信息。实例分析表明,将位移监测资料与斜坡变形破坏现象结合起来,能准确地判定斜坡的变形阶段,评价和预测边坡施工及其使用过程中边坡的稳定状况。     

格栅加筋路堤边坡性能的试验研究及有限元分析

基于2种路堤边坡坡比、2种土工格栅和3种加筋层数的不同组合的室内模型试验,比较分析了不同试验工况条件下加筋边坡在顶部载荷作用下的变形规律。结果表明:加筋能较大幅度地提高边坡的稳定性及承载能力;加筋边坡的沉降和侧向位移随着格栅抗拉强度增大、加筋层数增多和边坡变缓而相应的变小。将试验所得结果与有限元数值模拟计算结果进行了对比分析,有限元模拟结果与试验值吻合较好。     

Safety factor calculation of soil slope reinforced with piles based on Hill’s model theory

How to evaluate reasonably the stability of a soil slope reinforced with piles (SSRP) still is an urgent problem. At present, the three-dimensional (3D) finite element strength reduction method has been used for the soil slope stability analysis. However, to accurately determine the global instability of soil slopes is the key to implementing the strength reduction finite element method. In this paper, the 3D finite element strength reduction algorithm (FESRA), based on Hill’s model theory, is proposed to assess the stability of SSRP and study on the relationship between the safety coefficients of SSRP and the displacements of slope mass. The results show that: (1) the relationship between the safety coefficients of SSRP and the displacements of slope mass agrees with the Hill’s model; (2) the proposed method (3D FESRA based on Hill’s model theory) in this study may take into account simultaneously the pile response and slope stability, and makes the results of SSRP stability analysis reasonable and reliable, which could be used as a reference for the evaluation of stability of the same type of slope; and (3) further study should be done to confirm whether the proposed method in this study is suitable for other types of slopes.     

A Timoshenko finite element straight beam with internal degrees of freedom

We present hereafter the formulation of a Timoshenko finite element straight beam with internal degrees of freedom, suitable for nonlinear material problems in geomechanics (e.g., beam type structures and deep pile foundations). Cubic shape functions are used for the transverse displacements and quadratic for the rotations. The element is free of shear locking, and we prove that one element is able to predict the exact tip displacements for any complex distributed loadings and any suitable boundary conditions. After the presentation of the virtual power and the weak form formulations, the construction of the elementary stiffness matrix is detailed. The analytical results of the static condensation method are provided. It is also proven that the element introduced by Friedman and Kosmatka in 1 , with shape functions depending on material properties, is derived from the new beam element. Validation is provided using linear and material nonlinear applications (reinforced concrete column under cyclic loading) in the context of a multifiber beam formulation. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑强度各向异性的边坡稳定有限元分析

天然沉积的土层总是表现出一定程度的强度各向异性,但现有的边坡稳定有限元分析极少考虑各向异性的影响。对大型有限元软件ABAQUS进行二次开发,使其能够考虑土体黏聚力随大主应力方向的变化,动态更新增量迭代求解过程中边坡不同位置处的抗剪强度,进而提出具备安全系数自动搜索功能的各向异性边坡稳定分析方法。计算结果表明,均匀边坡的有限元解与极限分析上限解相差很小。如果采用土体固结方向的黏聚力并按各向同性评价缓坡的稳定性,可能严重高估安全系数,尤其是在黏聚力较高的情况下。与极限分析不同,建立的强度更新有限元模型能够分析成层边坡的稳定性。     

Composite Element Model of the Fully Grouted Rock Bolt

Summary The three dimensional elasto-viscoplastic composite element method is formulated in this paper for rock masses reinforced by a fully-grouted bolt. If a bolt segment penetrates a finite element representing the rock mass, then a composite element is formed including five sub-elements corresponding to the rock material, the grout material, the bolt material, the rock-grout interface and the bolt-grout interface. The displacements in each sub-element are interpolated from the corresponding nodal displacements of the composite element. By the virtual work principle the governing equation for the solution of the nodal displacements can be formulated. The elasto-viscoplastic characteristics of the materials are considered in the formulation. The new model can be incorporated into the conventional finite element analysis grid, in which several composite elements have fully grouted bolts embedded. In this way the mesh generation of large scale bolted rock structures becomes convenient and feasible. The model has been implemented in a FEM program, and a comparative study between the numerical analysis and a pull out field test has been carried out, from which the validity and the robustness of the new model are justified.     

多次冻融后格栅加筋黏土路堤工作性能分析

利用多次冻融后加筋黏土路堤相关试验参数对其进行有限元计算, 确定了加筋黏土结构各初始因素对其工作性能的影响规律, 并利用ABAQUS有限元计算软件对各种计算条件下的位移和应力进行求解, 确定了冻融循环后位移和应力的最大值. 结果显示: 增加加筋黏土路堤中的格栅层数可以减小冻融后加筋路堤的竖向和水平位移及土体剪应力最大值, 且格栅层数的增加对土体变形的影响强于对土体剪应力值的影响. 土体压实度的增大可以减小加筋路堤的竖向和水平位移, 同时引起土中剪应力数值的增大; 土体初始含水率的减小可以减小加筋路堤的竖向和水平位移, 同时引起土中剪应力数值的减小.     

加筋土挡土墙边坡的稳定性分析

加筋挡土墙边坡是一种新型的复合边坡加固技术,用传统的方法很难设计这种复杂的结构。以一工程实例叙述了采用弹塑性有限元法预测加筋土边坡的稳定性的方法;给出了不同设计方案下的位移;分析了土体力学参数对边坡最大水平位移的影响。结果表明,土体的弹性模量、内摩擦角与粘聚力是影响边坡位移的重要因素。这些土力学参数与边坡最大水平位移是非线性关系,且有呈现临界点的趋势。因此,适当控制填土的力学性能参数有助于达到安全节省的设计目标。      

土工织物加固软土路堤的有限元分析

采用有限元方法对土工织物加固软弱地基路堤的力学机理进行了研究.通过比较路基加筋和未加筋两种情况研究了土工织物的加固机理,结果表明土工织物对于提高路堤填筑高度、减少路堤侧向位移、均化路堤沉降以及加速超孔隙水压力消散有显著的效果.加筋路堤中土工织物的轴力受填筑高度、超孔压消散速度和接触面系数等因素的影响,路堤填筑高度和施工进度的控制有利于土工织物抗拉强度的发挥.对路堤安全系数的研究分析表明传统的极限平衡法验算路堤稳定性偏于保守,采用有限元方法能较好地反映土工织物的加筋作用,可以优化工程设计.     

考虑波浪与地震动力效应的曹妃甸海底斜坡稳定性探讨

波浪和地震等动力荷载容易引起斜坡海床失稳,进而引发海底滑坡,危及港口码头安全和海洋工程建设。本文以曹妃甸港南部深槽处海底斜坡为研究对象,考虑真实波浪荷载和地震荷载,采用有限元法和极限平衡法相结合的研究手段对海底斜坡的动态稳定性进行了定量化计算,探讨了动力效应对特殊环境下海底斜坡稳定性的影响机制。结果表明: (1)极端波浪荷载和地震动力荷载对海底斜坡稳定性影响很大,重现期为50a的波浪荷载和峰值加速度为0.15 g的地震动力荷载将引发海底斜坡失稳,且地震荷载将诱发海底斜坡产生较大位移; (2)动力效应会引发海床侵蚀和岩土体强度弱化,进而降低斜坡安全系数,这是稳定性分析中不可忽略的重要因素。     

锚索与锚杆联合锚固支护岩坡的有限元分析

针对广东某高速公路74 m高的7级挖方边坡,采用三维弹塑性有限元数值计算方法分析山区路堑开挖岩质边坡的锚固支护的受力情况。分别计算了坡体无锚和3种不同的锚固方案。通过坡体无锚方案的计算确定坡体的滑动面并为锚固方案的设计提供依据。3种锚固方案中的预应力锚索和锚杆按不同方式进行了组合。所建立的锚固坡体三维有限元分析模型对锚固坡体进行了合理简化并节约了计算量。计算中锚索的预应力采用预先施加应变的方式施加。计算分析表明,边坡加锚后可显著减少边坡塑性区。实际工程中采用预应力锚索和锚杆交错布设方案进行边坡锚固支护可较好地达到安全与经济并重的边坡处治原则。现场监测结果表明,锚固边坡有限元分析合理可行。