基于非线性破坏准则的临坡地基承载力上限分析

临坡地基承载能力的确定分析已成为地基设计理论中一个重要研究课题。针对现有地基承载力分析方法大多基于线性Mohr-Coulomb破坏准则。考虑岩土材料破坏的非线性特性,采用非线性破坏准则和多切线法,引入极限分析上限理论,根据临坡条形基础地基破坏模式的非对称性特点,构建出临坡条形基础地基单侧刚性多滑块破坏模型及相应运动允许速度场。在此基础上,利用序列二次规划非线性优化算法,建立临坡条形基础地基极限承载力的确定方法。最后,通过工程实例计算,并与已有研究方法计算结果进行对比分析。结果表明,非线性参数对临坡地基承载力有着重要影响,采用多切线法处理非线性材料强度准则问题理论上更严密,上限解更优,验证了该方法的可行性与合理性。     

基于非对称双侧破坏模式的临坡地基承载力上限分析

临坡地基已成为一种广泛的地基形式。针对临坡条形基础地基破坏模式的非对称性特点,首先引进双侧破坏模式的研究思路,重点考虑临坡地基基础两侧滑块大小和同一滑块几何形状的双重非对称性特征,构建了临坡条形基础地基非对称双侧破坏模式,为临坡地基承载力分析奠定了坚实基础;然后在此基础上,引进极限上限分析和优化理论,建立了临坡条形基础地基承载力分析的模型与方法,该方法不仅可考虑地基破坏模式,还可考虑基础与坡顶距离对临坡地基承载力的影响,而且还可较好地蜕化为平地地基承载力的分析;最后通过工程实例计算,并与现有相关分析方法进行对比分析,表明该方法的可行性与合理性以及普遍适用性。     

岩溶区地基极限承载力上限有限元数值模拟分析

岩溶区基础下伏空洞时,其地基承载力计算变得十分复杂。为考虑多种因素对地基承载力的影响,基于上限分析有限元法对岩溶区地基极限承载力进行数值模拟分析。首先,提出合理的计算假定简化,建立可考虑多因素影响的地基计算模型;其次,利用Matlab平台编制上限分析有限元程序,对地基承载力作数值计算,得到各种工况的地基极限承载力上限解,并绘制相应的分析图表;再次,分析地下空洞埋置深度、洞径和岩土体内摩擦角对地基极限承载力的影响规律;最后,通过算例分析验证本文方法的合理性。研究结果表明:地基极限承载力随D/B(径宽比)增大而减小,随H/B(深宽比)和φ增大而增大,且φ值越大H/B和D/B对地基极限承载力影响越显著;岩溶区地层中空洞存在一个影响地基极限承载力的临界埋置深度,该临界埋置深度受D/B和φ影响。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

顶部加箍碎石桩极限承载力上限分析

针对软土区顶部加箍碎石桩复合地基,根据理论上较为严密的极限分析上限法,通过构建协调的速度场,综合考虑土重和加箍段桩侧摩阻力等因素的影响,基于能量平衡原理推导出了单桩极限承载力递推计算公式。在此基础上,利用随机优化搜索方法搜索出临界滑裂面,从而获得更为合理、严密的顶部加箍碎石桩极限承载力计算方法。最后,结合典型的工程实例进行了对比验证和参数分析,结果表明：计算结果与实测值、既有方法计算值相比相对误差在5.4%范围内,最优顶部加箍深度约为桩体半径的8倍,可为工程实践提供一定的参考。     

条形荷载下不排水土坡破坏模式判定及极限承载力估算

为了确定边坡放置地基的极限承载力,采用弹-理想塑性有限元,分析了不排水土坡(u=0)的坡肩上放置条形基础的地基极限承载力。结果表明,不排水土坡地基极限承载力仍可沿用Terzaghi水平地基极限承载力计算公式qu=cuNc。不考虑重度条件下,土坡地基的破坏模式类似于水平地基破坏模式,承载力系数Nc与极限分析法计算的结果一致;考虑重度条件下,可用土坡实际状态的Taylor数与其极限状态的Taylor数的差值N作为判别指标,当该值较小时将发生边坡破坏模式,较大时发生地基破坏模式,找出了两种破坏模式的N分界点,确定了Nc与N的关系,建立起坡肩作用条形荷载下不排水土坡极限承载力计算公式。     

边坡稳定分析的极限分析下限解有限元法

研制开发了极限分析下限解有限元程序.在程序的开发过程中,着重解决了下限解有限元法转化为标准线性规划问题和线性优化方法的选择问题,同时,通过典型算例的分析对比,对程序的合理性和可行性进行了验证.     

无厚度界面单元边坡浅基础极限承载力上限值的数值分析

采用研发的有限单元分析程序,并同时考虑以库仑摩擦界面为组成模式的多段式无厚度界面单元,藉以探讨边坡坡角与坡缘距离对边坡坡顶浅基础极限承载力的影响,并应用于不同几何破坏机制条件,计算边坡基础在凝聚性土体的最小荷载上限值,模拟土体间的滑动破坏趋势与渐进式破坏行为。研究分析内容包含：（1）浅基础位于半无限空间;（2）在不同边坡坡角条件下,浅基础位于坡顶边缘处;（3）在不同边坡坡角条件下,浅基础位于不同坡缘距离等。经由数值计算分析结果显示,坡缘距离值愈小或边坡坡角愈陡峭时,边坡浅基础极限承载力值则愈小。换言之,当浅基础位于坡顶边缘处且坡角为垂直开挖情况时,则导致浅基础极限承载力降低约50 %。     

下伏空洞地基极限承载力与破坏模式上限有限元法

地基极限承载力的确定对于下伏空洞地区基础设计和施工具有重要意义。采用上限有限元法对地基破坏时的极限状态进行数值模拟。首先,简要介绍上限有限元法的基本原理与计算过程;进而提出合理的计算假定,建立可考虑多种影响因素的计算模型;其次,利用上限有限元法计算出多种工况下的地基极限承载力上限解,按Tergaghi建议的地基承载力公式,得到承载力系数N_c、N_q、N_g,并对其影响因素进行分析;最后,根据大量的能量耗散图及速度场图提出3类典型的破坏模式,并对其影响因素进行分析。研究表明:随着内摩擦角j的增大,N_c和N_q均增大,而当j较大时,N_g才出现正数,且随着j增大而增大;随着空洞顶板厚度与基础宽度之比H/B的增大,N_c和N_q均增大。而当j较小时,N_g随着H/B的增大而减少;当j较大时,N_g随着H/B的增加而增加。N_c、N_q和N_g均随着D/B的增大而减少。下伏空洞地基存在3种典型的破坏模式:冲切破坏模式、冲切剪压破坏模式和Prandtl破坏模式。     

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.     

Reliability analysis for bearing capacity of surface strip footing using fuzzy finite element method

ABSTRACT

This paper presents the reliability analysis on the basis of the foundation failure against bearing capacity using the concept of fuzzy set theory. A surface strip footing is considered for the analysis and the bearing capacity is estimated using the conventional Finite Element Method (FEM). The spatial variability of the variables is taken into consideration to capture the physical randomness of the soil parameters for an isotropic field. A variation of the probability of failure (P_f) against a varying limiting applied pressure (q) is presented for different Coefficient of Variation (COV) of the variables and different scale of fluctuation (θ). The results reveal that the friction angle of soil (?) is the most influencing parameter among the other variables. Further, the influence of the scale of fluctuation (θ) on the probability of failure (P_f) is also examined. It is observed that for a particular COV of ?, higher value of θ predicts higher P_f whereas, P_f increases as COV of ? increases for a particular θ value. Later, a comparison study is accomplished to verify the viability of the present method and it can be noticed that the present method compares well with the other reliability method (First Order Reliability Method) to a reasonably good extent.     

Calculation of seismic bearing capacity of shallow strip foundations using the cell-based smoothed finite element method

This paper adopts an upper bound procedure using the cell-based smoothed finite element method (CS-FEM) to estimate the seismic bearing capacity of shallow strip footings, focussing on seismic soil-structure interactions. In simulations, soil behaviour is assumed as the Mohr–Coulomb material, and increment of plasticity deformation obeys the associated flow rule. The first step of the numerical procedure involves approximating the kinematically admissible displacement fields using the cell-based smoothed finite element method, while the second relates to the establishments of the optimization problem as the conic programming. The inclusion of seismic conditions in the simulations was made using the pseudo-static approach. Initially, three seismic bearing capacity factors were resolved for both smooth and rough foundations by including horizontal and vertical inertia forces caused by the soil weight, the superstructure and the surcharge in the analyses. All seismic bearing capacity components obtained are in excellent agreement with those obtained using the method of characteristics and other finite element analyses. Subsequently, the reduction coefficients that correlate static and seismic bearing capacity factors were computed to facilitate the seismic design of the foundation.

     

边坡大变形损伤破坏的高效无网格模拟

首先讨论了Lagrangian和Eulerian无网格近似的联系和区别,然后基于稳定节点积分和增量本构理论,建立了分析边坡静动力破坏的高效大变形无网格法,并给出了详细的计算流程。该方法采用弹塑性损伤耦合本构关系来模拟岩土类材料的破坏演化过程,其中屈服函数采用Drucker-Prager准则,损伤准则为基于应变的各项同性损伤函数。由于无网格近似和稳定节点积分具有非局部近似的特性,在保证空间离散稳定性和提高计算效率的同时,也可准确有效地模拟应变集中所形成的剪切带的发生与扩展,通过数值算例验证了方法的有效性。     

边坡可靠度分析的非侵入式随机有限元法

提出基于非侵入式随机有限元法的边坡可靠度分析方法,并编写计算程序NISFEM。采用有限元滑面应力法计算边坡安全系数,将Hermite随机多项式展开与SIGMA/W和SLOPE/W模块有机结合实现边坡可靠度非侵入式随机分析。根据随机多项式展开系数,给出边坡安全系数前4阶统计矩（均值、标准差、偏度和峰度）和Sobol指标解析表达式,并采用Sobol指标进行边坡可靠度参数敏感性分析。最后,以均质土坡可靠度问题为例,证明该方法在边坡可靠度分析中的有效性。结果表明,边坡可靠度分析的非侵入式随机有限元法能够有效地考虑边坡变形对边坡可靠度的影响,计算效率远远高于蒙特卡罗模拟方法（MCS）,是解决复杂边坡可靠度问题一种有效地分析手段;黏聚力和内摩擦角变异性对边坡安全系数前四阶统计矩具有明显的影响,重度变异性对安全系数前4阶统计矩几乎没有影响;抗剪强度参数间负相关性对边坡安全系数均值几乎没有影响,但对安全系数标准差、偏度和峰度均有明显的影响。此外,随着抗剪强度参数间负相关性的增加,边坡安全系数由近似正态分布逐渐变为明显的非正态分布。     

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。