三维塑性极限分析下限法原理及应用

介绍了三维塑性极限分析下限法的基本原理。将计算区域离散为有限个三维空间单元,利用极限分析中的下限定理,借助有限元思想建立数学规划模型,并引入非线性规划的数值方法寻求问题的下限解。以均匀土质边坡的极限荷载作为算例,比较了所得数值解与经典塑性力学理论解,论证了该方法的正确性。     

边坡稳定的有限元塑性极限分析

系统地介绍了结构塑性极限分析的原理和方法。借助有限单元法和线性规划,运用塑性极限分析的下限法,可求解岩土边坡的极限承载力和安全系数。算例表明了该方法的正确性并具有较高的精度,同时,分析了该方法的困难所在。     

基于混合离散的砌石挡土墙边坡极限承载力下限分析

将极限分析下限法理论、混合数值离散思想和线性规划结合起来研究砌石挡土墙边坡的极限承载力。采用三角形有限单元离散土体来模拟土体的连续介质力学特性,构建土体静力许可应力场的约束条件,采用块体单元离散砌石体来模拟砌石体的非连续介质力学特性,构建砌石挡土墙的静力许可应力场的约束条件;同时建立有限元单元和块体单元交界面的约束条件;然后以超载系数为目标函数建立求解砌石挡土墙极限承载力的下限法线性规划模型,并使用内点算法进行最优化求解,获得边坡的极限荷载（或安全系数）和对应的应力场。通过3个算例的分析验证了所提方法的正确性。所提方法是将混合数值离散思想引入极限分析领域的一次尝试。     

考虑孔隙水压力的土坡稳定性的有限元上限分析

基于塑性极限分析的上限定理,考虑孔隙水压力的影响,以结点速度为未知量,根据塑性流动约束条件、速度间断约束条件、速度边界约束条件以及由外功功率与内功功率相等条件得到的目标函数,建立了求解孔隙水压力条件下土坡稳定性的有限元塑性极限分析线性规划数学模型;可求得边坡安全系数的上限值及相应的机动容许位移场;最后对2个经典算例进行了分析,验证了提出方法和程序是正确可行的。     

基于二阶锥规划有限元增量加载法的条形浅基础极限承载力分析

地基极限承载力分析是土力学研究中的一个经典课题。基于Hellinger-Reissner混合变分原理和有限元方法,将岩土体弹塑性问题构造成基于有限元框架的二阶锥规划（second-order cone programming,SOCP）问题,进而提出一种基于二阶锥规划理论的增量有限元法,即FEM-SOCP法。将岩土体弹塑性问题构造成二阶锥规划的数学优化问题,可以避免采用传统弹塑性计算中复杂的应力点积分等算法和屈服面棱角的平滑处理。此外,对于二阶锥规划问题,可以采用具有原始?对偶内点求解法的标准数学规划求解器MOSEK进行求解。将增量加载FEM-SOCP法应用于经典的基底粗糙的条形浅基础地基极限承载力分析中,分别考虑了关联和非关联塑性条件下的Mohr-Coulomb屈服准则。数值结果表明：所提出的增量加载FEM-SOCP法获得的地基承载力系数及地基承载力与传统FEM计算结果基本一致,而与常规有限元计算结果相比,基于增量加载的FEM-SOCP法所获得的屈服区更加平滑。     

非均质土坡的有限元塑性极限分析

在评价现有边坡稳定分析方法的基础上,提出了边坡稳定的有限元塑性极限分析方法。借助有限单元思想和线性规划,建立了边坡稳定的数学规划模型,由此可以求出安全系数的上下限解,从而,界定了边坡的安全范围,同时,可以给出下限状态下的应力场和上限状态下的速度场。以一个经典非均质土坡的边坡稳定作为算例,比较了多种方法的分析结果,论证了本方法的正确性。     

不排水双层粘性土地基极限承载力的数值分析

采用弹塑性有限元分析了条形基础作用下不排水条件的双层粘性土地基极限承载力性状。采用修正的地基承载力系数表征,并将不同的几何与土层参数条件下的数值解与上下限解和经典的经验解进行比较。表明弹塑性位移有限元法可以很好地求解地基的极限承载力问题,其求解得到的修正地基承载力系数与基于下限原理的有限元解很接近,而上限解高估了地基的极限荷载值,传统的经验解在某些条件下却偏小。     

有限元法在基坑土钉支护极限高度中的应用

利用有限元方法对基坑土钉支护的极限高度问题进行了研究,分析了影响基坑土钉支护极限高度的主要因素。研究结果表明：基坑土钉支护存在着极限高度,极限高度的求解与地基极限承载力问题有着密切联系,从而利用地基极限承载力的有限元求解思路求得了基坑土钉支护的极限高度;研究了基坑土钉支护参数对极限高度的影响,得出极限高度与各个基坑土钉支护主要参数之间的部分变化规律,并在匀质土体的情况下与土塑性力学中的上下限定理得出的理论解进行了比较,经工程实例验证,结果比较吻合,为基坑土钉支护极限高度的确定提供了一种新的思路。     

下限分析有限单元法的非线性规划求解

下限分析有限单元法将下限定理这一数学变分问题转化为一个数学规划问题,克服了人为构造可静应力场的困难,在实际工程中具有广阔的应用前景。通过有限元离散得到的非线性下限规划模型中包含大量的优化变量与约束条件,常规优化算法难以求解。为此,在分析非线性下限规划模型自身特点的基础上,引入可行弧技术和Wolfe非精确搜索技术改进其优化求解效率。算例分析表明,基于可行弧技术和Wolfe非精确搜索技术,下限分析有限单元法优化求解程序的收敛速度和步长搜索效率得到明显的提升,并且其数值稳定性良好、计算精度较高,可以较好地适应实际工程问题的计算。     

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。     

基于刚体平动运动单元的上限有限元研究

刚性块体极限分析上限法常应用于岩土工程稳定性研究,然而应用时需假定刚性块体破坏模式并递推繁琐的几何关系。为此,提出一种适应性更广的基于非线性规划模型的刚体平动运动单元上限有限元法,并解决了其优化模型初始值的确定问题。通过引入有限单元思想,将计算区域离散成刚体单元,同时以单元速度和节点坐标作为决策变量,由上限定理建立非线性规划模型获得上限解。利用编制的上限有限元程序进行边坡和浅埋隧道稳定性算例验证,表明运动单元上限有限元法能调整速度间断线至较优方位,所得破坏模式特征鲜明,上限解精度高,可广泛应用于边坡、隧道等稳定性分析研究。     

考虑孔隙水压力的土坡稳定性的有限元下限分析

以极限分析下限法理论为基础,应用有限单元思想离散结构物,建立了同时满足平衡条件、应力边界条件、屈服条件和应力间断条件的静力许可应力场,其中孔隙水压力被当作一种类似于重力的外力荷载。引入线性数学规划手段后,得到了考虑孔隙水压力的边坡稳定的下限法数学规划模型,由此可以求出安全系数的下限解及其对应的应力场。最后,以2个经典的土坡为算例,与多种方法的分析结果比较,论证了该方法的正确性。     

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。     

基于非线性破坏准则的主动土压力上限计算

主要叙述了一种基于非线性破坏准则下的主动土压力计算分析方法。引入Power-Law非线性破坏准则,并根据切线法引入了变量 ,建立了一个统一的容许速度场,通过上限分析得出了主动土压力的计算表达式。由于主动土压力计算表达式中自变量个数繁多,为实现对上限解的最优化,应用了大型的数学规划软件,采用了目前广泛使用的SQP算法,得出了最优的上限解。通过与同样引入Power-Law非线性破坏准则后的朗肯土压力理论解的比较,发现所述的方法切实有效,并且适用范围更加广泛。     

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。     

地震效应下非线性抗剪强度参数对裂缝边坡稳定性影响的上限解析

基于非线性Mohr-Coulomb破坏准则,结合极限分析上限法和拟静力分析法,建立功能方程,推导了地震效应下裂缝边坡的安全系数计算方程。采用数学规划方法,计算了不同参数组合条件下的边坡安全系数值,详细分析了非线性条件下一系列参数对边坡稳定性的影响。研究表明,边坡安全系数随非线性参数和地震效应的增大而减小。对比分析可知,在非线性破坏准则下,裂缝深度较大时,裂缝对边坡稳定性影响显著,且边坡越陡影响越大;当裂缝深度超过某个值后,临界破坏面起始端可能不穿过裂缝最底端,而是从裂缝中间某部位穿过。在地震效应作用下,非线性抗剪强度参数对安全系数影响显著。研究成果进一步完善了裂缝边坡稳定性分析内容,所列图表为边坡的设计与施工提供有益参考。     

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.     

非均质地基浅埋水平条形锚板承载力上限分析

考虑地基土体的非均质特性,采用非线性Mohr-Coulomb强度准则及其关联流动法则构造了浅埋水平条形锚板的曲线型破裂机制与机动许可速度场,根据极限分析上限定理推导了条形锚板抗拔承载力的表达式。利用变分极值原理求得了锚板抗拔承载力及其上方土体破裂面的上限解,分析了锚板埋深、土体非均质和非线性强度特性对锚板抗拔承载特性的影响,并将该上限解与已有计算方法进行了对比。结果表明:锚板埋深、土体非均质和非线性强度特性对其抗拔承载力与破裂面特征具有明显的影响。锚板埋深和土体非均质系数越大以及土体非线性强度系数越小,锚板抗拔承载力和土体破裂面深度、宽度均是越大。该上限解与极限平衡和极限分析有限元方法的计算结果基本一致,验证了所采用的曲线型破裂机制和地基非均质变化规律有效性,为条形锚板设计提供了一定的参考。