基于非线性破坏准则的边坡稳定性分析

Baker提出的非线性破坏准则是一种广义的岩土体强度准则,常规的M-C强度准则、格里菲斯强度准则以及Hoek-Brown强度准则均为其特例。该准则通过大量的三轴试验引入无量纲强度参数A,n和T,其中A为尺度参数用于控制剪切强度的大小;n为准则曲线的次数用于控制曲率;T为转换参数用于控制准则曲线与σ轴的位置,并反映其无量纲拉伸强度。以Baker非线性强度准则为基础,以极限分析上限法为工具,采用"切线法"思想研究了静、动荷载下边坡的稳定性,将边坡的稳定性问题转化为含多变量的数学优化问题,并给出其最优解。通过算例分析,研究了非线性强度参数对边坡稳定系数与屈服加速度系数的影响。结果表明:边坡稳定系数随无量纲参数A,T的增大而增大;边坡屈服加速度系数随坡高、坡角的增加而降低。     

基于强度折减示意图的边坡稳定分析双折减系数法

当边坡达到极限平衡状态时,强度参数内摩擦角、黏聚力对边坡稳定性有不同程度的贡献,说明传统强度折减法假设强度参数以同一程度折减的方法存在缺陷。为克服传统强度折减法的不足,本文提出基于强度折减示意图的双折减系数法。首先分别对土体强度参数进行单一折减,由两折减系数得折减比。在摩尔库仑强度准则基础上,依据强度折减示意图,由特征点折减前后的抗剪力之比推导出双折减系数法下安全系数K的表达式。借助有限元软件,模拟了不同算例,对比分析了不同稳定分析方法求得的安全系数。结果表明:通过本文方法算得的安全系数与其余四种双折减系数法的计算结果基本一致,且得出的滑动面位置与传统强度折减法基本趋于一致,临界状态更为可靠,说明本文提出的双参数折减法具有较好的理论支持,且关系式简单,意义明确,可应用于边坡稳定性分析。     

海岛岩石陡坡稳定性分析与支护方案优化计算

通过位移计与三维扫描仪对海岛岩石陡坡进行实际位移监测与坡体轮廓的扫描,选取典型剖面,利用有限元强度折减法进行岩石陡坡的稳定性分析。提出了一种考虑降雨量对海岛斜坡稳定性影响的实用计算方法,并分析了降雨与坡脚开挖对边坡稳定性的影响,确定了典型剖面的最大降雨量与最大坡脚开挖量。在最大降雨量与最大坡脚开挖量情况下对典型剖面选取了三种支护方案,即锚杆(索)支护、抗滑桩支护、锚杆(索)与抗滑桩联合支护。利用有限元强度折减法进行不同支护方案下的有限元分析,对比稳定性安全系数、塑性区、应力与位移等信息,确定典型剖面的支护方式,并通过对锚杆(索)倾角与间距等支护参数的优化计算,得到了既安全又合理的海岛岩石陡坡支护方案。     

基于局部软化阶梯双折减法的土坡稳定性研究∗

强度折减法是边坡稳定性分析中广泛使用的数值计算方法,传统整体强度折减法对黏聚力和内摩擦角采用同一系数进行折减。由于两强度参数发挥作用先后以及衰减程度的不同,传统整体强度折减法不能真实的反映土体渐进破坏过程,一些学者提出运用双折减法来探究边坡的破坏问题。基于土体应变软化特性,通过土体的峰值与残余强度建立起黏聚力和内摩擦角之间的关系,将得到的强度参数关系式作为双参数折减组合的依据。该方法以破坏接近度作为判别土体是否破坏的标准,引入局部阶梯折减的思想,对局部破损区域(FAI＞0.8)采用不同的折减组合,研究均质土坡的渐进破坏过程。计算结果表明,局部软化阶梯双折减法可以体现两强度参数发挥作用的先后顺序,整理出两参数间的关系式为一次函数,自变量对应的参数先发挥,因变量对应的参数后发挥;在算例中,黏聚力的折减系数大于内摩擦角的折减系数,黏聚力的强度储备比内摩擦角大,发挥得较为充分;模拟计算出的破损区面积以及边界处的塑性应变差值更加连续、平稳;阶梯双折减方法得到的综合安全系数小于整体折减法的安全系数,在工程应用上偏于安全,与其他学者得出的结论一致;受网格密度的影响,综合安全系数的范围为 1.207~1.229,该范围可为工程设计和施工提供参考。     

基于局部强度阶梯折减法的边坡渐进破坏研究∗

通过强度折减法获取边坡的潜在滑裂带是目前数值计算广泛使用的方法,研究边坡滑裂带形成的渐进过程及坡体内部土体的应力状态具有重要的理论意义和工程价值。基于边坡破坏的渐进性思想,针对均质边坡提出了一种局部强度阶梯折减的方法。该方法以屈服接近度(YAI)作为判别土体是否存在破损区的评价标准,将局部破损区按不同破损次序分配予不同的折减系数,利用通用软件ABAQUS对局部坡体进行强度折减计算,研究边坡渐进变形过程,直至边坡发生整体破坏。计算结果表明,坡体内部初始破损区参与了潜在滑裂面的形成过程,对边坡后期渐进变形具有贡献;有效解决了传统强度折减法潜在滑裂面上折减区和非折减区边界处的塑性应变值的跳跃性问题,合理地演化了边坡的渐进失稳进程。     

非线性破坏准则下深埋小净距隧道围岩压力研究

围岩压力大小是影响隧道稳定性的重要因素，也是进行合理支护设计与安全施工的前提。考虑围岩破坏的非线性特征，基于极限分析上限法推导深埋小净距隧道围岩压力公式，给出优化求解的过程，并与规范法进行验证对比，最后就相关影响因素做参数分析。结果表明：该方法与公路隧道设计规范的方法计算结果相对误差较小，且表现的规律一致，即两隧道内侧围岩压力大于外侧的围岩压力，也即中夹岩受力大，验证了本文计算方法的合理性；增大水平方向支护力，可有效减少隧道顶部的压力，提高隧道稳定性；竖向平均围岩压力随着净距的增大而增大，两者大致呈非线性相关的关系，增大幅度逐渐减小；围岩压力随着非线性Hoek-Brown准则中参数GSI、m_i、σ_ci增大而减小，所以对于软弱围岩，可以进行加固，改善自身力学性质，从而提高围岩自身承载力，减少隧道承受的围岩压力。     

进尺对浅埋隧道掌子面稳定性及变形受力影响

基于强度折减有限元法分析不同进尺对隧道掌子面稳定性和破坏形态的影响,研究不同进尺下掌子面变形形态、拱顶沉降特性、地表沉降槽形状,并揭示不同进尺下掌子面前方、进尺开挖段、支护段的应力传递路径、拱效应特征及应力演化过程。结果表明:进尺对稳定性的影响呈现非线性特征,整体上随着进尺的增大,稳定安全系数降低,塑性分布范围增大,位移影响范围增大,且从掌子面附近逐渐扩展到开挖段,位移矢量角呈现非线性增大,即竖向位移所占比重增加。掌子面前方及进尺开挖段均存在拱效应,竖向拱效应大于横向拱效应,水平拱效应最弱,应加强掌子面底部围岩的稳定和已支护段的强度;根据竖向应力距掌子面距离的不同,可以将其分为三个区段:掌子面附近为应力降低区,即卸荷区;掌子面前方一段距离为应力升高区,即应力承载区;掌子面较远处,为原岩应力区。     

随机介质理论下隧道围岩渐进破坏过程数值实验研究

将强度折减法引入到隧道围岩安全评价中,结合"浅埋暗挖快速施工双线小间距隧道、盾构下穿立交结构隧道和结构面含有节理、不规则裂隙的山体公路隧道"等工程实例,借助材料真实破坏分析软件RFPA-2D,建立每个强度折减系数下的有限元模型。模型采用了黏弹性人工边界来消除边界条件对计算精度的影响,并借助随机介质理论实现了围岩细观结构单元的非均值性和随机分布的缺陷,揭示了不同工况下隧道围岩的动态渐进破坏过程、基元相变损伤演变机理和岩体结构面破坏特征,认为隧道围岩的宏观破坏是由岩体非线性材料细观单元的非均值性造成的,计算结果借助不同折减步中裂纹发展趋势和单元破坏的数量判断隧道围岩是否失稳破坏,并计算出具有安全储备意义上的安全系数。同时,结合ABAQUS和RFPA-2D两种不同有限元模型,对比分析了随机介质理论和连续介质理论结合强度折减法在隧道围岩稳定性评价中的差异。     

亭子口上闸首结构静动力响应分析及深层抗滑稳定研究

本文采用三维线弹性有限元法对亭子口上闸首进行了静动力响应分析,结果表明位移与应力均在合理范围内。采用平面弹塑性有限元,应用应力代数和法和强度折减法对齿槽位于上闸首上、下游侧两种方案下的坝基进行了深层抗滑稳定分析,表明软弱岩层在各工况组合下的抗剪断安全系数均满足规范要求,上闸首的稳定是有保证的。     

花岗岩非定常蠕变及其参数确定

深部岩体工程的长期稳定性与围岩的时效变形特性有着紧密的联系,花岗岩在高地应力作用下会呈现出流变特性,采用TAW-2000岩石三轴试验机,对花岗岩试件在三轴压缩条件下进行了蠕变特性试验。通过德鲁克-普拉格屈服函数在西原体一维蠕变方程中引入强度参数C、φ值,推导出三维状态下轴向蠕变方程来描述花岗岩蠕变过程,并分析了变形参数泊松比和强度参数C、φ的变化规律。由三轴试验结果,用非线性最小二乘法求出了不同围压作用不同时刻下的流变参数,并根据参数分布规律得到了流变参数与应力和时间的关系,最后推出非定常三维非线性蠕变方程。研究表明:该模型能很好反映花岗岩流变参数随应力和时间的弱化规律、稳定蠕变和衰减蠕变过程的蠕变特性,为深部岩石工程的长期稳定性问题提供新的研究思路与研究方法。     

深埋岩溶隧道掌子面突水灾害可靠性上限分析∗

旨在研究高地应力、高压富水条件下深埋岩溶隧道掌子面突水灾害的可靠性问题。基于已有研究成果,考虑高地应力以及高压富水地质条件,采用极限分析上限法构建了以剪切破坏为主的深埋岩溶隧道掌子面三维防突机制。根据虚功率原理建立突水破坏过程中的能量方程,利用Hoek-Brown 强度准则求解了高地应力以及高压富水条件下防止掌子面突水所需要的支护力上限解。在极限破坏状态下,根据掌子面上施加的支护力与突水破坏时的围岩压力构建极限状态方程,建立了深埋岩溶隧道掌子面防突可靠度模型,并采用响应面法计算了掌子面发生突水灾害的失效概率。分析了水平地应力、溶腔水压力、岩体强度参数以及隧道洞径对支护力、潜在破坏长度的影响规律,给出了满足不同容许失效概率下深埋岩溶隧道预防突水灾害所需要的最小支护力以及在有限支护效应下能抵抗的最大破坏长度。将研究成果应用于实际工程案例中,与已有研究、现场结果相比较,验证了本文计算结果的有效性,可为今后类似深埋岩溶隧道的防突问题提供理论指导和参考。     

强度折减有限元法中边坡失稳的塑性区判据及其应用

将抗剪强度折减法基本概念、弹塑性有限元分析原理与计算结果图形实时显示技术相结合,提出了以广义塑性应变及塑性开展区作为边坡失稳的评判依据,并与以非线性迭代收敛条件作为失稳评判指标的强度折减有限元方法进行了对比。对于天然垂直边坡的算例数值分析表明,采用广义塑性应变与塑性开展区作为失稳判据可以比较准确地预测边坡潜在破坏面的形状与位置及相应的稳定安全系数,验证了这种失稳判据的合理性。对开挖边坡和开挖支护边坡的实例计算结果表明本文方法对于复杂的边坡稳定性分析是实用的。     

基于Ubiquitous-Joint模型的层状岩坡稳定性分析

在应力的作用下,层状岩土体表现出来的力学行为比较复杂,目前广泛使用的各向同性模型不再适用,因此,有必要建立合理描述层状岩质边坡的力学模型。以某公路边坡为工程背景,首先,探讨了层状岩质边坡的失稳机制;然后,利用快速拉格朗日差分法(FLAC3D),建立该边坡的数值分析模型,探讨了强度折减技术在U-biquitous-Joint模型中的实施方法,即对岩体和层理面参数同时进行折减,采用计算不收敛作为边坡临界失稳判据;最后,通过数值计算,分析层状岩质边坡稳定性的影响因素,得到边坡整体安全系数F随节理倾角β先减小后增大,呈现两头高中间低的形态。     

斜坡软弱路基稳定性分析的修正瑞典条分法

斜坡软弱路基的滑塌形式与水平软弱路基相比,具有明显的易滑动性和非对称性.为了反映斜坡软弱路基与水平软弱路基失稳机理的区别,对两种路基形式进行离心机试验,证实了斜坡软弱路基的失稳的非对称性,因此在稳定性分析中要考虑势能差和非对称的影响.为了提高条分法在斜坡软弱路基稳定性计算的准确性,提出一种考虑不同倾斜角影响的修正瑞典条分法,引入反映势能差影响的"影响力"和反映滑动体外路堤填土重量的"附加力".将瑞典条分法、修正瑞典条分法与有限元强度折减法对工程实例的计算结果比较分析,结果表明:(1)在稳定性分析中,斜坡软弱路基需要考虑势能差和非对称的影响;(2)"附加力"在各土条上的分布形式进行简化后,其计算结果与采用强度折减法进行的有限元计算结果较为接近;(3)按瑞典条分法计算出的安全系数比修正瑞典条分法偏大53.5％、比有限元强度折减法偏大50.5％,而修正瑞典条分法与有限元强度折减法计算结果只相差不足2％.     

低延性支撑钢框架结构抗倒塌性能简化评估方法∗

为量化不同设计参数条件下低延性中心支撑框架结构的抗倒塌能力,基于增量动力分析方法,计算了单自由度中心支撑钢框架结构在不同地震强度作用下的反应,分析了储备承载力、储备刚度、结构周期、强度折减系数等设计参数对低延性结构抗倒塌性能的影响。根据计算结果,建立了不同参数条件下低延性中心支撑钢框架结构的倒塌富裕度计算公式,提出了基于该公式的结构抗倒塌性能简化评估方法,通过算例验证了该方法的适用性与准确性,为此类结构抗倒塌设计提供参考。     

顺层岩质高边坡的静力稳定性安全评价

工程边坡环境直接关系到工程的经济效益,顺层岩质高边坡的稳定性主要受软弱结构面的构造和力学性能的影响。采用基于强度折减法的边坡安全系数作为边坡稳定性的评价指标,使用FLAC3D软件对顺层岩质高边坡稳定性进行了非线性有限元分析,分别探讨了结构面倾角和剪切强度、边坡坡率以及边坡高度对其稳定性的影响规律,着重提出了顺层岩质高边坡的两种破坏模式以及滑移剪切破坏的机理;并采用层次分析法定性比较了边坡稳定性对各影响因素的敏感性。结果表明,结构面剪切强度对边坡稳定性影响的权重最大,结构面倾角次之,边坡坡率及边坡高度的影响相对较小。     

多排抗滑桩治理工程的有限元设计计算与优化

在现行计算方法中,通常采用不平衡推力法等传统方法设计抗滑桩.尽管国内外岩土工程技术人员通过研究使传统算法取得了较大的进展,但仍有许多不完善的地方,特别对于多排抗滑桩治理工程的设计计算,传统方法更难胜任,而采用有限元强度折减法则能解决这些问题.通过文中工程实例的设计计算可以看出,由于有限元强度折减法可以充分考虑桩—土之间...     

基于全动力分析法的地震边坡与隧道稳定性分析

目前地震边坡和隧道稳定性分析方法尚有一些不尽如人意的地方,如地震边坡的破裂面假定为剪切破裂面,这与汶川地震边坡破坏现象不符;地震边坡稳定性分析采用时程分析法,假定在某一时刻加速度作用下,将其作为静力问题来计算边坡稳定安全系数,没有充分考虑加载的动力效应;同样,未考虑地震作用下隧洞围岩的拉破坏,对隧洞围岩破坏缺少动力稳定性标准,也不能充分考虑隧洞围岩与衬砌的动力效应。为此,基于有限元强度折减法,提出了一种完全的动力分析方法——强度折减动力分析法,计算中同时考虑剪切强度和抗拉强度参数的折减,并采用计算不收敛和位移突变综合判断边坡和隧道是否动力失稳破坏,以极限状态时的强度折减系数作为地震边坡和隧道的动力稳定系数,由此获得拉、剪组合破裂面与全动力稳定安全系数,充分考虑了动力效应。     

单一重现期非线性暴雨强度模型参数的确定--新型混合加速遗传算法的构建与应用

对浮点编码遗传算法进行了改进,并嵌入Powell方向加速局部搜索算法与加速循环操作,从而构建了新型混合加速遗传算法.确定单一重现期的非线性暴雨强度模型参数的应用实例表明,该方法兼顾了改进浮点编码遗传算法和Powell算法的优点,是一种既可以较大概率、快速地搜索全局近似最优解,又能进行局部细微搜索的出色的非线性优化方法.该法在其它工程问题的非线性模型参数的确定中也具有广阔的应用前景.     

基于Weibull分布的脆性岩石峰后应力-应变曲线特征及其统计损伤模拟方法

作为一种非均质且内部缺陷分布具有强烈随机性的地质材料,脆性岩石的应力-应变全过程曲线始终是工程界十分关注的问题,其合理的本构模型是保证岩石工程稳定性控制和安全预测的关键因素。针对目前统计损伤软化本构模型难以较好地模拟脆性岩石峰值强度之后应力跌落过程,首先,根据理论模型分析可知脆性岩石峰后应力-应变曲线特征主要取决于损伤变量D的变化规律,由峰值点法获得的Weibull分布参数m和F₀使理论模型在模拟脆性岩石峰值强度之后应力跌落过程中存在强烈的随机性。然后,在继承已有岩石损伤模型的优越性基础上,引入参数λ和η,提出新型脆性岩石损伤模型,从而建立脆性岩石变形破裂过程统计损伤模拟方法,并给出了模型参数的确定方法。最后,通过参数分析及模型验证表明,参数λ与分布参数m对损伤演化规律产生的影响一致,参数η与分布参数F₀对损伤演化规律产生的影响接近相同,本文模型不仅能够较好地模拟脆性岩石峰值强度之前前变形过程,也能够明显缩小峰值强度之后应力跌落过程与试验曲线的偏离程度,本文模型和方法具有一定的合理性与可行性。