含缺陷结构上限极限分析的弹性模量缩减法

为获得含缺陷结构的极限荷载,提出了含缺陷结构上限极限分析的弹性模量缩减法.研究了适用于应力集中条件下的基准承载比算法,建立了含缺陷结构极限分析的弹性模量调整策略,能结合线弹性有限元法构造逼近该类结构极限状态的机动位移场和允许应力场;引入结合虚功原理和基准体概念的上限极限荷载乘子算法,可获得满足上限分析数学规划模型的最优极限荷载解.算例分析表明:该方法可用于含裂纹和凹坑缺陷结构的极限分析;通常可在30个迭代步内得到与解析法及其他数值解相差在5%以内的极限分析结果.

梁系结构上限极限分析的弹性模量缩减法

结合线弹性梁系有限元法和弹性模量缩减法,提出了梁系结构上限极限的分析方法。该方法根据构件截面广义屈服准则定义了梁系结构的单元承载比,得到了弹性模量缩减法的模量调整策略,利用梁系有限元法构造出了逼近极限状态的广义应力场以及系列机动允许位移场;同时推导出考虑弯矩和轴力共同影响下的梁单元弹性应变能和塑性耗散功计算公式,建立了梁系结构上限荷载乘子迭代算法。该算法继承了弹性模量调整法原理简单、应用方便等优点,并可应用于具有不同几何特性和材料特性构件构成的复杂结构中。算例分析表明:本文算法具有良好的计算精度和迭代稳定性,通常可在30个线弹性迭代步以内得到与解析法或其他算法在4%以内的极限分析结果。

基于上限极限分析多滑块临坡地基承载力计算

鉴于目前临坡地基承载力计算仍不成熟,考虑斜坡与平地地基破坏模式的异同建立出多滑块临坡地基破坏模式和相应速度场,采用上限极限分析法推导出临坡地基承载力表达式,在此基础上通过数值优化计算获得了坡角、土体内摩擦角和基础相对位置与临坡地基承载力之间的变化规律,通过本文方法、相关文献资料和工程实例进行对比分析,表明本文方法具有一定合理性和可行性。本文方法为工程人员从事临坡基础工程建设提供了一定的理论依据。

基于非线性Baker破坏准则的地下硐室三维上限极限分析

将广义非线性Baker破坏准则与上限极限分析法相结合,研究地下硐室围岩稳定性。通过扩展地下硐室二维破坏模式,建立一种三维破坏模式;基于建立的三维破坏模式,给出围岩压力上限表达式。在分析尺度参数、曲率参数、位置参数和侧压系数对围岩压力的影响前,通过一系列实例验证该方法的有效性。根据研究结果,确定地下硐室的破坏范围。得到以下结论:(1)采用本文提出的方法预测的围岩压力比基于Mohr-Coulomb破坏准则预测的围岩压力更精确;(2)尺度参数、曲率参数、位置参数和侧压系数越大,围岩越稳定;(3)根据上限解可以预测三维模型的破坏范围。

地震作用下双层土质边坡稳定性上限分析

为探究地震作用对双层土质边坡稳定性的影响,基于极限分析上限理论,建立了地震作用下双层土质边坡旋转破坏机构。采用拟静力法简化地震荷载作用,推导了双层土质边坡安全系数表达式。分析土体黏聚力比、边坡坡角以及地震作用对双层土质边坡稳定性及其滑动面参数的影响。研究结果表明:在水平地震作用下,随着黏聚力比的增大,边坡安全系数呈非线性增大且潜在滑动面变浅;当水平地震作用增强时,边坡失稳破坏范围显著加大;随着竖向地震系数及黏聚力比的增大,边坡安全系数略微降低;水平地震作用增强时,竖向地震作用对边坡稳定性的影响逐渐增大,此时需要考虑竖向地震的影响。

海啸作用下滨水挡土墙抗震滑动稳定性上限分析

针对沿海地区滨水挡土墙在海啸和地震联合作用下易发生被动破坏的问题,结合极限分析上限法和拟静力法确定地震荷载,研究了海啸作用下滨水挡土墙的抗震滑动稳定性。通过建立墙体滑动与破坏区土楔体整体滑动的墙-土系统及速度容许场,推导出水平地震加速度系数(kh)的表达式。分析了海啸、海平面与地下水高度及墙-地和墙-土摩擦角对地震屈服加速度系数的影响。结果表明,控制地下水位在适当高度并增大墙-土摩擦角可以有效提高滨水挡土墙的抗震滑动稳定性。与经典极限平衡理论相比,该方法考虑了土体的塑性流动及挡土墙的位移模式,且无需计算地震被动土压力的值。

基于非对称破坏模式的临坡地基承载力上限极限分析方法

为了研究临坡条形基础地基的承载能力,在现有相关研究基础上,结合临坡条形基础地基工程的特点,通过深入分析其破坏机理,引进滑移线场理论与方法,构建出考虑临坡条形基础地基破坏非对称性特点的单侧滑移破坏模式;在此研究基础上,依据上限极限分析理论,通过构建出机动允许的速度场,导出了临坡条形基础地基极限承载力计算公式,引进序列二次规划优化算法,建立了临坡条形基础地基极限承载能力确定方法;并与现有研究成果进行了对比分析。结果表明:该方法合理、可行,不仅可以反映基础底面与地基土摩擦效应和基础与坡顶距离对临坡条形基础承载能力的影响,还可以反映临坡条形基础地基非对称性破坏特征的影响,较现有研究成果具有明显的优越性。

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。

多洞并行隧道围岩稳定性与破坏模式极限分析

受交通廊道的空间限制,隧道工程逐渐出现了多洞并行的布设形式。当相邻隧道净间距较小时,建设期间可能出现相互影响,降低围岩稳定性。将该课题简化为平面应变条件下的多洞并行等间距毛洞隧道围岩稳定性问题,应用刚体平动运动单元上限法开展计算分析,获取失稳临界状态下围岩稳定系数曲线和滑移线网破坏模式的定量数据,揭示围岩稳定性与潜在破坏模式随强度参数、隧道埋深H和多洞净距S等因素间的演化规律。研究结果和已有双洞并行隧道的对比分析表明:净间距S大于转换间距Str后,二者均表现为单洞独自破坏形式,且稳定系数Ncr数值吻合较好;而净距S较小时,多洞并行隧道围岩表现为上方整体下沉条件下的中夹岩破坏,较之双洞并行情况围岩稳定性大大降低。研究结果可为多洞并行隧道围岩稳定性评价及加固方案制定等工作提供数据支撑。

基于MATLAB的边坡稳定性极限上限分析程序开发

基于系统能耗最小原理的极限分析上限定理,利用MATLAB强大的数据处理功能,对边坡稳定系数Ncr采用序列二次规划法(SQP)进行优化计算,并与枚举法相结合,从而解决SQP算法求解优化解容易陷入局部最优解的问题。同时开发了一款简单实用的边坡稳定性分析软件,实现了计算结果与临界滑裂破坏面图形的可视化输出。与经典算例对比分析,计算结果具有较好的一致性,表明了程序的可靠性。分析了内摩擦角、边坡倾斜角、3个参数对边坡稳定系数Ncr的影响。计算结果表明:边坡稳定性系数Ncr对、较为敏感,而对的敏感次之。其次,当、比较接近或在小范围内波动时,对稳定性系数Ncr的影响特别敏感;当、值较小时,滑动面通过坡趾下方,而当值比较大时,滑动面通过坡趾。

非均质边坡稳定性极限分析上限法

引入变异因子,推导土体黏聚力沿深度线性变化时的边坡极限分析上限法相关公式,研究成层土不同分布情况下的稳定性,并对极限分析法与极限平衡法中的评价指标进行对比。结果表明:对于刚体转动破坏,当坡脚土层黏聚力不变时,随着变异因子的增大,滑面对应的张角增大,但滑面位置变动微小,稳定系数近似线性增加。稳定系数和安全系数随变异因子的改变呈现相同的变化规律,但安全系数的大小与边坡坡高、土体重度和黏聚力有直接关系;考虑土体变形时,变形区内由黏聚力变化引起的损耗率是对数旋转面上的一半;坡脚土层黏聚力保持不变时,极限承载力随着变异因子的增加近似线性增加;当坡脚土层黏聚力大于坡肩时,边坡的稳定系数、安全系数和极限承载力均比土层相反分布时的要大。表明边坡坡脚土层黏聚力过小更容易造成失稳,建议采取"固脚强腰"的防护措施以确保边坡稳定。

折线型滑面边坡强度参数反演的极限分析上限法

基于极限分析上限定理,考虑孔隙水压力的影响,提出折线型滑面边坡稳定分析计算模型。根据相关联流动法则和内外能耗守恒原理,结合强度折减技术,对折线型滑面边坡稳定性进行分析,得出折线型滑面边坡稳定性极限分析上限解。假定滑坡处于极限平衡状态,即安全系数Fs=1.0,求解不同断面一系列的c和φ组合,然后用图解法确定边坡滑面的抗剪强度参数,不同断面的c-φ曲线的交点即为抗剪强度参数的反演值。以湘西朱雀洞特大滑坡为工程实例进行抗剪强度参数反演分析,并与现场勘测的强度参数进行比较分析。研究结果表明:本文方法有效,反演结果可为相似工程的强度参数确定提供有益参考。

抗滑桩加固边坡稳定性3维极限上限拓展分析

抗滑桩作为常用的边坡加固手段,被广泛应用于工程实践中,其影响下的边坡稳定性分析,具有较高的理论和实践价值。采用极限分析上限法,通过引进参数拓展了边坡3维计算模型,建立了内外功率平衡的边坡安全系数计算框架,并通过优化计算得到一定参数条件下边坡的安全系数上限解和最危险破坏机构形状。在此基础上,分析了抗滑桩加固后边坡破坏模式和稳定性受抗滑桩位置、桩距、坡角、机构限宽等参数的影响规律,并讨论了不同参数条件下破坏面形状的变化规律和边坡稳定性变化的内在机理。结果表明:最安全抗滑桩位置不受机构限宽影响,位于坡面中点与坡顶间的某一位置;当机构限宽较小且抗滑桩位置靠近坡趾时,边坡破坏面通过坡面。抗滑桩位置距离坡趾越远,破坏面越靠近坡面且曲率越大。当桩距较小时,边坡倾向于在抗滑桩位置上方发生次级滑动;边坡整体安全系数随桩距的增大而降低。随着机构限宽的增大,边坡安全系数逐渐降低,并逐渐接近2维破坏机构的安全系数。边坡破坏机构随桩距和机构限宽的增大而增厚。当坡角较小时,边坡破坏面通过坡趾下方。本文方法不仅对边坡破坏机构类型的拓展具有理论意义,而且实现了计算结果的进一步优化。

浅埋偏压矩形单洞隧道围岩压力极限上限分析方法

探讨将极限平衡理论引入浅埋隧道围岩压力分布进行浅埋隧道围岩压力上限计算的可行性。针对偏压浅埋矩形单洞隧道情况,通过引入水平偏压荷载系数的方式,讨论浅埋偏压矩形单洞隧道围岩压力的上限分析方法,并对获得的隧道围岩压力目标函数采用非线性规划方法进行优化计算。结果表明:水平和倾斜地表条件下,本文方法计算结果与已有计算结果均接近,可以证明本文方法的有效性。地表倾斜角度、围岩抗剪强度参数、隧道埋深、围岩容重和围岩计算内摩擦角均对浅埋偏压矩形单洞隧道围岩压力和破坏机构存在显著影响;极限平衡状态下偏压浅埋隧道会出现显著的非对称性破坏,破坏范围整体向埋深较大一侧偏转,工程实际应用中偏压效应和正确计算参数选取对分析偏压浅埋隧道稳定性极为重要。

极限分析上限法在山区斜坡地基上高填方路堤极限承载力研究中的应用

结合山区高速公路建设的实践,采用大型室内模型试验．找出了荷载作用下斜坡地基上高填方路堤滑动破坏面出现的位置及形态,确定了其极限承载力的大小。研究了路堤边坡稳定性汁算的极限分析上限法,根据折线形滑动面形式建立了机动容许速度场,推导了计算斜坡地基上高填方路堤稳定性及极限承载力的计算公式。运用极限分析上限法对试验模型进行计算．并将计算结果与试验结果进行了对比分析,分析表明,利用极限分析上限法不仅简单可行,且具有较高的计算精度。

复合地层盾构开挖面极限支护力上限分析

随着地下空间进一步的开发与利用,盾构施工面临的地质条件更加复杂多样。盾构在复合地层中掘进时,因地层间力学性质差异,易因开挖面支护力确定不当而造成失稳破坏,给工程带来负面影响。针对盾构隧道穿越复合地层较穿越均质土体时,由于上下地层间力学性质差异而导致的开挖面支护压力难以确定的问题,基于组合对数螺旋线破坏模式的复合地层中盾构开挖面失稳模型,利用极限分析上限定理推导了复合地层盾构隧道开挖面极限支护力上限表达式,结合非线性优化技术,求得极限支护力最优解,并通过与现有文献进行对比,验证了采用组合对数螺旋破坏模式的合理性;同时,讨论了不同参数对极限支护力及临界破坏模式的影响,给出了破坏时临界滑动面示意图。结果表明:当上部地层内摩擦角和黏聚力一定,极限支护力随下部地层内摩擦角和黏聚力的增大而降低;随着隧道直径的增大,极限支护力显著增大。定义上层地层深度与隧道直径之比为深度系数,对于复合地层,深度系数越小,极限支护力对于地层抗剪强度参数的变化越敏感;但对于单一地层,深度系数的变化对极限支护力没有影响。所得结论对实际工程具有一定的指导意义。

矸石山稳定性非线性极限分析上限法

总结了矸石山几种失稳模式,在分析矸石散体剪切强度非线性机理的基础上,依据塑性极限分析原理,考虑矸石散体抗剪强度的非线性,利用极限分析上限定理针对矸石山内部滑坡进行稳定分析.结果表明,在中低围压下,采用线性强度准则低估了矸石山的稳定性;考虑矸石散体强度非线性可体现随高度增加矸石山稳定性降低的实际状态;当矸石散体黏聚力为零时,由非线性准则可得到合理的临界滑裂面.

Kettleman Hills填埋场三维稳定性极限上限分析

1988年3月失稳破坏的美国Kettleman Hills填埋场是一个典型的复杂"山谷"型填埋场,众多学者研究表明仅采用二维截面分析难以对该填埋场整体稳定性进行评价。目前Kettleman Hills填埋场三维稳定性分析多采用极限平衡法,但是由于极限平衡法对破坏模式没有严格的要求(如速度相容),无法确定其所得到的解是偏于安全还是偏于危险,甚至不能确定该破坏模式是否合理。因此本文基于极限分析上限法,构造二维、拟三维及三维破坏机构进行分析,并通过与已有的文献及数值模拟结果进行对比验证方法的合理性及有效性。分析表明,二维和拟三维破坏机构类似,构建容易计算方便,适用于填埋场初步快速分析。而三维多个块体破坏机构构建复杂,计算量大,但能够反映实际填埋场的破坏情况,适用于填埋场的详细稳定性分析。

平面圆管结构极限上限分析的弹性模量缩减法

为采用梁单元高效准确求解平面圆管结构极限承载力,提出了相应的极限上限分析的弹性模量缩减法。首先利用齐次广义屈服函数定义结构的单元承载比,然后结合弹性模量缩减过程获得逼近结构塑性极限状态的失效模式,同时,基于平截面假设推导了平面圆管截面的弹性应变能与塑性耗散功的计算公式,进而在结构失效模式上构造出平面圆管结构极限上限荷载的迭代计算方法。算例分析表明,平面圆管结构极限上限分析的弹性模量缩减法具有良好的计算精度和效率,其与EPIA误差在7%以内,迭代次数较EPIA减少一半以上,解决了由于梁单元截面各处的等效应变和应力不相同而导致的上限荷载乘子不能直接运用的问题。研究结果可为平面圆管结构的极限分析和安全评估提供参考。

基于自然单元法的轴对称结构极限上限分析

自然单元法是一种以自然邻近插值为试函数的新兴无网格数值方法,其形函数的计算不涉及矩阵求逆,也不需要任何人为参数。为了充分发挥自然单元法的优势,本文基于极限分析上限定理建立了轴对称结构极限上限分析的整套求解算法。轴对称结构的位移场由自然邻近插值构造,并且采用罚函数法处理材料的不可压条件。为了消除目标函数非光滑所引起的数值困难,采用逐步识别刚性区和塑性区,并对两者用不同方法进行处理。数值算例结果表明,本文提出的轴对称结构极限上限分析方法是行之有效的。