基于上限分析原理的岩溶桩基破坏模式与极限承载力计算

针对下伏溶洞顶板极限承载力问题,提出等截面桩与阶梯型变截面桩的顶板极限承载力计算方法。基于极限上限法引入摩尔库伦准则,构建圆台状顶板破坏滑裂面,提出岩溶等截面桩的桩顶荷载与顶板厚度的关系式并分析式中参数对桩顶荷载与顶板厚度曲线的影响规律,同时结合算例对比数值解和解析算法的结果,论证该算法的可靠性。在此基础上,结合极限分析法推导阶梯型变截面桩各变阶处滑裂面的上限解,并寻找最先满足上限解的滑裂面,提出该溶洞顶板破坏模式并推导出桩顶荷载与顶板厚度的关系式,通过模型试验对比验证计算方法的有效性。该计算方法对于上述2类截面桩的极限承载力计算均较适用,对岩溶区桩基设计有一定参考价值。

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.

三维圆形浅埋锚板极限抗拔力非线性上限解析

根据极限分析上限定理和非线性破坏准则,对水平圆形浅埋锚板上的填土建立2个机动容许的速度场,获得非线性破坏准则条件下的圆形浅埋锚板极限抗拔力上限解和破坏模式。通过"切线法"引进变量,将锚板上填土的非线性抗剪强度指标ct和φt作为变量参数,对锚板上部填土建立含有变量的速度场,根据外力功率与内部耗能相等原理求出极限抗拔力的目标函数与约束条件,最后根据"序列二次规划算法"对该问题进行优化。数值分析表明:当非线性破坏准则变为线性破坏准则时,结果与前人的成果一致,说明本文方法的正确性;非线性参数的变化对水平浅埋圆形锚板的破坏范围和极限抗拔力均有重要影响,且破坏范围与极限抗拔力具有显著的相关性。

基于强度折减技术的加筋路堤稳定性极限上限分析

土工加筋结构在工程实际中被广泛采用,采用基于极限分析理论上限法对其稳定性能的分析比较常见。但目前基于极限分析法的加筋边坡稳定性常常采用的评定指标(临界高度Hcr、稳定性系数Ns或临界加筋强度k0)与其他常用方法(极限平衡法、数值分析法)采用的安全系数(Fs)评定指标不完全统一,故该分析方式往往无法在实际工程中直接应用。在已有研究的基础上,将强度折减技术与极限分析上限定理结合,采用极限分析上限方法利用安全系数(Fs)评定指标对加筋边坡进行稳定性上限分析,并与已有研究成果进行对比分析。数值计算与分析结果表明:基于强度折减的极限上限加筋边坡稳定分析方法能够获得与现有常用方法一致的边坡稳定性评定指标(安全系数Fs);本文方法与其他不同方法获得的安全系数Fs误差颇小,可以说明本文方法的有效性,研究结果对工程应用有实际意义。

考虑水力效应的裂缝边坡稳定性非线性能耗分析

现有考虑水力效应的裂缝边坡稳定性分析大多基于线性破坏准则,而岩土体破坏往往呈现非线性特征,因此开展水力效应影响下的裂缝边坡稳定性非线性极限上限分析具有重要意义。基于极限分析上限定理及强度折减技术,结合“外切线法”非线性破坏准则,构建坡顶含竖直裂缝的边坡对数螺旋线破坏模式,根据虚功原理推导出裂缝边坡安全系数解析式,通过MATLAB优化计算,结合边坡工程实例探讨了典型因素对裂缝边坡稳定性、临界裂缝及滑动面位置的影响规律。研究结果表明:随着地下水位h的持续上升,边坡安全系数不断降低,临界裂缝深度逐渐增大且临界裂缝位置逐渐向坡顶缘偏移;非线性系数m明显影响边坡的稳定性,边坡安全系数随着非线性系数的增大显著减小,采用线性破坏准则会高估地下水位变化对边坡稳定性的影响;随着非线性系数的增大,临界裂缝深度随之增大,临界裂缝位置距离坡顶缘越来越远,滑坡体体积逐渐增大;裂缝与坡顶缘距离l m随着非线性系数m的增大而增大(当m增大0.2时,l m增大约1 m),且随着裂缝与坡顶缘距离的增大,边坡安全系数无明显变化,临界裂缝深度先逐渐减小后趋于稳定。

层状岩体边坡动态稳定性拟静力上限分析

将强度折减技术与极限分析上限定理结合,利用安全系数Fs评定指标对层状岩体边坡进行稳定性上限分析,与已有研究成果进行了对比分析,并较为详细地分析了相关参数对层状岩体坡体安全系数和潜在破裂面的影响。分析结果表明,与同类计算方法的对比可以证明表明文中方法的正确性;边坡安全系数和破坏范围受边坡坡度、岩体重度、边坡高度、动载效应系数和岩层倾角的控制;当岩层倾角处于一定范围时,层状岩体边坡发生顺层失稳的可能性最大,工程中需特别注意。

基于失稳状态耗能最小原理的预应力锚索加固边坡稳定性上限解析

基于岩土塑性极限分析上限理论的基本原理,考虑预应力锚索的加固效应,分析了单预应力锚索加固措施条件下边坡的稳定性特性,并由此探讨了多预应力锚索共同加固边坡的稳定性能量分析方法。结合强度折减技术,采用内点迭代方法和序列二次规划优化迭代法对锚固边坡安全系数目标函数进行了能量耗散最小化意义上的优化计算。典型算例的分析计算表明:锚索加固效应可以有效地提高边坡的稳定性,预应力锚索设置位置对边坡安全系数、临界滑裂面位置和锚索长度有显著影响。综合考虑锚索设置位置对边坡安全系数和锚索长度的影响,单锚索的最优设置位置应位于边坡中下部区域。采用多排锚索加固既可以保证边坡的安全储备,也可有效避免局部稳定性问题。

含隧道边坡水平屈服加速度的上限分析

基于拟静力法和强度折减法,采用极限分析上限定理,推导了含隧道边坡在地震作用下的水平屈服加速度系数的上限解,该上限解考虑了隧道对边坡的影响。分别计算了边坡设计参数、岩土体的抗剪强度、浅埋偏压隧道设计参数等因素影响下边坡的水平屈服加速度系数极限值。根据正交试验法,给出了地震作用下含隧道边坡水平屈服加速度系数对各因素的敏感性大小。研究表明:边坡高度、坡角、岩土体黏聚力以及强度折减系数对水平屈服加速度系数的敏感性和影响程度均较大,而隧道距坡脚距离、隧道半径以及水平和竖向地震力比例系数的敏感性和影响程度则较小。

基于自定义本构模型的盾构隧道开挖面极限支护力研究

为了分析岩土体的非线性破坏特性对盾构隧道的开挖面极限支护力的影响,利用FLAC3D提供的二次开发平台,开发基于非线性Mohr-Coulomb破坏准则的自定义本构模型。调用该本构模型对盾构隧道的施工过程进行数值模拟,得到非线性M-C破坏准则作用下盾构隧道开挖面极限支护力的数值解。利用切线法将非线性Mohr-Coulomb破坏准则引入上限分析的能耗计算中,获得非线性破坏准则作用下盾构隧道开挖面支护力的上限解。通过将数值解和上限解进行对比,证明采用自定义本构模型计算的盾构隧道开挖面极限支护力是正确的。

基于极限分析的承重阻滑桩设计方法研究

高陡边坡上的桥梁桩基(承重阻滑桩)具有承重与阻滑双重功能,其受力特性和变形特征比普通抗滑桩或竖向荷载桩复杂,采用极限分析上限定理,在假设滑面为通过坡趾下端的对数螺旋曲线的基础上,研究了不同荷载组合条件下加固边坡稳定性与承重阻滑桩所需提供的最小抗力之间的关系,阻滑桩设置位置对边坡稳定性与潜在破裂面的影响。并通过具体算例分析,得出了承重阻滑桩桩顶横向外荷载对边坡稳定有重要影响等一系列结论,对山区高陡边坡承重阻滑桩设计有指导意义。

多级支挡结构地震主动土压力的极限分析

多级组合支挡结构形式在高边坡防护工程中得到了广泛采用,但现有研究却较少涉及这种支挡结构形式的地震土压力计算问题。应用拟静力法和塑性极限分析上限定理,并且基于强度折减技术,推导了重力式挡墙与两级锚杆挡墙组合支挡结构形式的地震主动土压力及其系数的上限解。该上限解考虑了水平和竖向地震系数、墙背倾角、坡面形式及多级支护方式、土体黏聚力、土体与墙背的黏附力等诸多因素。二级锚杆挡墙实例分析表明:静力条件下主动土压力计算值与现有相关方法的计算结果一致,土的抗剪强度折减系数、上挡墙锚杆轴力等参数,对下挡墙地震主动土压力影响显著。二级组合支挡结构地震主动土压力影响参数敏感性分析表明:水平地震系数以及重力式挡墙墙高和倾角的敏感性较大,上挡墙锚杆的轴力和倾角等参数的敏感性相对较小。

岩溶区条形刚性基础下伏孔洞顶板冲切极限承载力变分分析

基于Hoek-Brown破坏准则及相关联流动法则,构建岩溶区条形刚性基础下伏孔洞岩体冲切破坏机制;根据极限分析上限定理,计算冲切破坏极限状态下的内能耗散功率和外力功率;根据虚功率原理得到极限承载力的泛函;利用变分原理结合边界条件,推导出冲切破坏曲面函数表达式,进而得到冲切极限承载力及冲切破坏形状。分析了岩体单一参数变化时,自由冲切和非自由冲切条件下极限承载力的变化情况和破坏模式。结果表明:材料参数B的变化对刚性基础的极限承载力的影响较为显著。随着材料参数B增大,条形刚性基础下伏孔洞顶板冲切极限承载力不断减小,自由冲切条件下孔洞破坏宽度减小,非自由冲切破坏时破坏曲线趋近于直线。

孔隙水压力效应下挡土墙主动土压力上限解

孔隙水是影响土体稳定性的主要因素。本文将孔隙水压力视为外力作用在土体上,采用极限分析上限定理推导出孔隙水效应下主动土压力的解析解,并且采用穷举法得到了主动土压力的最大值以及最危险破裂面。研究表明:土体的抗剪强度指标、地表荷载、孔隙水对挡土墙的主动土压力以及土体潜在破裂面的位置有显著影响,其中孔隙水的影响最大,建议在实际工程中进行防排水设计,尽量减小孔隙水的影响。

水-荷耦合下加筋土坡筋材抗拔上限分析

为研究水-荷耦合作用下均匀加筋土坡的筋材抗拔稳定性,基于极限分析法上限定理,以临界高度为指标,采用遍历法搜索求解最小值,验证计算方法的正确性,并进行影响因素分析。结果表明:对于高水位,通过降低水位可显著增强抗拔稳定性;对于坡顶超载工况和低水位土坡,通过增加土体内摩擦角来增强抗拔稳定性更为合理。

基于极限分析上限定理的压气储能洞室抗隆起破坏准则

为研究压气储能地下岩石洞室在高气体内压作用下的隆起破坏模式,基于极限分析上限定理,在假设岩体服从相关联的Hoek-Brown准则条件下推导洞室隆起破坏函数f(x)和极限内压pu的表达式,考虑到压气储能洞室热力学响应规律,建立其抗隆起破坏设计准则,并且针对影响洞室隆起破坏函数f(x)和极限内压pu的参数进行敏感性分析,结果表明:压气储能洞室在高气体内压影响下的隆起破坏函数f(x)是一个典型的幂函数,其主要与岩石单轴抗压强度ciσ,Hoek-Brown经验参数A和B以及洞室埋深H有关,随着ciσ和A增大,f(x)的倾斜斜率逐渐减小,而随着参数B增大,f(x)的倾斜斜率逐渐变大;洞室的极限内压u p与破坏函数f(x)密切相关,当ciσ,A,H越大,极限内压u p的值也越大,而参数B越大,极限内压u p的值则越小。对比已有的压气储能洞室抗抬设计准则,提出的新设计准则全面考虑了岩体强度参数和破坏模式的影响,采用该准则将在安全的前提下大大降低洞室抗隆起破坏所需要的埋置深度,可以极大地减少压缩空气储能地下洞室的建设成本,有利于压缩空气储能技术的推广应用。

基于广义非线性统一强度理论的隧道塌落拱分析

基于广义非线性统一强度的剪切破坏理论,在平面应变状态下,根据极限上限定理和隧道顶部的围岩塌落机制,在耗散能中引入了包含曲线型破裂面方程的目标函数,建立了围岩中任意断面的隧道顶部围岩的塌落机制。基于塑性位势理论,考虑塑性应变增量与塑性势函数的应力梯度成正比,由此得出了在速度间断线上任意点内能的耗散率;再运用虚功原理,建立内能耗散率和外力做功相等的关系式,从而通过变分原理得出了隧道顶部塌落面的解析表达式,由该表达式计算出隧道顶部塌落面的形状。以圆形断面隧道为例,对影响塌落拱形状的隧道半径和中间主剪应力系数等相关参数进行了讨论分析。由此得出:在平面应变状态下,隧道顶部围岩塌落体的宽度和高度随着中间主剪应力系数的不断增大而减小;塌落面的高度随着广义非线性统一强度参数的不断增大而增大,而塌落面的宽度则不断减小;塌落宽度和塌落高度随隧道半径的增大而增大。

抗滑桩预加固边坡的能量分析方法

基于强度折减技术和岩土塑性极限分析理论,考虑抗滑桩预加固岩土边坡的加固效应,从功能平衡原理探讨了岩土边坡抗滑桩加固位置、桩长和多抗滑桩共同加固边坡的分析方法。假定机动容许的对数螺旋线速度机构,推导了抗滑桩预加固边坡稳定性安全系数的计算表达式。采用内点迭代方法对安全系数目标函数进行能量耗散最小化意义上的优化计算,算例对比验证了方法和程序的正确性。分析了单抗滑桩加固措施条件下的边坡局部稳定性特性,并由此推导了多抗滑桩加固边坡的稳定性分析算式。研究表明,抗滑桩设置位置改变对边坡安全系数、临界滑裂面位置和桩长均有显著影响,抗滑桩加固边坡的最优设置位置应位于边坡中下部区域。

地震效应和坡顶超载对均质土坡稳定性影响的拟静力分析

基于强度折减技术和极限分析上限定理,假定机动容许的速度场破坏面,考虑坡顶超载、水平和竖向地震效应影响推导了边坡稳定性安全系数的计算表达式。采用序列二次规划迭代方法(和内点迭代方法)对边坡安全系数目标函数进行能量耗散最小化意义上的优化计算,与多个算例的对比验证了其方法和程序计算的正确性;对影响土质边坡动态稳定性的一些因素进行了参数分析,分析表明:随着边坡倾角β、坡顶超载q、水平和竖向地震效应影响系数的增大,边坡稳定性安全系数显著下降;随着坡顶超载q、水平地震效应影响系数kh的增大、竖向地震效应影响系数kv的减小,边坡的潜在滑动面越来越深,潜在破坏范围越来越大。竖向地震效应对边坡稳定性也有一定影响,强震条件下的设计计算必须考虑竖向地震效应的影响。

基于非线性Mohr-Coulomb准则的刚性条形基础下伏孔洞承载特性变分分析

基于非线性Mohr-Coulomb(MC)破坏准则以及相关流动法则,构建刚性条形基础下伏孔洞冲切破坏机制;结合变分原理,推导出刚性条形基础下伏孔洞冲切破坏曲线的表达式,进而得到冲切破坏时的极限承载力。分析刚性基础随岩土体参数变化时,冲切破坏极限承载力的变化情况和破坏模式。研究结果表明:非线性系数m的大小对刚性基础极限承载力的影响较为显著。随着非线性系数m的增大,刚性基础极限承载力不断减小;极限承载力随岩土体初始黏聚力C0的增大而增大,随岩土体重度以及抗拉强度的增大而减小。岩溶顶板冲切破坏宽度随初始黏聚力C0的增大、重度的减小以及抗拉强度的减小而增大。

高切坡潜在破裂面预测与超前支护桩加固研究

高切坡潜在破裂面预测与稳定性判识是高切坡灾害防治的基础。采用极限分析上限定理,结合弧形条分法思想,构建了高切坡潜在破裂面预测与稳定性超前判识方法。针对危险性高切坡,提出超前支护桩加固方法,研究了超前支护桩抗力与加固高切坡整体稳定系数、潜在破裂面之间的对应关系。结合工程算例分析,揭示了高切坡坡体抗剪强度、边坡高度、坡角以及开挖高度对高切坡潜在破裂面的定量影响,为工程建设过程中高切坡灾害防护提供了一条可行的途径。