基于极限分析下限法的筒型基础地基承载特性研究

筒型基础凭借其成本低、工期短且对地基扰动相对较小的优势,已成为中国海上风电的重要基础形式之一。由于其基础结构形式复杂,经典的地基计算方法无法准确评估其地基竖向承载力。利用有限元极限分析下限法,建立了考虑筒-土间摩擦的筒型基础地基竖向承载力的下限解求解程序,在此基础上分析了土体强度不均匀性、筒型基础长径比及筒外壁-土间摩擦对筒型基础地基竖向承载力的影响,提出了综合考虑以上因素的筒型基础地基竖向承载力计算公式。

基于极限分析理论的复合地层中双模盾构开挖面稳定性研究

针对目前双模式盾构在复合地层土-岩交界面进行掘进模式转换过程中掘进面稳定性研究中存在的问题,采用空间离散技术构建双模式盾构在穿越土-岩交界面过程中开挖面前方岩土体的二维破坏机制,利用该破坏机制和极限分析上限定理推导得到极限状态下土舱压力的目标函数,通过优化计算得到盾构机在穿越土-岩交界面过程中维持开挖面稳定所需的土舱压力上限解,并讨论不同参数对土舱压力及开挖面前方岩土体破坏模式的影响。在此基础上,基于可靠度理论建立土舱压力的可靠度模型,并给出复合地层中容许可靠度下维持开挖面稳定性最小土舱压力的建议值。结果表明:盾构机在穿越土-岩交界面过程中维持开挖面稳定所需的土舱压力随着盾构机与土-岩交界面距离的减小而减小;开挖面前方岩土体的破坏范围随着界面倾角的增大而增大。

地震力作用下基坑抗震极限分析

为揭示塑性极限状态下考虑地震力影响的基坑抗震破坏乘数变化规律,文章以某基坑工程为例,运用极限分析原理,对其抗震性能进行分析。结果表明:极限分析解较传统有限元解小且二者相差不大;基坑对各方向的地震加速度的承受能力不同,其中对竖直向的地震加速度承受能力最强;在地震力作用下,钻孔灌注桩和碳素钢锚杆会发生弯折破坏;随着锚杆数量和钻孔灌注桩深度增大,基坑抗震破坏乘数也逐渐增大。

基于网格自适应加密策略的隧道稳定性三维极限分析下限有限元法研究

网格分布形式对三维极限分析下限有限元法的计算精度影响较大,为获取精确下限解,通常需对破坏区域进行密集网格划分,从而极易导致计算规模过大,求解效率低下。针对上述问题,提出一种基于单元应力的三维极限分析下限有限元“后验”网格自适应加密策略。首先,构建基于Mohr-Coulomb(M-C)准则和半定规划技术的三维极限分析下限有限元模型,避免了屈服准则的近似处理。其次,引入基于M-C准则的网格自适应加密策略,通过判断各个单元应力接近屈服的程度,确定加密点的坐标。然后,将加密点与原先节点组合构成新的点集,并重新划分网格,建立新的下限有限元计算模型。最后,利用所提方法研究隧道稳定性问题,表明利用所提网格自适应加密策略能够以较少单元精确模拟破坏区域应力分布,从而获取高精度下限解。

地震与墙顶荷载作用下加筋桥台稳定性极限分析

与传统桥台相比,加筋桥台结构轻便、造价经济、抗震性能优越,然而国内规范缺少针对地震与墙顶荷载共同作用下加筋桥台稳定性的计算方法。基于极限分析上限定理,本文对地震与墙顶荷载同时作用下整体式面板加筋桥台的安全系数进行计算分析,研究地震加速度系数、筋材强度与间距、墙顶荷载等因素对加筋桥台稳定性的影响。结果表明:墙顶荷载作用下,水平地震加速度系数由0增大到0.4时,安全系数降低约10%。竖向地震惯性力向下时安全系数小于向上时的安全系数;安全系数随筋材竖向间距的增大而减小,当筋材竖向间距小于墙高的5%时减小趋势明显;当筋材长度超过墙高的70%后,长度对安全系数的影响减弱,仅当筋材设计强度超过20 kN/m、筋材竖向间距小于0.2 m时安全系数出现增大趋势;安全系数随墙顶荷载的增大呈倒V形分布,当墙顶荷载为2倍墙体自重时安全系数取得最大值。

尾矿库稳定性最短路径强度折减极限分析

尾矿库堆积边坡稳定性研究手段常以有限元强度折减的方式实现,尾矿砂抗剪强度参数(c,φ)对于坝体稳定性的影响存在差异。为此,引入最短路径强度折减理论,开展东北某大型尾矿库稳定性实例分析。主要结论:1)以逼近尾矿砂实际容重的方式,利用Optum G2进行渗流条件下尾矿库最短路径强度折减稳定性极限分析,获得尾矿堆积边坡最小综合安全系数及潜在破坏面。2)非等比例强度折减过程中,随着折减比例增大,折减路径长度先减小后增大,说明最短折减路径求得的最小综合安全系数,对应于尾矿堆积边坡最不利极限状态;3)利用最短路径强度折减极限分析得到的尾矿库最小综合安全系数,稍小于瑞典条分法和简化Bishop法结果,但整体上吻合较好;4)随尾矿库堆积边坡的增高,最小综合安全系数持续降低,潜在尾矿坝滑动体范围增大,对应的滑动面向库内扩展。

考虑地震作用和非线性强度的三维土坡极限分析

地震是边坡稳定性问题的一个不利因素,地震作用对非线性准则下三维土坡稳定性的影响有待进一步研究.针对水平地震作用下三维均质土坡,构建了非线性准则下的三维转动滑动破坏机制(坡底破坏机制和坡面破坏机制).采用拟静力法考虑水平地震载荷的做功功率,建立了两种三维边坡滑动体的能量平衡方程.对于给定几何参数和强度参数的三维土坡,通过数值优化方法得到了边坡稳定系数、最危险滑动面和等效强度参数,分析了水平地震作用对三维土坡稳定性及等效强度参数的影响,绘制了可供实际工程参考的边坡稳定性图表.研究结果显示:三维土坡稳定性将随着水平地震作用的增大而降低,特别是对于坡度较小、宽度较大的边坡,其稳定性的降低程度更为显著.水平地震作用只有在非线性参数比c_(0)/σ_(0)较大时才会对等效强度参数产生一定的影响:随着水平地震作用的增大,等效内摩擦角将递增,等效黏聚力将递减.边坡最危险滑动面位置将随着水平地震作用的增大而有所加深,且其滑动面的三维特性将变得显著.

露天采矿爆破振动过程中边坡稳定性极限分析

本研究旨在分析露天采矿爆破振动对边坡稳定性的影响,并进行极限分析。通过研究露天采矿爆破振动与边坡稳定性的关系分析爆破振动的产生机制和传播规律,探讨爆破振动参数与边坡稳定性的关系。同时,结合极限平衡分析方法和数值模拟方法,进行边坡稳定性极限分析。接下来,通过案例分析和数值模拟,评估露天采矿爆破振动对边坡稳定性的影响,并讨论影响因素。

非均匀边坡稳定的光滑有限元极限分析

非均匀层状边坡稳定是岩土工程中的重要问题之一。基于理想塑性上限和下限的极限分析方法是分析此类问题的常用方法之一。近期提出的基于混合常应力–光滑应变单元的极限分析方法(MCSE-LA)在克服体积锁定和计算性能(精度、效率以及收敛性)方面已被证明比传统有限元极限分析方法具有一定的优势,并且可以同时获得极限状态下的应力场和速度场。基于此,首先通过与经典有限元极限分析对比分析,验证MCSE-LA在非均匀边坡稳定分析中的可行性;其次,针对含软弱层边坡进行参数分析,发现软弱层的黏聚力对安全系数的影响更显著,而软弱层的摩擦角则对破坏机构特征的影响更明显;同时说明自适应的MCSE-LA可以较好地分析实际边坡的稳定性,为边坡工程的稳定性评价提供了一种有效的方法。

考虑间断速度场的光滑有限元极限分析上限法

基于应变光滑技术的有限元极限分析方法,为岩土工程稳定性分析提供了一种有效和高精度的数值分析途径。通过改进基于节点光滑域的方法,使其可以考虑间断的运动许可速度场,提出一种新型节点光滑有限元极限分析上限法。在土与结构接触面处引入间断速度场,以间断面处节点速度差表征间断速度场的大小,进而基于间断节点重新构造节点光滑域。在Mohr-Coulomb屈服准则和关联流动法则的基础上,分别计算间断面和光滑域内的内能耗散,并将屈服准则和流动法则的约束条件转化为一系列的二阶锥约束方程,最终将考虑间断速度场的节点光滑有限元上限法转化为标准的二阶锥规划模型。此模型可以采用高效的原对偶内点算法进行求解。通过岩土工程中经典问题的数值分析,验证了新方法的可靠性,并通过数值分析发现,结构与土体接触的强度性质对结构的失稳模式和极限承载力具有明显的影响。

岩土数值极限分析方法的发展与应用

固体材料受力后从弹性发展到塑性、再发展到破坏,表明屈服与破坏是不同的。本文简述了岩土材料的屈服准则,并提出岩土材料的屈服准则体系,提出材料应力场中点破坏和整体面破坏2种概念及其定义,并用传统极限分析方法定义材料的整体面破坏准则。回顾分析传统极限分析方法的求解特点,由此指出传统极限分析法与数值分析法的不足,两者结合形成近年发展的数值极限分析方法,使极限分析方法的适用范围大幅扩大。就传统极限分析法与数值极限法的内涵、特点做深入的分析,论证了方法的可靠性,同时指出数值极限分析法的优越性及其存在的问题,最后举例说明数值极限分析方法在岩土工程中的边(滑)坡、地基以及隧道工程中的广泛适用性。

基于OptumG2的深基坑稳定性极限分析

为揭示塑性极限状态下深基坑开挖与支护过程中基坑安全系数的变化规律,以某深基坑工程为例,基于极限分析上、下限定理,采用OptumG2软件对该基坑施工过程进行了模拟分析。结果表明,极限分析解较传统有限元解保守,且二者相差0.1左右;随着基坑开挖深度增大,基坑应力场发生重分布,基坑整体稳定性系数从较大值降低至下限值附近,且下降速率也越来越平缓;随着地下连续墙屈服强度、截面面积和深度的增加,基坑整体稳定安全系数也逐渐增加,屈服强度与截面面积每增加20%,安全系数Fs分别增加约0.03、0.02,而深度每增加1m,安全系数Fs增加约0.03。

深圳某黏土边坡稳定的数值极限分析

数值极限分析方法是边坡稳定性评价的主要方法之一,特别是针对复杂非均质边坡的问题具有一定的优势。文中使用OptumG2软件分析了深圳某典型非均质边坡的安全系数和失稳模式,该软件中采用了基于混合应力六节点三角形单元的数值极限分析方法,将边坡稳定性问题转化为二阶锥规划问题进行求解。在基于塑性剪切耗散的自适应方法的基础上,不仅可以获得比较准确的边坡稳定安全系数,而且还可以确定边坡的失稳模式。在此基础上,通过数值参数分析,首先验证了该软件分析实际复杂边坡的可行性,其次通过对比两种不同的放坡治理方案的优劣,发现在安全系数相同的情况下二级放坡方案挖方量相对较少,但二级放坡改变了边坡的应力状态,导致放坡后的边坡的失稳模式可能出现局部失稳模式,也可能是两条对数螺旋线复合的失稳模式,可能会增加边坡治理的难度。由此可见,采用文中方法不仅可以为解决实际复杂边坡工程稳定性评价提供有效的途径,还为滑坡治理提供了方法。

有限元极限分析法发展及其在岩土工程中的应用

有限元极限分析法兼有数值分析法与经典极限分析法两者的优点,特别适用于岩土工程的分析与设计。20世纪初,国内岩土工程界应用国际上通用程序,大力发展有限元极限分析法并拓宽其在岩土工程中的应用。在基本理论研究、提高计算精度、拓宽应用范围及工程实际应用等方面取得了很大成绩。重点介绍作者及其合作者的一些研究成果。主要包括岩土工程安全系数定义、方法原理、整体失稳判据、强度准则的推导、选用及提高计算精度等方面的研究。应用范围从二维扩大到三维,从均质土坡、土基扩大到有节理的岩质边坡与岩基,从稳定渗流扩大到不稳定渗流、从边坡与地基工程扩大到隧道、还用于寻找边(滑)坡中的多个潜在滑面,进行岩土与结构共同作用的支挡结构设计,计算机仿真地基承载板载荷试验等应用项目,以逐渐达到革新岩土工程设计方法的目的。

加锚岩质边坡稳定性评价的极限分析上限法研究

基于极限分析上限法的基本原理,考虑岩石锚杆的支护效应、地震作用力和裂隙水压力的影响,提出加锚岩质边坡稳定分析计算模型。通过该岩质边坡极限分析上限法计算模型,可以将滑体按照滑裂面和侧向结构面离散为不同的滑体单元,并可构建一个机动许可的速度场。根据相关联流动法则和位移协调条件,相邻滑体单元的移动不能导致它们重叠或分离,进而可以得到应变速度场的数学表达式。应用该计算模型,不仅可以合理计算出由滑体自重、地震力、裂隙水压力和锚固力所做的外力功率,而且可以得到产生于滑体底滑裂面和侧向结构面的内能耗散。根据滑体处于极限状态时两功率相等(虚功率方程)的条件,可以推导得到加锚岩质边坡的极限分析上限法稳定系数计算公式。通过典型算例的稳定性分析计算表明,考虑裂隙水压力和地震作用力的边坡稳定系数将会减小,而合理加锚后稳定系数将会得到提高。

考虑参数空间变异性的边坡稳定可靠性有限元极限分析

当土性参数空间变异性较大时,极限平衡法得到的滑移面不尽合理。阐述了基于广义变分原理的有限元极限分析方法,采用混合有限元方法,构筑了线性应力三角形单元与线性速度三角形单元,结合强度折减法与线性规划算法,建立了边坡稳定安全系数上下限分析方法,分析了土的抗剪强度参数空间变异性对边坡稳定性的影响,并与3种典型极限平衡法进行了对比。结果表明,FELA方法可有效搜索边坡临界滑移面,并给出安全系数的严格上下限。对于简单均质边坡,有限元极限分析与极限平衡法结果接近,极限平衡法结果大多位于极限分析的上下限内;对于空间变异性较大的边坡,有限元极限分析法可以有效搜索可能的多种临界滑移面,而极限平衡法则存在显著偏差,且往往高估滑坡风险。强度参数的空间变异性还导致边坡安全系数分布形式变化显著,仅采用安全系数无法反应这一变化。根据安全系数的分布形式,给出了土性参数设计值建议。

极限分析有限元法讲座——Ⅰ岩土工程极限分析有限元法

经典岩土工程极限分析方法一般采用解析方法,有些还要对滑动面作假设,且不适用于非均质材料,尤其是强度不均的岩石工程,从而使极限分析法的应用受到限制。随着计算技术的发展,极限分析有限元法应运而生,它能通过强度降低或者荷载增加直接算得岩土工程的安全系数和滑动面,十分贴近工程设计。为此,探讨了极限分析有限元法及其在边坡、地基、隧道稳定性计算中的应用,算例表明了此法的可行性,拓宽了该方法的应用范围。随着计算机技术与计算力学的发展,岩土工程极限分析有限元法正在成为一门新的学问,而且有着良好的发展前景。

自适应有限元极限分析及岩土工程中的应用

为了探讨有限元法极限分析的网格自适应以及锥优化算法在Mohr-Coulomb材料极限分析中的应用,以屈服准则残余和变形为依据提出针对Mohr-Coulomb材料极限分析的有限元自适应策略。对局部网格自适应结合非结构三角形网格在数值极限分析中的表现进行了探讨。通过基于有限元的极限分析方法结合网络自适应寻找潜在滑移面,从而极大程度地提高了数值计算精度。数值算例证明了所提出极限分析网格自适应准则的有效性以及在岩土极限分析中的应用前景。

土坡稳定性塑性极限分析条分法

从土塑性力学极限分析上限定理出发 ,建立了土坡条分法平移破坏机构。根据外部作用荷载和土体自重所做的外功率与塑性变形区的内部能量耗损率相等的条件 ,建立起虚功率方程 ,并由此得到了土坡稳定系数计算公式。该公式具有概念清楚、使用方便可靠等特点 ,对土坡稳定性分析具有一定实用意义。

任意配筋条件下体外预应力混凝土简支梁极限分析

通过对具有任意配筋形式的体外预应力混凝土简支梁的载面变形参数沿梁长变化的分析 ,确定了截面变形及其沿梁长方向的变化规律 ,从而准确得出锚固点和转向点的位移及体外索的应力。根据各控制截面的变形特点 ,推导出控制截面的内力平衡方程及其求解方法 ,较全面地考虑了非预应力钢筋对结构工作性能的影响。通过简单的迭代计算 ,给出不同转向方式和加载形式下 ,求解具有任意非预应力钢筋的体外索简支梁极限状态的方法 。