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。

岩土工程极限分析有限元法及其应用

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 ,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。随着计算机技术的发展 ,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。本文探讨了极限分析有限元法的一些基本原理 ,包括安全系数的定义、岩土体整体失稳的判据、屈服准则的选用等 ,并将该方法应用于边坡、地基、隧道稳定性计算 ,算例表明了此法的可行性 。

某高层建筑基坑塌方分析及极限分析有限元法模拟

某高层建筑基坑在施工过程中由于没有严格按照设计施工、基坑边坡土层没有完全封闭、边坡项部和底部裸露,致使雨水从坡顶排水沟下部渗到边坡面层内,经雨水浸泡后的土体抗剪强度降低,大量土块失稳落下,喷射混凝土面层内形成了大片空洞,锚索的预应力损失,最终导致整个面层坠下,造成塌方事故。采用二分法改进的极限分析有限元法对该基坑边坡进行模拟,得到了基坑边坡的安全系数和滑动面,用二分法对土体强度参数进行折减,提高了极限分析有限元法的求解效率。

基于极限分析有限元与强度折减法的边坡稳定性分析方法

采用极限分析有限元结合强度折减理论对边坡稳定性进行研究,定义无量纲参数P并将所得边坡安全系数作为判定边坡是否失稳的依据,将计算所得安全系数与已有文献结果进行比较验证,验证结果表明所采用方法能够更好地评估边坡稳定性。对不同参数影响下的边坡稳定性进行分析,讨论了摩擦角对边坡失稳破坏模式的影响。研究结果表明:所采用方法求得的安全系数上下限差值小于1%,可以用上下限的平均值来评估边坡安全系数;边坡坡脚、摩擦角和P对边坡稳定性均有很大的影响。

岩土工程极限分析有限元法及其应用

极限分析有限元法是通过强度降低或者荷载增加直接计算演示工程安全系数和滑动面的一种方法,在岩石工程中广泛的被应用。本文将对极限分析有限元法的基本原理详细的分析,并且对其在岩石工程中的应用做一些讨论,以期能够进一步拓宽该方法的使用范围。

岩土工程极限分析有限元法及其应用

近年来,在多方面利好因素的影响下,使得我国社会综合国力得到了显著的提升,从而也为各个领域的发展壮大创造了良好的机遇,推动了科学技术的发展,大量的新型科学技术被人们研发出来,并在实践运用中取得了良好的成绩。其中有限元法是当前最先进的一种实践方法,将有限元法与电子计算机技术融合在一起,能够高效的解决各类问题。鉴于此,这篇文章主要围绕岩土工程极限分析有限元法的实践运用展开全面深入的研究分析,希望能够对我国岩土工程行业的未来良好发展有所帮助。

岩土工程极限分析有限元法及其应用

在20世纪70年代,英国科学家zienkiewicz提出了一种计算岩土安全系统的方法,方法是增加外部荷载和降低地质强度。然而,随着计算机技术的发展,影响有限元分析发展的因素逐渐减少,成为一门新的极限分析领域。这种分析方法运用到很多地方,有很大的作用。

岩土工程极限分析有限元法及其运用

基于极限分析方法在岩土工程施工中的应用局限文章提出兼具数值分析方法和经典极限分析方法的有限元分析方法,在介绍有限元分析原理、基本理论、安全系数和发展历程的基础上,从边坡、地基、隧道等方面着重分析岩土工程极限分析有限元法的应用,验证有限元分析方法在岩土工程中应用范围的扩大,旨在能够为岩土工程施工建设发展提供更多有力的支持。

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。

局部破碎带渗水条件下海底隧道稳定性的有限元极限分析

以存在局部破碎带的青黄海底公路岩质隧道为例,考虑到海水的渗透性,采用有限元极限分析法分析海底隧道岩体注浆加固前、后的稳定性。计算结果表明,隧道整体是安全的,此种情况下,隧道衬砌原则上可按无水压设计,衬砌厚度与采用全水头设计相比可以大大降低。但当存在局部破碎带时,隧道安全系数降低,破碎带越宽,注浆堵水圈厚度越小,安全系数越小。与完整围岩破裂面位于两侧相比,含倾角45°破碎带围岩的稳定性最差。因此,必须做好破碎带的超前注浆堵水加固,以减少其渗水量,并对破碎带进行局部加固,此种情况下,隧道衬砌原则上可按有水压设计。

有限元极限分析法探讨裂隙拱形成机理

以平面应变条件下Drucker-Prager为屈服准则,并给出强度增加系数的适用范围;采用有限元极限分析法,不断增加煤层、上覆岩层强度以至上覆岩层处于极限平衡状态,上覆岩层出现连续、贯通的塑性区,说明上覆岩层存在"塑性体"拱状结构;裂隙拱结构水平应力高于垂直应力、拱脚应力高于拱顶,符合拱结构受力特征。开采跨度增加,煤壁支撑压力不断增加,采空区底板支撑应力非常有限;裂隙拱跨度增加,拱高不断增加,拱跨比逐渐降低,说明采动对裂隙拱拱高的影响是有一定范围的。

岩溶区路基承载力有限元极限分析

为计算岩溶区路基极限承载力,根据上、下限定理,结合有限元方法,基于MATLAB平台编制了相关计算程序。采用修正的Hoek-Brown准则来描述岩体的非线性特点,并将其嵌入到计算程序中。在此基础上,用无量纲参数Nσ、η衡量单个溶洞对路基承载力的影响,并详细分析了各参数的影响。结果表明:Nσ随着D/L(厚跨比)、GSI(地质强度指标)的增大而非线性增大,随H/L(高跨比)的增大而减小,与mi大致成线性关系;当D/L较小时,η随α(旋转角度)的增大先增大后减小;当D/L较大时,α对η的影响不大;岩石的物理力学参数GSI、mi、γ对η的影响可忽略不计。极限破坏模式可分为顶板冲切破坏、顶板冲切和侧壁联合破坏、顶板冒落和侧壁联合破坏。将条形基础作用在岩层的承载力的结果与已有成果进行对比,误差在3%以内,验证了本文所提方法的正确性。同时,为便于实际工程设计,提供了具体的设计表格,基本能满足大部分工程需求。

近海风机吸力式沉箱基础复杂荷载作用下极限承载力的有限元极限分析

吸力沉箱作为近海大型风机新型基础形式具有诸多优点。极限承载力设计，作为该基础形式设计阶段的关键一环，在设计理论和验算方法方面还不够完善。利用有限元极限分析，对福建某待建海上风电场的5MW风机吸力式沉箱基础选型方案进行承载力分析。提出基于极限分析的土体-结构潜在浸水裂缝模型能够在程序优化过程中自动判断土体一结构界面的浸水裂缝开展。分别给出不同深径比以及是否允许裂缝开展时吸力沉箱不排水极限承载力的计算包络图和安全系数。将计算结果与经验公式、极限平衡解、塑性上限解和有限元解进行比较，验证了结果的准确性。分析表明，吸力式沉箱基础在该工程极限荷载作用下能够满足稳定性要求。允许存在潜在浸水裂缝时，沉箱极限承载力较不允许时低约3％～11％，二者失效机制和土体塑性区分布明显不同。极限状态下沉箱内部土体是否进入塑性与沉箱深径比有关；传统极限平衡法和极限分析多采用桶内土体刚性假定，将高估沉箱的极限承载力。

考虑网格自适应的边坡可靠性随机有限元极限分析研究

在有限元极限分析(finite element limit analysis, FELA)的基础上,结合随机场理论,提出了网格自适应的边坡可靠性随机有限元极限分析方法,探讨了网格自适应前后的FELA法的确定性和可靠性分析结果,重点针对网格自适应FELA方法,从安全系数均值、分布规律及可靠度指标、潜在滑移面分布等角度分析了岩土参数变异系数和波动范围的影响.结果表明:考虑网格自适应的FELA能有效搜索潜在滑移面,在获得严格上、下限解的同时可显著提高边坡可靠性分析效率;通过随机场刻画参数变异特性能降低传统确定性分析对边坡稳定性的过高估计.随着变异系数的增大,安全系数概率密度曲线整体向左偏移,安全系数均值下降但变异性增大,坡体可靠度指标减小,坡体潜在滑面的分布更为离散;随着波动范围增大,出现了坡体安全系数均值增大但可靠性指标减小的互斥现象.相比黏聚力变异系数和水平波动范围,边坡可靠性分析结果对内摩擦角变异系数和竖向波动范围更为敏感.

剪胀角对地基极限承载力影响的有限元极限分析

采用有限元增量加载法计算地基极限承载力,分析不同剪胀角取值对计算结果的影响,结果表明,剪胀角对地基极限承载力的影响大致可以分为震荡段和稳定段2个阶段.在震荡段内,地基极限承载力随剪胀角增加呈震荡跳跃特征,且对单元类型和网格疏密程度敏感;在平稳段内,地基极限承载力随剪胀角的变化不大,与Prandlt理论解一致.剪胀角对基底附近塑性区的发展分布和破坏模式亦有显著影响,随剪胀角的增大塑性区分布逐渐扩大.当剪胀角小于某特定值时,地基破坏表现为基底土体的冲切刺入,类似于地基的冲剪破坏;当剪胀角大于某特定值时,塑性区分布类似于Prandlt破坏机构,有明显的主动区、过渡区和被动区.

基于有限元极限分析的桩基础荷载下边坡稳定性

为探讨桩基础荷载作用下边坡稳定性变化的一般规律,提出相应的稳定性系数计算方法.首先,概述有限元极限分析方法,并引入某陡坡段桩基础工程实例,验证了该数值分析方法的合理性;其次,通过对桩顶水平荷载、黏聚力、桩坡相对位置等因素进行归一化处理,给出了不同工况时桩基础荷载下边坡稳定性系数计算方法,并将其以表格形式表示;然后,在探究桩基础荷载下边坡破坏模式的同时,引入荷载影响因子表征桩顶水平荷载对边坡稳定性系数的影响,并提出了桩基础荷载下边坡稳定性系数半理论半经验方法;最后,探讨了桩顶水平荷载、边坡坡比、内摩擦角、黏聚力及桩坡相对位置对边坡稳定性系数的影响.结果表明边坡稳定性系数与内摩擦角及黏聚力正相关,与桩顶水平荷载负相关.以上分析可为陡坡段桥梁工程设计提供参考,具有一定的理论及工程应用价值.

岩溶区偏心荷载下路基承载力有限元极限分析

为探究偏心荷载下路基下伏溶洞对其不排水承载力的影响,基于有限元极限分析方法建立了相关数值模型,并将数值所得结果与已有研究进行对比,验证了有限元极限分析方法的合理性。在此基础上,用一个无量纲参数N_(c)来衡量溶洞对路基承载力的影响,通过一系列参数分析深入分析了不同变量(如路基与溶洞相对位置、溶洞尺寸、荷载偏心率e/B和土体抗剪强度变化无量纲参数kB/c_(u0)等)对路基极限承载力的影响。结果表明:N_(c)随e/B、R/B(洞径)的增大而减小,随α/B(溶洞偏心量)、β/B(溶洞埋深)、kB/c_(u0)的增大而增大,其中e/B和kB/c_(u0)是影响路基承载力的关键因素。此外,以剪切耗散云图为依据,对各工况下路基-溶洞系统的破坏机理进行探究,在分析各变量影响的同时,总结了3种典型破坏模式。

地震边坡稳定性有限元塑性极限分析拟动力法研究

地震诱发边坡失稳是地震灾害的主要类型之一,开展地震作用下边坡稳定性研究具有重要意义。常规拟静力法无法准确模拟地震波在边坡土体中传播的时间和空间效应,难以真实反映地震荷载。本文采用拟动力法模拟地震动荷载输入,基于塑性极限分析下限定理,结合有限元离散技术,建立了满足静力平衡条件、屈服条件、应力边界条件和间断条件的地震边坡稳定性有限元极限分析下限法数学规划模型,基于内点算法寻求边坡超载系数和安全系数的下限解。通过对典型边坡算例分析,验证了本文方法的正确性。进一步分析了均质土边坡、抗剪强度参数随深度线性增加的非均质土边坡以及双层土边坡的地震稳定性,讨论了关联和非关联流动准则对地震边坡稳定性的影响。结果表明:拟静力法和非关联流动法则会低估地震边坡稳定性;边坡安全系数有限元极限分析下限解与上限解之间的差异小于4.5%,本文方法计算结果接近地震边坡稳定性真解。

有限元极限分析法在岩土工程中的应用研究

基于有限元极限分析法优势,将其应用到岩土工程中,可以有效促进技术方法发展。文章重点围绕有限元极限分析法展开研究,分析有限元极限分析法在岩土工程中的应用。

有限元极限分析发展及其在岩土工程中的应用

从有限元极限分析法的优点上来看,该方法特别适合在岩土工程中应用,也得到了较好的发展。在实际应用过程中,是需要做出假设并求解的,而且应用的范围有一定的局限性,这是有限元极限分析法应该创新的地方,在科技进步之下,对方法进行完善,让其适用的范围有所扩大,同时也推动在岩土工程中应用的价值。本文主要从有限元极限分析法做出了介绍,进而分析其在岩土工程中实际的应用。