非线性M-C强度准则下预应力锚索加固边坡时效稳定性分析M-P法

拓展传统极限平衡方法在复杂条件下边坡稳定性分析中的适用性一直是岩土工程界的研究热点。众所周知,边坡岩土体剪切失效一般服从于非线性强度准则,而传统极限平衡方法仅适用于线性强度准则下边坡稳定性分析。此外,预应力锚索作为一种主动防护措施,可极大地即时提高边坡稳定性而被广泛应用于中、大型边坡工程加固。然而,在应力松弛、蠕变效应以及腐蚀环境影响下预应力锚索加固边坡稳定性时效特征往往被忽视。由此,基于Morgenstern-Price(M-P)法,嵌入非线性Mohr-Coulomb(M-C)强度准则,并融入应力松弛与蠕变效应下锚索预应力损失模型以及腐蚀环境下锚索性能劣化模型,从而,建立非线性强度准则下预应力锚索加固边坡安全系数时程表达式。进一步,为了解决非线性强度准则下隐式嵌套公式难以求解的问题,归零化条间法向力初始值,并应用迭代循环求解策略,在引入循环终止允许误差判别条件后,可实现边坡稳定性理论真实结果的逼近求解。经过后续算例对比分析,验证了所提方法的可行性和合理性,与此同时,还研究了不同预应力损失速率和不同锈蚀环境下预应力锚索加固边坡稳定性的时效变化规律。

冻土强度准则在冻土边坡稳定性计算中的应用

冻土是由冰胶结体、土颗粒、气体、未冻水组成的四相胶结体,其强度受温度影响较大,以至于冻土的强度准则比普通土的强度准则更为复杂。冻土强度准则在实际工程中有很广泛的应用,比如,可用于冻土边坡稳定性计算。由于冻土的复杂性,将未冻土的强度准则直接用于冻土边坡工程稳定性计算分析是不合理的。为研究冻土强度准则在冻土边坡稳定性判断中的应用,本研究首先在已有的冻土强度准则中选取Liao和Lai提出的代表性冻土强度准则,利用瑞典条分法和该强度准则推导了冻土土坡安全系数的解。其次,基于此强度准则推导的冻土土坡安全系数的解进行冻土边坡稳定性计算分析,并将计算结果与已有的冻土边坡分析数据作对比,验证该强度准则的适用性。计算结果表明:选用的强度准则计算出的安全系数与原冻土边坡安全系数比较接近,误差较小,该强度准则在冻土边坡稳定性计算方面有较高的精确性和适用性。最后,鉴于实际工程中非稳定状态冻土边坡较多,基于工程实用性,进一步总结给出了冻土边坡失稳防治措施。本研究可为寒冷地区冻土土质边坡的设计、建设、维护提供理论指导与参考。

基于M-C准则的任意角度隧道掌子面稳定性分析

为探究任意盾构角度影响下隧道掌子面的稳定情况,以向上倾斜盾构隧道为例,基于线性Mohr-Coulomb强度准则,运用空间离散技术及“点生点”技术,考虑倾斜角度对隧道掌子面稳定性的影响,通过改进现有的隧道掌子面三维主被动破坏模型,实现了倾斜隧道掌子面的主被动破坏极限支护压力的求解,并建立了线性Mohr-Coulomb准则下倾斜隧道掌子面三维主被动破坏模型,生成了与之对应的主被动破坏模型的能耗方程。通过本文模型计算结果与现有模型和数值模拟的计算结果进行对比分析,验证了本文所建立的倾斜隧道掌子面三维主被动破坏模型的合理性。结果表明,任意盾构纵向倾角是影响掌子面稳定性的重要因素,不可忽略;本文所建立的任意角度掌子面三维旋转主被动破坏模型相比现有模型更接近真实解,在掌子面稳定性分析时能够得到更优的分析结果,为类似隧道盾构施工的安全性提供了有效的理论指导与参考。

基于Hoek-Brown准则某矿山边坡岩体力学参数取值及稳定性分析

合理确定岩体的力学参数,对评价岩质边坡稳定性具有重要作用。基于Hoek-Brown准则,来确定岩体力学参数是常用方法之一。以四川巴中地区某矿山岩质边坡为研究对象,通过工程地质调查、岩石力学试验和RMR值分析,结合Hoek-Brown准则确定了边坡岩体的力学参数。结果表明:①岩石单轴抗压强度为60.70 MPa,弹性模量为9.38 GPa;②基于地质强度指标GSI和Hoek-Brown准则折减得到的岩体抗压强度为15.54 MPa,弹性模量为6.32 GPa,黏聚力和内摩擦角分别为1.95 MPa和37.10°;③通过极限平衡法中的M-P(Morgenstern-Price,M-P)法对边坡进行稳定性分析,得到A-A′和B-B′剖面在天然、暴雨、地震及爆破工况下的安全系数均满足规范要求。

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。

SSA-MLP模型在岩质边坡稳定性预测中的应用

岩质边坡的力学参数量化及稳定性分析对岩质边坡灾害的防治具有重要意义。Hoek-Brown(H B)准则是一种用于确定岩体力学参数的经典方法,能反映出边坡岩体变形和位移的非线性破坏特征。在此基础上,首先,提出一种麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)改进多层感知器(Multi-Layer Perceptron,MLP)的神经网络模型,并用于边坡稳定性预测、指标敏感性分析及参数反演。其次,将收集的1085组岩质边坡的几何参数和H B准则参数等作为输入变量,极限平衡理论Bishop法求解的安全系数作为输出变量,对SSA MLP模型进行训练学习和性能评估。最后,将该模型运用于25个边坡实例,验证模型的有效性。结果显示,该模型收敛速度快、精度高,为边坡稳定性分析和参数量化提供了一种新思路。

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。

考虑性能稳定性的机械系统可靠性分配方法研究

针对机械系统可靠性分配,提出了一种考虑性能稳定性的可靠性分配方法。引入元动作理论对机械系统进行结构分解,以元动作单元为分配对象,建立元动作可靠性二层综合评价指标模型,结合多准则决策(MCDM)方法,得到元动作可靠性分配系数;然后建立机械传动系统稳定性模型,并计算各个元动作对系统性能稳定性的影响系数;最后,利用性能稳定性的影响系数对可靠性分配系数进行修正,实现机械系统可靠性的合理分配。通过与传统方法进行对比,验证了所提方法的有效性。

基于双边滤波石质文物逆向建模及其稳定性分析

石质文物的长期稳定性问题是文物保护工作中的重点。以大足石刻卧佛前的目犍连菩萨像为研究对象,基于双边滤波算法,将三维激光扫描仪获取的点云数据导入PCL平台,实现文物表面噪声点的去除,建立包含裂隙结构面在内的菩萨像三维精细化实体模型。基于强度折减原理采用有限差分软件FLAC3D,对菩萨像现存状态展开稳定性分析,结果表明:1)双边滤波法去噪后的菩萨像模型平均偏差为-5.0~4.0 mm,标准值为1.1 mm,在去除噪声的同时完整保留了文物表面特征;2)重力荷载下,菩萨像颈部受压,项部受拉;头部裂隙的出现导致内部应力发生重分布,峰值拉应力由项部移动至裂隙端;3)菩萨像头部位移变化与折减系数呈正相关,当折减系数为1.28时,头部位移敏感度急剧增大,向临空面倾倒;4)菩萨像破坏面沿裂隙端、颈部向内部延伸,塑性区体积、最大剪应变增量逐步增大,在两区域形成抛物线贯通破坏面。该研究方法为小型、具有复杂几何特征的石质文物稳定性分析提供思路。

寒区露天矿板岩冻融力学特性及边坡稳定性研究

为了探究寒区板岩边坡在冻融条件下的力学参数劣化规律及其失稳机理,通过室内冻融循环力学试验,并基于广义Hoek-Brown强度准则计算岩体内聚力和内摩擦角随冻融循环次数的衰减规律,以此修正未考虑冻融损伤的白云鄂博南帮内聚力和内摩擦角块体模型,实现南帮岩体力学参数的时空演化表征,最后通过数值模拟分析白云鄂博铁矿主矿区南帮边坡在冻融效应下的循序破坏机理。结果表明:经20次冻融循环后,矽质板岩、云母化板岩、碳化板岩、断层岩内聚力降低率分别为21.64%、22.66%、28.09%、28.53%,内摩擦角降低率分别为12.76%、14.72%、19.37%、21.35%;在冻融效应下,南帮边坡稳定系数由1.19逐渐降至0.92,1650~1570 m区域剪应变逐渐增大,最终滑体于1570 m平台滑移剪出。

考虑渗流和剪胀特性的Z-P准则及巷道稳定性分析

在地下工程结构中,渗流和剪胀特性严重影响了巷道的稳定性。为了研究渗流和剪胀特性下巷道围岩的稳定性,基于Zienkiewicz-Pande准则和弹塑性理论,分析了受渗透水压力作用下的巷道围岩弹塑性解;推导了渗透水压力作用下的巷道围岩塑性区半径、位移和应力分布的解析解;分析了中间主应力和剪胀角对巷道围岩塑性区的影响规律。结果表明:基于Z-P准则的塑性区半径、位移和围岩应力公式能够很好地反应规律;随着中间主应力的增大,塑性区半径、位移和弹性区应力先减小后增大,塑性区应力先增大后减小;渗流作用下的塑性区半径和位移显著增加;围岩的剪胀特性对巷道应力分布和塑性区半径影响较小,但对位移分布有显著影响,随着剪胀角的增加,塑性区位移逐渐提高。

基于三参数破坏准则的均质边坡稳定性上限分析

非线性特征是岩土体材料的固有特性.研究表明,在此特征条件下,基于旋转失稳机制的均质边坡潜在滑动面并非单一对数螺旋线.本文假定岩土体材料服从三参数非线性强度准则,在极限分析上限定理的基础上,构建了均质边坡旋转失稳机制;通过拟静力方法考虑地震荷载,基于力学平衡方程结合变分原理获得边坡临界滑动面及其应力分布的微分方程组,采用Runge-Kutta方法进行求解,并基于虚功率原理结合免疫算法获得边坡最小临界高度.通过与有限元极限分析法(FELA)的结果进行对比验证了非线性上限变分分析方法的准确性和有效性.在此基础上,分析了无量纲强度参数(T、A、n)、水平地震加速度系数(kx)、边坡倾角(β)等因素对边坡稳定系数(Fn)、潜在滑动面及其应力分布的影响规律.本方法无需假定边坡潜在滑动面,丰富了边坡稳定性非线性分析理论,可为边坡的加固设计提供理论支持和有益参考.

岩体扰动对岩石边坡稳定性影响

在岩石边坡工程中,岩体内部应力的释放可能诱发断裂和扰动,尤其是在爆破作业期间,这种扰动效应尤为突出。考虑到岩体扰动的影响,采用Hoek-Brown破坏准则,通过有限元和极限解析法,系统评估了扰动因子和边坡坡度对边坡潜在滑动面及其稳定性的影响。结果表明:扰动因子和边坡角度显著影响岩石边坡的稳定性,特别是在岩质较差的边坡中,这一影响更加显著;扰动水平可能被视为常数或沿边坡呈线性变化,若在稳定性评估中忽视岩体扰动的影响,可能导致稳定系数的估值偏大;不同扰动因素情况下切岩边坡的上限塑性区域,均质边坡的破坏面(D=常数)更浅;破坏面的顶部从坡顶向斜面靠近,但破坏模式仍为边坡趾部破坏;仅降低边坡角度并不能确保边坡的稳定性,在岩体边坡稳定性评价中,必须全面考虑扰动因子的作用。

具有分布时滞的非线性广义系统一致渐近稳定性准则

针对一类具有分布时滞的非线性广义系统,利用李雅普诺夫第二方法和广义系统的受限等价变换,给出一致渐近稳定性准则。首先,在假设具有分布时滞的非线性广义系统是正则、无脉冲的基础上,构造了新的增广Lyapunov-Krasovskii泛函(L-K泛函),在L-K泛函中加入了三重积分项以获得更多的时滞信息;然后,对L-K泛函求导后产生的积分项应用边界估值更为精确的Bessel-Legendre不等式(B-L不等式)进行处理,利用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式给出了具有分布时滞的非线性广义系统的一致渐近稳定性准则条件;最后,利用数值算例,通过Matlab中LMI工具箱求解,验证了所用方法的可行性和有效性。

堆载位置对排土场边坡稳定性影响的模拟研究

在边坡上不同位置进行堆载将对边坡结构和稳定性造成不同影响,本文依据某铅锌储存库三种修建方案,在Flac3D中运用数值模拟研究了储存库修建位置对排土场边坡的影响,得到以下结论:(1)堆载区位于坡顶内侧、中部、外侧情况下边坡安全系数Fs分别为1.613、1.61、1.352,故均满足边坡稳定要求,当堆载位于内侧时安全系数最大。(2)堆载区位于坡顶内侧、中部、外侧情况下坡顶水平方向最大位移值依次为:1.16 mm、7.757 mm、13.379 mm,竖直方向最大位移值依次为:5.532 mm、18.88 mm、36.676 mm。(3)与原始工况对比发现,堆载位于内侧时塑性破坏区域减小,而位于中部和外侧时塑性破坏区增大。故建议将储存库修建在坡顶内侧以保证边坡最大稳定性。

运载火箭自适应增广控制参数设计及稳定性裕度分析

针对运载火箭主动飞行段的强鲁棒姿态控制系统设计要求,提出自适应增广控制器(adaptive augmenting controller,AAC)的参数设计方法以及稳定性裕度分析方法。首先,针对传统运载火箭建立了小扰动线性化方程,推导了传递函数,并基于特征点参数设计了比例微分(proportional-derivative,PD)控制器及校正网络。然后,开展了AAC设计,给出调节参数的具体设计方法和准则。为了评估加入AAC之后整个控制系统的稳定性,基于正弦分析法推导了AAC的正弦响应模型,从而可评估系统的稳定性。最后,在多种干扰条件下完成了六自由度(six degree of freedom,6-DOF)的仿真分析,证明了AAC的有效性,同时也获得了AAC+PD控制系统的幅值裕度和相位裕度。仿真结果表明,该方法能够反映实际系统的稳定性,具有一定的工程指导意义。

盾构偏仰角影响下隧道掌子面稳定性分析

为探究任意偏仰角影响下纵向倾斜隧道掌子面的稳定情况,以Hoek-Brown强度准则为例,考虑隧道纵向倾角的影响。利用空间离散和点生点技术,改进现有的隧道掌子面三维主被动破坏模型,求解了倾斜隧道掌子面的主被动破坏极限支护压力,并建立了非线性Hoek-Brown准则下倾斜隧道掌子面三维主被动破坏模型。通过本文模型计算结果与数值模拟结果对比分析,以验证本文所建立的非线性Hoek-Brown准则下倾斜隧道掌子面三维主被动破坏模型的合理性。结果表明:本文所建立的非线性Hoek-Brown准则下倾斜隧道掌子面三维主被动破坏模型与数值模拟结果之间最大误差小于5%,拟合效果良好,适用于倾斜隧道的掌子面稳定性分析问题;任意偏仰角引起隧道与水平面之间的倾角是影响掌子面稳定性的重要因素,在实际施工中应予以格外关注,可为类似隧道盾构施工的安全性提供有效的理论指导与参考。

库车坳陷超深油气藏钻井井壁稳定性分析研究及应用

库车坳陷克拉苏构造带超深油气储层具有埋深大、温度高、岩性变化大、应力场高等特点,导致基于常规井壁稳定性分析方法计算的钻井泥浆密度窗口不准,造成钻进过程中井壁失稳频发,给钻井安全和环境保护带来隐患.通过考虑温度效应对井筒应力的影响,加入基于Mohr-Coulomb破坏准则的弱面(裂缝)失稳条件,提出了一种根据岩石、弱面不发生剪切失稳的最小泥浆密度和不发生张性失稳的最大泥浆密度,以及孔隙压力和最小水平主应力的当量泥浆密度6个参数,共同确定超深储层钻井安全泥浆密度窗口的取值方法.实际资料应用结果表明,该方法对库车坳陷博孜区块超深复杂地层的坍塌压力和漏失压力的预测具有很好的适用性和准确性,为实际钻井施工设计提供有效参考.

基于Hoek-Brown准则的地下洞室围岩稳定性分析

基于Hoek-Brown准则,针对该准则中与围岩稳定性相关联因素,如最大主应力σ1、最小主应力σ3、岩石强度指标GSI和岩石单轴抗压强度σci,对水电站大型地下洞室围岩稳定性的影响开展分析,建立相关数值计算模型和方案,分析σ1、σ3、GSI和σci影响下大型地下洞室围岩变形、塑性区深度的变化规律。研究结果表明:根据不同σ1、σ3、GSI和σci条件下地下洞室围岩变形、塑性区深度的变化规律,可将围岩变形和塑性区深度划分为3个阶段:基本不变阶段、缓变阶段、陡变阶段。根据洞室围岩的塑性区特征,并结合洞室变形趋势等可将围岩变形和塑性区划分为自稳域、可控域、不可控域,得到基于Hoek-Brown准则的水电站地下洞室地应力-岩体强度-围岩稳定关系。自稳域对应地下洞室围岩处于稳定或基本处于稳定状态;可控域对应围岩有一定的变形或松弛破坏,但在一定支护策略下可控制变形或维持围岩稳定;不可控域对应围岩变形或松弛破坏较为明显,在一般支护策略下无法控制围岩变形或维持围岩稳定。根据研究成果可对Hoek-Brown准则下不同地应力大小、不同岩体强度的地下洞室进行围岩稳定性综合评判,用于系统指导地下洞室群的全过程设计和建设。

基于区域建模的径向电力电子系统谐波稳定性分析方法

近年来,电网中分布式电源大量的接入,尤其是LCL型并网逆变器连接到弱电网时,因存在宽范围变化的电网阻抗及大量的电网电压谐波,系统稳定性及并网电流质量将受到严重挑战。与此同时电力系统的稳定性分析就变得复杂起来。为了分析系统的稳定性,整个网络的阻抗将被集中起来,需要逐个进行分析。然而,使用统一的复杂传递函数会造成对不稳定原因认识的模糊性,而且也没有固定的分析顺序选择方法。本文提出了一种在配电系统中进行区域稳定性分析的方法,从最简单的稳定性分析实体出发,然后将其概念扩展到整个径向结构网络。