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岩石力学与工程学报 2017年第7期36卷 1659-1669页

作者：尤涛戴自航卢才金沈启炜福州大学土木工程学院福建福州350108 福建省交通规划设计院福建福州350004 中铁十八局集团有限公司天津300222

为克服基于Hoek-Brown强度准则的屈服面数值奇异问题,提出新的棱角处屈服面圆化方法,在此基础上,借助ABAQUS二次开发平台,采用FORTRAN语言编制理想弹塑性模型子程序,应力更新算法为完全隐式的向后欧拉积分算法;提出基于Hoek-Brown准则... 详细信息

为克服基于Hoek-Brown强度准则的屈服面数值奇异问题,提出新的棱角处屈服面圆化方法,在此基础上,借助ABAQUS二次开发平台,采用FORTRAN语言编制理想弹塑性模型子程序,应力更新算法为完全隐式的向后欧拉积分算法;提出基于Hoek-Brown准则的有限元强度折减技术,并将其嵌入到圆化后的屈服函数中,探讨了强度折减技术应用于Mohr-Coulomb强度准则和Hoek-Brown非线性强度准则的异同点。对某圆形隧洞的模拟分析表明,围岩应力和塑性区的数值计算结果和解析结果吻合很好;对某岩质边坡的模拟分析表明,与等效Mohr-Coulomb模型的线性强度折减技术相比,基于Hoek-Brown模型的非线性强度折减技术获得的潜在滑动面位置较浅、形状较陡,更符合岩质边坡滑动面的特征,两个算例验证了该圆化方法和非线性强度折减技术的正确性和适用性。

关键词：岩石力学 Hoek-Brown准则数值奇异圆化方法向后欧拉积分算法强度折减技术

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考虑水力效应的裂缝边坡稳定性非线性能耗分析

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重庆交通大学学报（自然科学版） 2024年第3期43卷 26-34,53页

作者：罗伟卢茜徐长节陈静瑜陶智华东交通大学土木建筑学院江西南昌330013 江西省地下空间技术开发工程研究中心江西南昌330013

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... 详细信息

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。

关键词：岩土工程稳定性分析极限分析上限定理安全系数非线性破坏准则强度折减技术

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均质土坡稳定性非线性能耗分析

均质土坡稳定性非线性能耗分析

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作者：卢茜华东交通大学

学位级别：硕士

随着我省高速公路交通基础设施建设的快速推进,公路建设不得不向丘陵和山区等地段纵深推进,面临的地质条件愈发复杂多变,其中高陡边坡等难题层出不穷。特别是在地质条件较差且防护处理不当时,容易引发滑坡灾害。因此,针对高大复杂边坡,... 详细信息

随着我省高速公路交通基础设施建设的快速推进,公路建设不得不向丘陵和山区等地段纵深推进,面临的地质条件愈发复杂多变,其中高陡边坡等难题层出不穷。特别是在地质条件较差且防护处理不当时,容易引发滑坡灾害。因此,针对高大复杂边坡,可靠的边坡稳定性分析显得尤为关键。相关研究对指导边坡工程施工、保障安全生产及道路运营通畅具有十分重要的理论意义和实践价值。本文以江西省宜遂高速公路某边坡为依托工程,综合运用理论计算、实例分析以及程序设计等手段,基于极限分析上限定理及强度折减技术,引入“外切线法”非线性破坏准则,考虑坡顶裂缝、水力效应、坡顶超载、地震效应等影响,建立单因素或多因素耦合作用的土质边坡稳定性非线性能耗分析模型,推导获得各影响因素作用下土质边坡临界状态的能耗方程,用非线性规划方法对边坡模型的目标函数进行了优化求解,深入研究复杂荷载作用下的边坡破坏模式和失稳机理;此外,基于可靠度理论模拟计算边坡的可靠度和失稳概率,对比边坡安全系数,综合评价其稳定性及滑坡风险概率;结合上述研究成果,编写一套计算适用均质土坡稳定性非线性能耗分析程序。以期进一步丰富和完善均质土坡稳定性非线性能耗分析理论体系,并为实际边坡工程的施工和运营维护提供有益指导。本文主要研究内容和成果如下: （1）基于极限分析上限定理,结合强度折减技术,引入“外切线法”非线性Mohr-Coulomb破坏准则,考虑坡顶裂缝、地下水、坡顶超载和地震效应,构建了单因素或多因素耦合作用的边坡稳定性非线性能耗分析模型,推导出边坡安全系数解析式,利用MATLAB软件编写程序,结合序列二次优化迭代法对边坡模型目标函数进行了优化求解。（2）非线性系数m对边坡稳定性具有显著影响。边坡安全系数FS随着非线性系数m的增大显著降低,同时,边坡可靠度指标逐渐减小,失效概率不断增加;非线性系数越低的边坡,安全系数往往偏大,采用线性Mohr-Coulomb破坏准则会高估外荷载和土体参数对边坡稳定性的影响,从而难以准确评估边坡稳定性。因此,引入岩土材料的非线性破坏准则开展边坡稳定性分析非常必要。（3）土体参数影响边坡的稳定性,随着坡高H、台阶宽度L、重度γ的增大,边坡安全系数FS明显降低;对于多级边坡而言,一级坡高的变化对边坡稳定性的影响更为显著,且随着非线性系数的增大而愈加明显;此外,一级台阶宽度的变化更加影响边坡的稳定性,但随着非线性系数的减小而影响更大。（4）随着地下水位h的上升,边坡安全系数FS和可靠度指标呈现出明显的下降趋势,边坡失效概率显著增大,临界裂缝深度逐步递增,临界裂缝位置逐渐向坡顶缘偏移,边坡失稳体积逐渐减小;当裂缝深度增加时,临界裂缝位置愈发靠近坡顶缘;然而,当临界裂缝位置持续增大时,边坡安全系数变化趋势不明显,临界裂缝深度曲线呈现先减小后平缓的趋势;值得注意的是,当非线性系数增大0.2时,且裂缝位置增加约1 m时,无论临界裂缝距离多大,裂缝的存在对边坡稳定性基本无影响;这些研究成果进一步完善了考虑水力效应和裂缝作用的边坡稳定性非线性能耗分析理论。（5）当地震效应比例系数λ和坡顶超载q不断增大时,边坡安全系数显著降低,潜在滑动面逐渐向坡外偏移;可靠度指标逐渐减小,失效概率不断增加;与仅存地震效应或坡顶超载的单一荷载相比,复杂工况时的边坡安全系数值更低、失稳范围也更广;在边坡稳定性设计计算时,尽管竖向地震作用对边坡稳定性的影响相较于水平地震效应影响较弱,但在强震作用下需多加考虑其影响;这些研究成果进一步完善了复杂荷载条件下多级边坡稳定性非线性能耗分析理论。

关键词：边坡工程稳定性分析极限分析上限定理安全系数非线性破坏准则强度折减技术

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基于二阶锥规划理论的有限元强度折减法及应用

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岩土工程学报 2019年第3期41卷 457-465页

作者：王冬勇陈曦吕彦楠任晋岚北京交通大学土木与建筑工程学院北京100044

针对岩土体稳定性问题,常用的方法有极限平衡法和有限元强度折减法等。传统的有限元强度折减法通常需设置很大的最大允许非线性迭代次数(如200或500),计算耗时严重,此外,采用的平衡迭代和应力积分算法可能导致岩土体塑性区计算不够准确... 详细信息

针对岩土体稳定性问题,常用的方法有极限平衡法和有限元强度折减法等。传统的有限元强度折减法通常需设置很大的最大允许非线性迭代次数(如200或500),计算耗时严重,此外,采用的平衡迭代和应力积分算法可能导致岩土体塑性区计算不够准确,进而影响稳定性分析结果。提出一种二阶锥规划有限元强度折减法,该方法基于Hellinger–Reissner混合变分原理和有限元法,将岩土体弹塑性问题构造成基于有限元框架的二阶锥规划问题,结合强度折减技术来分析岩土体稳定性。将该新方法应用于平面应变岩土体稳定性分析,结果表明:与传统的有限元强度折减法相比,新方法结果可靠,但其计算效率更高,所获得的塑性区更加平滑。

关键词：岩土体稳定性二阶锥规划强度折减技术剪胀性塑性区

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基于上限分析的渣土边坡抗滑桩桩位优化研究

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长江科学院院报 2019年第9期36卷 92-98页

作者：肖林超陈文强姚文敏熊爽曾江波深圳市勘察测绘院有限公司广东深圳518028 中国地质大学(武汉)工程学院武汉430074

针对加固城市渣土堆填边坡的抗滑桩桩位优化问题,基于强度折减技术和极限分析上限法,采用遗传算法结合非线性规划SQP算法,提出了渣土边坡抗滑桩桩位优化方法。深圳市某渣土堆填边坡抗滑桩桩位优化分析结果表明:给定安全系数下,抗滑桩桩... 详细信息

针对加固城市渣土堆填边坡的抗滑桩桩位优化问题,基于强度折减技术和极限分析上限法,采用遗传算法结合非线性规划SQP算法,提出了渣土边坡抗滑桩桩位优化方法。深圳市某渣土堆填边坡抗滑桩桩位优化分析结果表明:给定安全系数下,抗滑桩桩位对抗滑桩需提供的抗滑力、滑裂面以上桩长和最可能滑裂面都有显著影响;暴雨工况下的抗滑力、滑裂面以上桩长和最可能滑裂面范围均大于自然工况下的。考虑局部失稳问题,综合确定天然工况和暴雨工况下加固案例边坡抗滑桩最优桩位分别位于为桩位系数ε=0.3和ε=0.6附近。研究结果可为渣土边坡抗滑桩桩位优化设计提供技术指导和理论支撑。

关键词：渣土边坡抗滑桩桩位优化极限分析上限法强度折减技术遗传算法

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基于二阶锥规划有限元法的岩土体稳定性及应变局部化研究

基于二阶锥规划有限元法的岩土体稳定性及应变局部化研究

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作者：王冬勇北京交通大学

学位级别：硕士

岩土体稳定性及应变局部化研究一直是岩土工程领域的重要研究课题。在传统有限元计算框架下，增量弹塑性有限元计算需要复杂的平衡迭代和应力积分算法，增加了程序开发的复杂度。基于二阶锥规划方法和有限元理论，将经典连续体和Cossera... 详细信息

岩土体稳定性及应变局部化研究一直是岩土工程领域的重要研究课题。在传统有限元计算框架下，增量弹塑性有限元计算需要复杂的平衡迭代和应力积分算法，增加了程序开发的复杂度。基于二阶锥规划方法和有限元理论，将经典连续体和Cosserat连续体的增量弹塑性分析构造成二阶锥规划(SOCP)格式，并利用标准的数学优化求解器(如MOSEK)进行求解。分别提出了适用于经典连续体的二阶锥规划有限元法(FEM-SOCP)和适用于Cosserat连续体的二阶锥规划有限元法(CosFEM-SOCP)，并将其应用于平面应变条件下的岩土体稳定性及应变局部化分析中。主要的研究工作包括以下几个方面：　　(1)基于Hellinger-Reissner混合变分原理和有限元法，岩土体弹塑性问题可以构造成基于有限元框架的二阶锥规划问题，建立了适用于经典连续体的FEM-SOCP法，进而可以利用标准数学优化求解器进行求解。采用柔性基础作用下的地基承载力算例对FEM-SOCP方法进行验证，数值分析表明FEM-SOCP法计算获得的荷载位移曲线与传统FEM法计算的结果基本一致，验证了FEM-SOCP法和所编制程序的正确性;(2)采用FEM-SOCP法进行了岩土体稳定性和变形分析。将FEM-SOCP方法与强度折减技术相结合，提出了一种新的基于二阶锥规划理论的有限元强度折减法(即SSRFEM-SOCP)。将该方法应用于一系列边坡稳定性分析后发现，与传统有限元强度折减法SSRFEM相比，新方法获得的塑性区更加平滑;针对非关联塑性岩土体的稳定性问题，原始Davis公式会导致相对保守的稳定性计算结果(尤其对于高内摩擦角和低剪胀角的情况)。通过基于应力圆和破坏包线的关系对Davis公式进行改进，提出一种修正Davis公式，根据边坡稳定性分析结果，推荐选取修正Davis公式中的经验参数?=0.3;由于只有相关联塑性问题才能被塑造成二阶锥规划问题，针对非关联塑性变形分析，提出一种误差自适应的时间离散法，可以实现在相关联塑性框架下经过几次时间步迭代便可获得非关联塑性的解，数值分析表明，时间步因子取?=0.1~0.4通常可以获得精度较高的解;(3)在二阶锥规划有限元法的框架下，将Cosserat连续体的增量弹塑性控制方程构造成二阶锥规划问题，建立了适用于Cosserat连续体的CosFEM-SOCP法，并分别给出了力和位移边界条件下的CosFEM-SOCP方法的求解格式。CosFEM-SOCP法可以利用标准的数学优化器进行求解，规避了复杂的平衡迭代和应力积分算法。为验证CosFEM-SOCP法和所编制程序的正确性，以弹性圆孔的应力集中问题为例，将CosFEM-SOCP方法计算获得的应力集中因子与解析解及其它数值解进行了对比，相对误差不超过1.6%，验证了CosFEM-SOCP法的正确性;(4)将CosFEM-SOCP法应用于岩土体应变局部化及稳定性问题。针对理想弹塑性地基问题，Cosserat连续体的弹塑性退化解和传统FEM结果基本一致;通过单轴压缩试验，研究了剪切模量比、内部特征长度及软化模量对剪切带和荷载位移曲线的影响，并调研了内部特征长度与单元尺寸的选择关系。基于Cosserat连续体，采用适当的内部特征长度，可以克服由于应变软化引起的网格敏感性问题。将CosFEM-SOCP法应用于土质边坡的稳定性及应变局部化问题，研究结果表明：基于经典连续体，坡脚区域的剪切带网格依赖性较强，而采用Cosserat连续体可以获得无网格依赖的剪切带;此外，基于经典连续体得到的安全系数偏于保守，而基于Cosserat连续体得到的安全系数会随着内部特征长度的增大而增大。

关键词：有限元法岩土体稳定性二阶锥规划强度折减技术修正Davis公式 Cosserat连续体应变软化应变局部化

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圆形隧道环向存在隐伏充填溶腔时防突岩墙的上限稳定性分析

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湖南大学学报（自然科学版） 2017年第5期44卷 122-131页

作者：杨子汉李永鑫许敬叔肖海波中南大学土木工程学院湖南长沙410075

岩溶隧道施工中遭遇高压充填溶腔时,若防突岩墙的稳定性不足易造成突水突泥等地质灾害.因此基于极限分析原理提出了一种分析防突岩墙稳定性的研究思路.针对隧道环向遭遇隐伏充填溶腔的工况,利用广义切线法获得Hoek-Brown非线性破坏准则... 详细信息

岩溶隧道施工中遭遇高压充填溶腔时,若防突岩墙的稳定性不足易造成突水突泥等地质灾害.因此基于极限分析原理提出了一种分析防突岩墙稳定性的研究思路.针对隧道环向遭遇隐伏充填溶腔的工况,利用广义切线法获得Hoek-Brown非线性破坏准则的转化强度参数,构建了岩墙二维计算模型.并结合上限原理与强度折减技术,将安全系数引入能耗分析过程,达到了表征防突岩墙稳定性的目的.最后,通过优化分析,探讨了岩墙安全系数随各参数的响应情况.研究结果表明:除围岩重度参数外,岩墙厚度、溶腔充填物压力、隧道支护压力、圆形隧道断面直径、单轴抗压强度、Hoek-Brown常数等,都对岩墙安全系数的变化影响显著.此外,将方法应用至"宜万铁路"、"忠垫高速"和"恩来高速"的岩溶隧道中,良好的结果验证了方法的可行性.

关键词：隐伏溶腔防突岩墙上限原理强度折减技术安全系数 Hoek-Brown准则

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三级边坡稳定性上限分析

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中外建筑 2018年第10期 186-190页

作者：张红亮湖南大学设计研究院有限公司

基于极限分析上限法的基本原理和强度折减技术,根据滑体处于极限状态时两功率相等（虚功率方程）的条件,推导获得了三级边坡整体稳定性和可能出现的局部稳定性极限分析上限法安全系数计算公式。简单局部稳定性情况下,选择多个算例与现... 详细信息

基于极限分析上限法的基本原理和强度折减技术,根据滑体处于极限状态时两功率相等（虚功率方程）的条件,推导获得了三级边坡整体稳定性和可能出现的局部稳定性极限分析上限法安全系数计算公式。简单局部稳定性情况下,选择多个算例与现有成果进行对比分析,证明了本文方法的正确性。通过实例分析讨论了三级边坡的整体稳定性和可能出现的局部稳定性问题,并开展了参数分析。研究结果表明：采用本文方法算出的安全系数略小,得到的最危险滑动面也颇接近,可以证明本文方法的有效性;本文方法可直接应用于工程实践。

关键词：道路工程整体失稳局部失稳安全系数强度折减技术极限分析上限理论

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基于强度折减技术的加筋路堤稳定性极限上限分析

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铁道科学与工程学报 2011年第2期8卷 40-46页

作者：石挺丰赵炼恒广州港集团基建物业部广东广州510100 中南大学土木建筑学院湖南长沙410075

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... 详细信息

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。

关键词：加筋土坡稳定性分析安全系数强度折减技术极限分析上限定理

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锚杆与抗滑桩协同作用下的边坡稳定性研究

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公路工程 2016年第3期41卷 187-192页

作者：杨开业湖南省交通科学研究院湖南长沙410015

自然状态下边坡稳定性较差,滑塌失稳时常发生,常需要进行加固处理。因此,通过构建二级边坡滑塌失稳模式,运用极限分析上限法与强度折减技术推导了给定安全系数条件下的抗滑桩侧有效抗力表达式。并探究了锚杆分布形式、抗滑桩位置及桩身... 详细信息

自然状态下边坡稳定性较差,滑塌失稳时常发生,常需要进行加固处理。因此,通过构建二级边坡滑塌失稳模式,运用极限分析上限法与强度折减技术推导了给定安全系数条件下的抗滑桩侧有效抗力表达式。并探究了锚杆分布形式、抗滑桩位置及桩身抗力分布模式对桩侧有效抗力的影响规律。研究结果对边坡的设计和施工具有一定的借鉴意义。最后,采用数值模拟方法对邵坪高速边坡加固方法的有效性进行了对比验证。

关键词：边坡失稳与加固锚杆抗滑桩极限分析强度折减技术数值模拟

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