边坡稳定有限元可靠度分析的有限步长迭代法

边坡稳定一阶可靠度分析的常用方法是验算点法,该方法在求解可靠指标时需要进行迭代计算。但是,对于边坡稳定的有限元可靠度分析,其功能函数形式常为高度非线性的,采用常规的验算点法可能会出现迭代计算不收敛、无法计算可靠指标的问题。将结构可靠度分析中的有限步长迭代法引入边坡稳定的有限元可靠分析,探讨有限步长迭代法中初始步长及步长调整系数的取值方法。在边坡的可靠指标计算方面,采用以基于滑面应力分析的弹塑性随机有限元理论为基础的方法。其中功能函数的形式是以考虑滑面方向的Mohr-Coulomb屈服准则来建立的;导数的求解采用的是基于增量切线刚度法及Aitken加速算法的偏微分法;边坡整体可靠指标取的是所有可能滑面的可靠指标的最小值。算例分析表明,将有限步长迭代法用于边坡稳定的有限元可靠度分析是可行的,该方法可保证在功能函数为高度非线性时可靠指标的迭代计算也能收敛,而且收敛速度较快,从而大大提高有限元可靠分析的计算速度。     

边坡的弹塑性有限元可靠度分析

以弹塑性有限元理论和可靠度理论为基础,基于偏微分技术及增量初应力法,对采用Mohr-Coulomb屈服准则的边坡土体进行了弹塑性随机有限元可靠度分析,比较了基于强度折减法和基于滑面应力分析的弹塑性随机有限元分析法的异同:前者编程简单,可利用现有大型有限元计算软件计算边坡的整体可靠指标,但不能确定边坡中相应的潜在滑动面的位置,计算量较大,运算速度较慢;后者可以同时求出边坡的整体可靠指标及潜在滑动面的位置,运算速度快,但编程复杂。文中还研究了基于滑面应力分析的弹塑性随机有限元可靠度分析方法中滑面可靠指标的4种计算方法,比较了不同功能函数形式对边坡可靠指标及滑面位置的影响,指出采用考虑滑面方向的功能函数形式来求解可靠指标的方法3与基于强度折减法的可靠度分析本质相同,较为合理。     

边坡稳定的非线性随机有限元加速收敛算法的研究

基于滑面应力分析的边坡稳定随机有限元可靠度分析方法,边坡整体可靠指标的求解包含多重循环,如可靠指标的迭代求解循环、非线性随机有限元迭代求解循环、滑面最小可靠指标的搜索循环等。因此,改进非线性随机有限元的迭代计算方法、减少其迭代计算次数对于提高整个程序的运行速度具有重要意义。本文以增量切线刚度法为基础,详细推导了基于修正的Aitken加速法的非线性随机有限元加速迭代公式,并将之应用于边坡稳定的可靠度分析。其中,可靠指标的迭代求解方法是有限步长迭代法。算例表明,本文方法合理可行;采用加速算法可明显减少随机有限元的迭代次数,加速程序的运行效率;若中心点法与有限步长迭代法所求的可靠指标值相差较大,则其对应的滑面位置也相差较大;反之,若中心点法与有限步长迭代法所求的可靠指标值很接近,则其对应的滑面位置也基本一致。     

边坡稳定的有限元可靠度计算及敏感性分析

假定边坡岩土体为满足Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性体,以基于滑面应力分析的弹塑性随机有限元理论为基础,采用增量初应力法及偏微分技术,求解边坡体中的应力以及应力对基本变量的导数;建立考虑滑面方向的功能函数,基于一阶可靠性分析方法,对整个边坡的可靠度进行分析,计算边坡的整体可靠指标,为边坡的稳定性评价及防治提供重要依据。由于边坡稳定的有限元可靠度计算工作量较大,故应进行参数的敏感性分析。推导基本变量相关时在原始空间中求解可靠指标对参数敏感性的计算公式,其优点是无需求解转换矩阵,计算更加简单直接。考虑到基本变量的单位不同,提出可靠指标对随机变量分布参数的相对敏感性分析计算公式,并将之用于边坡稳定的有限元可靠度分析。算例分析结果表明：该方法与基于有限元强度折减法得出的可靠指标基本一致;一阶可靠性方法所求可靠指标比均值一阶可靠性方法的稍大;参数c,φ对可靠指标的相对影响比其他参数的影响要大得多;随着c,φ间负相关系数的增加,其对可靠指标的影响也相应增加。     

边坡可靠性评价的向量投影响应面研究及应用

岩土体的力学参数存在一定的随机性,当进行边坡稳定可靠性评价时,当功能函数不能用显式表达时,响应面法成为计算可靠度指标的重要方法。将向量投影响应面法与有限元强度折减法相结合,研究隐式功能函数边坡工程稳定可靠度计算方法。首先利用强度折减法结果拟合稳定系数计算方程从而代替隐式方程,并建立极限状态方程,然后进行向量投影以确定展开点和抽样点,进行近似方程的拟合、验算点和可靠度指标的计算,直到计算达到收敛。通过与不同计算方法进行对比,表明区别于通常以插值点为中心展开生成样本点的向量投影取样法的准确性和合理性,该方法可使可靠性分析次数显著减少,改善了对非线性程度较高的极限功能函数求解可靠指标的收敛性。同时,将该方法应用于杭兰高速公路大水田边坡的稳定可靠性分析当中。     

一种新的边坡稳定性因素敏感性分析方法——可靠度分析方法

传统的边坡稳定性因素敏感性分析方法基于确定性计算,仅能得到边坡稳定性对各变量的敏感性大小,无法获得边坡稳定性对不同滑面位置上的同一岩土参数的敏感性。在可靠度分析基础上提出一种新的边坡稳定性因素敏感性分析方法——可靠度分析方法,该方法采用随机场模型来描述边坡滑面上岩土参数的空间变异性,通过验算点法优化求解实现,分析结果可得到边坡的最小可靠指标、概率临界滑面、参数敏感性因子在临界滑面上的分布曲线。研究结果表明,敏感性因子分布曲线随边坡尺度和岩土参数波动范围的相对大小变化而变化,根据边坡可靠度指标在临界滑面上的不同位置上的敏感性因子,可对边坡加固位置提出设计改进,将有限的加固措施加于敏感性因子较高的位置,能够更有效地提高边坡的稳定性,较之传统的边坡稳定性因素敏感性分析方法具有明显的优越性。     

同时考虑基本变量和极限状态模糊性的边坡模糊随机有限元可靠度分析

 基于边坡稳定有限元分析的滑面应力法,研究同时考虑基本变量模糊性和极限状态模糊性的边坡稳定模糊随机有限元可靠度分析方法。对于基本变量的模糊性,采用等价变换的方法将模糊变量等价变换为随机变量;对于极限状态的模糊性,基于概率积分法研究了模糊破坏概率及模糊随机可靠指标的求解方法。本方法既可求解边坡剖面上各有限单元的模糊随机可靠指标,亦可求解边坡整体最小可靠指标及临界滑面的位置;既可考虑基本变量的模糊性,又可考虑极限状态的模糊性,是常规的随机有限元可靠度分析方法的推广。当不考虑基本变量和极限状态的模糊性时,它即退化为随机有限元可靠度分析方法。     

基于径向基函数响应面法的岩质边坡可靠度分析

岩质边坡中存在多种变异性,需要进行岩质边坡的可靠度分析。将数值分析法与可靠度分析的响应面法相结合,进行了岩质边坡稳定的可靠度分析。利用径向基函数网络(RBFN)的全局适应能力强的特点,在响应面法中,以径向基函数网络为响应面函数,将隐式的功能函数显式化。通过对每个响应面新增一个样本点的方法进行样本点的生成及响应面的迭代,计算表明:基于径向基函数网络的响应面法具有较高的计算精度及效率,可以适用于基本变量数较多的可靠度分析问题;本文的边坡算例中,第2层岩体的强度参数对边坡的可靠指标影响最大,而其他参数对可靠指标的影响则相对较小。     

边坡稳定的模糊随机有限元可靠度分析

边坡工程中同时存模糊性与随机性,应进行边坡稳定的模糊随机可靠度分析。在边坡稳定的随机有限元可靠度分析的基础上,提出了边坡稳定的模糊随机有限元可靠度的敏感性分析方法,它可以利用随机有限元分析的相应程序,能同时考虑参数的模糊性与随机性,能同时求得边坡的模糊可靠指标及模糊滑面位置。该方法利用了随机有限元敏感性分析的结果,在模糊截集上只需进行两次随机有限元分析即可求得该截集上可靠指标的极值,因此计算效率较高。算例分析表明:随着参数变异系数的增加,边坡的模糊可靠指标明显减小;对于均质土坡,模糊滑面的位置相对集中,形成模糊滑带;对于非均质土坡,模糊滑面的位置受边坡破坏机理的影响,参数的微小变异可能导致滑面位置发生较大变化。     

基于FEM-ANN-MCS法的边坡工程可靠度分析

针对有限元蒙特卡罗法计算量大的弊端和边坡工程稳定功能函数不能显式表达的可靠度分析问题,文章提出了应用于边坡工程稳定可靠度分析的基于神经网络的随机有限元分析法的基本思路。神经网络具有高度非线性的映射能力,可用来逼近结构响应量与随机变量的映射关系。借助这种方法计算出边坡工程的可靠指标,并通过寻求失稳模式进行整体稳定可靠度分析。最后对一工程实例进行几种方法的计算分析,表明该方法用于边坡整体稳定可靠度分析是切实可行的,可供工程科学技术人员参考。