基于Drucker-Prager准则的边坡安全系数定义及其转换

探讨了基于D-P(Drucker-Prager)准则的边坡稳定安全系数定义形式,提出了各D-P准则之间的安全系数转换关系,并据此建立了基于D-P准则的边坡稳定安全系数与传统莫尔–库仑准则条件下安全系数的关系表达式。目前,ANSYS有限元软件采用的岩土材料屈服准则为莫尔–库仑六边形外接圆D-P准则,在利用有限元强度折减法计算边坡稳定安全系数时,可以先求出外接圆D-P准则条件下的安全系数,然后利用所提出的安全系数转换公式就可直接计算出各D-P准则条件下的安全系数。对于平面应变条件下的强度问题,平面应变莫尔–库仑匹配D-P准则(分关联和非关联两种情况)与莫尔–库仑准则等效,因此,通过转换就可以在ANSYS程序中实现莫尔–库仑准则,而不需要进行二次开发。这样就解决了基于D-P准则的有限元强度折减安全系数与传统工程中采用的安全系数(基于莫尔–库仑准则)间的接轨问题。大量算例结果表明:在平面应变条件下采用平面应变莫尔–库仑匹配D-P准则求得的安全系数与传统极限平衡条分法中用Spencer法求得的安全系数非常接近,且误差在1%～2%,已经具有相当高的计算精度,也同时证明所提出的方法是可行的。     

有限元强度折减法在三维边坡中的应用研究

边坡稳定性评价,特别是对具有复杂几何特征的边坡,应作为三维问题来处理。作者将强度折减法应用于三维边坡稳定性分析中,通过三个典型的工程算例对几种常用的屈服准则进行比较,证明了在三维情况下采用莫尔-库仑等面积圆屈服准则代替莫尔-库仑准则是可行的。     

基于FLAC3D的空间滑动面准则计算格式与实现

 通过求解一元三次方程得出塑性因子 ,推导空间滑动面(SMP)准则在FLAC3D中的计算格式。基于FALC3D提供的二次开发平台,通过编制C++代码形成dll文件,将SMP准则导入FLAC3D中,实现在FALC3D软件中SMP准则的二次开发,并给出编程基本过程。通过进行真三轴数值试验、厚壁圆筒受内压的解析解与数值解的对比、边坡稳定性的计算验证模型开发的可行性。分别采用莫尔–库仑准则和SMP准则分析一边坡稳定性,得出SMP准则与莫尔–库仑准则计算边坡稳定有相似的破坏过程,由于SMP准则考虑了中间主应力对材料屈服面的影响,前者的安全系数高于后者;在相同折减系数下,边坡的塑性区和位移量均小于莫尔–库仑准则计算的结果。     

基于有限元强度折减法的边坡稳定性分析

采用强度折减法,根据基于摩尔-库仑屈服准则的广义米塞斯屈服准则（D—P准则）,通过前后处理软件,对边坡稳定性进行非线性有限元分析。综合考虑土体参数的变化和边坡边界条件的特点,从计算结果中分析边坡的位移,变形及其塑性发展趋势,从而可以得出安全系数。结果表明：强度折减法分析边坡稳定性时,不但能够得到边坡的安全系数,而且能够确定最危险滑移面。     

基于ANSYS的边坡稳定性强度折减有限元分析

介绍了一种基于有限元强度折减法的边坡稳定性分析方法,讨论了该方法的基本原理、安全系数的物理意义、屈服准则和流动法则的选用及边坡破坏的判据等。算例通过不断折减边坡强度参数,代入有限元程序进行边坡稳定性计算,直至计算不收敛时的折减系数即为边坡的安全系数。结果表明：随着折减系数的不断增大并达到某一数值时,边坡内塑性应变自坡底向坡顶逐渐贯通,边坡达到极限状态,此时的折减系数即为安全系数,有限元强度折减法对边坡稳定性分析具有良好的适用性。     

有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用

通过有限元强度折减，使边坡达到破坏状态时，滑动面上的位移将产生突变，产生很大的且无限制的塑性流动，有限元程序无法从有限元方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力．应变关系和强度准则的解，此时不管是从力的收敛标准，还是从位移的收敛标准来判断有限元计算都不收敛，因此采用力和位移的收敛标准作为边坡破坏的判据是合理的。对有限元强度折减法的计算精度和影响因素进行了详细分析，包括屈服准则、流动法则、有限元模型本身以及计算参数对安全系数计算精度的影响，并给出了提高计算精度的具体措施。研究表明：采用徐干成、郑颖人(1990年)提出的摩尔一库仑等面积圆屈服准则求得的稳定安全系数与传统Spencer法的误差在5％左右，证实了其实用于工程的可行性。在平面应变条件下则可采用摩尔匹配DP准则。该文还将此法应用于岩质边坡的稳定分析，得到了岩质边坡的滑动面和安全系数，开创了求节理岩质边坡滑动面与稳定安全系数的先例。     

页岩路堑边坡稳定性的有限元强度折减法分析

采用理想弹塑性本构模型和 Drucker-Prager 准则,建立了页岩路堑边坡的有限元法数值计算模型;利用有限元分析结果,提出了采用强度折减法原理计算边坡的稳定安全系数的方法。通过对岩石进行强度折减,当边坡达到不稳定状态时,有限元计算将不收敛,此时的折减系数就是边坡的安全系数。该法不仅可以较简便地分析出岩石边坡的稳定性安全系数,同时可以较直观地得到边坡破坏时的滑动面位置及形状。文中还针对某山区高速公路的典型页岩路堑高边坡进行稳定性分析和计算,为边坡的开挖和防护方案提出了参考性建议。     

边坡失稳机理的力学解释

从力学意义上对岩土体屈服破坏行为进行了分析,指出了摩尔-库仑剪切屈服准则在边坡稳定分析中存在的问题,分别采用摩尔-库仑屈服准则和张拉-剪切复合屈服准则对边坡内部最危险滑动面的形成机理进行了直观的解释,并以强度折减有限元法的实例分析进行了验证。大量滑坡事故现场踏勘和勘察表明,滑动面的实际情况常与张拉-剪切复合屈服准则的理论分析结果相吻合。     

土质边坡工程中德鲁克-普拉格破坏准则的运用

通过ANSYS软件和抗剪强度折减有限元法的结合,用等效面积的德鲁克-普拉格屈服准则如内角点的外接圆、内切圆、等面积圆、匹配圆等模型来对边坡工程的二维和三维状况进行模拟,得出不同折减系数下边坡中广义塑性应变的发展情况,三维稳定有限元分析比二维有限元更真实地反映边坡的稳定状况,验证了三维有限元分析得出的安全系数要大于二维分析得出的安全系数;基于等效面积的德鲁克-普拉格屈服准则的等面积圆模型的计算能更好地发挥材料的承载潜力,是二维与三维边坡稳定数值模拟较理想的弹塑性模型。同时探讨了剪胀角对边坡稳定性的影响。     

非均质边坡强度折减法折减范围研究

目前强度折减法分析边坡稳定的研究多针对均质简单边坡,而当涉及到非均质边坡时,就存在选择局部区域还是选择所有区域进行强度折减的问题。以FLAC^3D为平台,基于计算收敛性准则利用内嵌FISH语言二次开发了能够自动搜索安全系数的整体强度折减代码和局部强度折减代码;结合特征点位移突变准则利用内嵌FISH语言二次开发了依据位移–折减系数曲线判定边坡安全系数的整体强度折减代码和局部强度折减代码;通过有关算例,验证了自编程序的有效性。在此基础上,针对一个非均质边坡分别按照整体强度折减与局部强度折减进行稳定性数值分析,研究表明,两者所得安全系数并不总是一致,整体强度折减法计算所得安全系数与极限平衡法计算结果较为一致,而局部强度折减法若不能合理选择折减区域则不能正确评价边坡的稳定性。因此,采用强度折减法对非均质边坡进行稳定性分析时,建议对整个模型都进行折减。     

Practical application of failure criteria in determining safe mud weight windows in drilling operations简

Wellbore instability is reported frequently as one of the most significant incidents during drilling operations. Analysis of wellbore instability includes estimation of formation mechanical properties and the state of in situ stresses. In this analysis, the only controllable parameter during drilling operation is the mud weight. If the mud weight is larger than anticipated, the mud will invade into the formation, causing tensile failure of the formation. On the other hand, a lower mud weight can result in shear failures of rock, which is known as borehole breakouts. To predict the potential for failures around the wellbore during drilling, one should use a failure criterion to compare the rock strength against induced tangential stresses around the wellbore at a given mud pressure. The Mohr–Coulomb failure criterion is one of the commonly accepted criteria for estimation of rock strength at a given state of stress. However, the use of other criteria has been debated in the literature. In this paper, Mohr–Coulomb, Hoek–Brown and Mogi–Coulomb failure criteria were used to estimate the potential rock failure around a wellbore located in an onshore field of Iran. The log based analysis was used to estimate rock mechanical properties of formations and state of stresses. The results indicated that amongst different failure criteria, the Mohr–Coulomb criterion underestimates the highest mud pressure required to avoid breakouts around the wellbore. It also predicts a lower fracture gradient pressure. In addition, it was found that the results obtained from Mogi–Coulomb criterion yield a better comparison with breakouts observed from the caliper logs than that of Hoek–Brown criterion. It was concluded that the Mogi–Coulomb criterion is a better failure criterion as it considers the effect of the intermediate principal stress component in the failure analysis.     

隧道进洞段围岩安全性定量评价方法与应用

针对隧道修建过程中进洞段围岩稳定性相对较差的问题,基于Mohr-Coulomb屈服准则建立单元点安全系数定量计算方法,用于评估隧道洞口段的安全稳定性。该点安全系数计算方法基本原理是通过计算一点的应力Mohr圆到材料强度特征线的距离获得。西气东输二线工程二妹顶山隧道进洞段分步开挖过程中,对洞口段岩体的点安全系数演化过程的分析和对围岩支护参数的优化设计实践表明,该方法不仅可以方便地评价隧道洞口段的稳定性,还可为隧道洞口段围岩支护设计提供科学参考。     

基于极限平衡理论的局部最小安全系数法

根据极限平衡原理和Mohr Coulomb破坏准则 ,应用最优控制理论思想 ,并充分考虑运动许可条件 ,建立了能同时确定边坡临界滑动面和计算最小安全系数的局部最小安全系数法。该法既满足条块力和力矩的平衡 ,又符合边坡稳定问题的物理本质 ;既能保证所求解是运动许可的 ,又能保证不出现数值计算上的困难 ;不但可以确定临界滑动面和计算对应的最小安全系数 ,又可以确定条底及条块界面上法向力的作用点 ,从而消除了以往利用极限平衡法进行边坡稳定分析时对临界滑动面的形状以及条底和条块界面上法向力的作用点的人为假定。算例计算比较表明 ,本文所给方法是合理可靠的。     

LSSVM-based approach for refining soil failure criteria and calculating safety factor of slopes

The failure criteria of practical soil mass are very complex, and have significant influence on the safety factor of slope stability. The Coulomb strength criterion and the power-law failure criterion are classically simplified. Each one has limited applicability owing to the noticeable difference between calculated predictions and actual results in some cases. In the work reported here, an analysis method based on the least square support vector machine (LSSVM), a machine learning model, is purposefully provided to establish a complex nonlinear failure criterion via iteration computation based on strength test data of the soil, which is of more extensive applicability to many problems of slope stability. In particular, three evaluation indexes including coefficient of determination, mean absolute percentage error, and mean square error indicate that fitting precision of the machine learning-based failure criterion is better than those of the linear Coulomb criterion and nonlinear power-law criterion. Based on the proposed LSSVM approach to determine the failure criterion, the limit equilibrium method can be used to calculate the safety factor of three-dimensional slope stability. Analysis of results of the safety factor of two three-dimensional homogeneous slopes shows that the maximum relative errors between the proposed approach and the linear failure criterion-based method and the power-law failure criterion-based method are about 12% and 7%, respectively.     

大理岩卸围压幂函数型Mohr强度特性研究

 对大理岩进行三轴试验和峰前、峰后卸围压试验。研究结果表明：直线型Mohr-Coulomb强度准则不能很好地反映大理岩峰前、峰后卸围压的强度特征;提出非线性Mohr强度准则——幂函数型Mohr强度准则;推导并做出了其在p平面上的屈服曲线,与Mohr-Coulomb强度准则在p平面上的屈服曲线进行比较。研究结果表明,幂函数型Mohr强度准则比直线型Mohr-Coulomb强度准则能更好地描述大理岩的强度特征。     

基于流形的结构体破坏分析

在原有流形方法的基础上增加了模拟多裂隙结构体的破坏及跟踪裂缝扩展的功能,对于含有大量节理裂隙的结构,采用传统的摩尔－库仑准则,允许裂缝不仅沿原有的不连续面扩展,而且可以穿过完整介质,导致结构体的破坏,对于单条裂缝的扩展,用作者开发的二阶流形法与局部子域边界元法（BEM）相结合,可精确地求出缝端应力强度因子,并模拟裂缝的扩展,在这一方法中,所模拟裂缝不受网格限制,可沿任意方向扩展,给出了几个算例说明了该模拟方法的合理性。     

2D tunneling chart from redistributed 3D principal stress path

The redistributed 3D principal stress path and safety assessment for tunneling are investigated in this paper. Numerical simulations of tunneling were performed, leading to integration of principal stress space with Mohr–Coulomb failure criterion. Different rounds have different three-dimensional redistributed stress within their individual deviatoric planes. These planes cannot be superimposed, making their comparison difficult. However, deviatoric planes representing rounds can be combined one normalized plane whereupon the stress path is plotted, allowing comparison with the cycles. A way creating the normalized deviatoric plane, with stress path therein representing the cycles, is proposed and demonstrated herein. This way clearly delivers the 3D redistributed stress path into a 2D tunneling chart and facilitates to evaluate the tunneling safety.     

扩展广义Drucker-Prager屈服准则在边坡稳定分析中的应用

对边坡稳定问题进行严格的理论分析通常采用极限分析上界法 ,此法认为土体的塑流遵守关联流动法则 (ψ =φ)并满足理想弹塑性条件 ,其局限性主要表现在 :求得的剪胀值远远超过实验测得的剪胀值。然而如果采用传统意义上的非关联流动法则(ψ =0 ) ,即完全不计体积变形 ,则剪胀对土工结构稳定性的重要影响又会被忽略。因此为了更好地描述土体的变形特性 ,应采用广义上的非关联流动法则 (ψ≠ φ)。基于有限元分析 ,推导了平面应变条件下基于非关联流动法则的Drucker Prager屈服准则 ,该准则与摩尔 -库仑屈服准则匹配 ,并能够考虑剪胀角的影响。算例分析表明 :基于文中D -P屈服准则的有限元分析与相同条件下塑性极限分析所得结果相近 ,误差在 3 %左右。由此不仅可以证明本文方法的正确性 ,且因采用了D -P准则表达形式 ,只需进行简单的参数转换 ,就可方便地引入现有有限元计算程序     

钢桁架梁桥结构两层面承载力分析和优化

基于弹性模量缩减法建立了钢桁架梁桥构件安全系数和结构整体安全系数的便捷计算方法,进而提出了结构两层面安全分析和优化方法。首先引入广义屈服准则考虑组合内力作用,根据能量守恒原则确定单元弹性模量缩减策略,利用线弹性有限元法开展迭代计算,求得各迭代步单元承载比,利用迭代首步和末步结果分别确定钢桁架梁桥构件层面和结构层面的安全系数,根据迭代过程各单元承载比的变化,识别高承载构件和低承载构件,据此开展钢桁架梁桥两层面安全分析。结合两层面安全系数之间的定量关系,通过调整高承载和低承载构件的截面强度,使钢桁架梁桥的承载状态和材料消耗得到优化。算例分析表明,该方法具有较高的计算精度,而且能够通过线弹性方法实现复杂结构的安全分析与结构优化,避免了繁琐的非线性分析和优化计算过程。