基于Python语言和Abaqus平台的边坡可靠度计算自动化算法开发

可靠度方法因其更符合边坡岩土体的非均匀性及失稳破坏的不确定性特征,受到科研及工程设计人员的重视。然而,目前没有成熟且能够用于可靠度分析的随机有限元软件,而跨平台的随机场生成和稳定性分析增加了可靠度分析的难度,从而限制了其推广应用。基于Python语言和Abaqus平台,开发了一套能自动计算边坡可靠度的随机有限元算法。在给定边坡几何参数及土体抗剪强度参数的均值、相关距离和变异系数前提下,利用该算法可自动实现非平稳随机场的离散及边坡失效概率的计算;该程序有效地解决了多种软件交互使用的稳定对接和子程序编写等难题;与经典的边坡算例进行对比,计算结果验证了该方法的可靠性。     

边坡随机场数字图像特征CNN深度学习及可靠度分析

考虑土体强度空间变异性,提出了数字图像化随机场特征深度学习模型并进行边坡稳定可靠度分析。通过Karhunen-Loeve展开法离散边坡土体随机场并将离散结果转化为数字图像,建立起随机场图像与边坡功能函数值之间隐式关系的卷积神经网络（CNN）代理模型,进而计算随机场数字图像表征后边坡的失效概率。在建立CNN代理模型时,采用拉丁超立方抽样、贝叶斯优化和五折交叉验证以提高精度。最后以单层不排水饱和黏土边坡和双层黏性土边坡为例说明了该方法的有效性。结果表明：在随机场高维表征图像化和边坡小概率失稳情况下,所提CNN深度学习模型能够比较精确地逼近真实边坡稳定性计算结果,进而显著提高考虑随机场模拟的边坡可靠度分析计算效率。     

考虑参数空间变异性的边坡可靠度分析非侵入式 随机有限元法

提出了考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度分析的非侵入式随机有限元法。采用Karhunen-Loeve级数展开方法表征土体抗剪强度参数空间变异性,其中通过wavelet-Galerkin技术求解Fredholm积分方程得到相关函数的特征解。基于有限元滑面应力法计算边坡安全系数,采用随机多项式展开将隐式函数表达的安全系数替换为显式函数表达的安全系数,并编写了计算程序NISFEM。研究了所提方法在考虑土体参数空间变异性的边坡稳定可靠度分析中的应用。结果表明：提出的非侵入式随机有限元法极大地提高了考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度分析的计算效率,为解决复杂边坡稳定可靠度问题提供了一条有效的途径。考虑抗剪强度参数空间变异性的边坡可靠度分析存在临界变异系数,其随边坡安全系数的增加而增大。当抗剪强度参数的变异系数小于临界变异系数时,忽略土体参数空间变异性将会高估边坡失效概率。当边坡安全系数小于1时,边坡失效概率并不总是随着抗剪强度变异系数的增加而增大。此外,土体黏聚力和内摩擦角随机场间相关性对边坡失效概率具有十分明显的影响。     

岩土体参数约束随机场解析模拟方法及边坡可靠度分析

约束随机场模型可充分利用有限的现场试验数据和监测资料等,较真实地表征岩土体参数空间变异性。提出岩土体参数二维各向异性约束随机场解析模拟方法,结合边坡可靠度分析给出计算流程,并基于2个钻孔的不排水抗剪强度现场试验数据建立约束随机场模型更新边坡可靠度评价。通过不排水饱和黏土边坡算例验证了提出方法的有效性,并探讨钻孔位置与钻孔布置方案对边坡可靠度的影响规律。结果表明:提出方法不仅可以充分利用有限的现场试验数据真实地表征岩土体参数空间变异性,而且所获得的岩土体参数约束随机场能够有效反映岩土体参数的均值和标准差沿埋深逐渐增加的内在特性,使得边坡可靠度评价结果更加接近工程实际。钻孔位置与钻孔布置方案对边坡可靠度均具有一定的影响,在坡趾附近区域钻孔取样获得的现场试验数据可对边坡可靠度评价提供更多的信息量。     

考虑旋转各向异性相关结构的黏土边坡稳定性分析

目前考虑土性参数空间变异性对边坡稳定性的研究主要集中在各向同性和横观各向同性相关结构方面,针对这一不足,开展了旋转各向异性相关结构对黏土边坡稳定性的影响研究。基于随机场理论,采用协方差矩阵分解法,建立旋转各向异性相关结构的随机场模型,与数值分析手段相结合进行边坡可靠度研究。结果表明:与横观各向同性相关结构相比,旋转各向异性相关结构对边坡稳定性的影响表现为两面性,并且这种两面性随各向异性系数的增加表现得越明显;随机分析中计算得到的安全系数均值小于确定性分析结果,安全系数变异系数也小于随机模型中不排水抗剪强度的变异系数;计算模拟得到了3种边坡滑面形式,其中坡底滑动所占比例最高。     

考虑自相关函数影响的边坡可靠度分析

自相关函数是表征岩土体参数空间变异性的重要参数,不同自相关函数对边坡可靠度影响程度还缺乏定量地评价。给出了基于乔列斯基分解中点法的相关非高斯随机场模拟步骤,统计了抗剪强度参数自相关长度的取值范围。在考虑土体抗剪强度参数间互相关性、变异性、黏聚力和内摩擦角取不同波动范围的基础上,以摩擦/黏性土坡可靠度问题为例研究了常用的5种自相关函数对边坡可靠度的影响。结果表明：基于乔列斯基分解中点法的相关非高斯随机场模拟计算过程简便,容易编程实现,可模拟任意几何形状的随机场分布,具有较高的计算精度和效率。在参数负相关性和垂直波动范围较大、变异性较小时,不同自相关函数得到的边坡可靠度结果差别较明显。当黏聚力和内摩擦角的垂直波动范围不同时,不同自相关函数对边坡可靠度的影响非常显著。高斯型、二阶自回归型和指数余弦型自相关函数产生的随机场分布光滑度和连续性较好,较为符合实际情况,它们能够有效地描述土体参数的空间自相关性。由这三种自相关函数计算得到的边坡可靠度结果偏小。基于指数型自相关函数的随机场分布波动性较大,连续性较差,计算的边坡可靠度偏大。     

基于二维随机场在圆弧曲线上局部平均化的边坡可靠度分析

土质参数随机场在边坡滑移面上局部平均后的"空间特性"值是控制边坡可靠性的主导因素。以边坡滑移面为圆弧为前提,基于随机场理论进行了公式推导,通过二维随机场在圆弧曲线上的一维局部平均得出了局部平均方差的计算式。以推导出的局部平均方差计算式为基础提出了适用于均质原状边坡的简便可靠度分析方法。方法首先通过少量确定性有限元分析经拟合得出极限状态曲线,然后经过一维局部平均方差计算边坡强度参数的"空间特性"统计指标,最后通过积分计算强度参数分布函数在极限状态曲线危险侧的面积得出边坡失稳概率。经与蒙特-卡罗随机有限元法进行对比表明,提出的基于二维随机场一维局部平均的边坡可靠度分析方法计算结果可靠,可为边坡可靠性分析提供一种新思路。     

土质边坡可靠性分析的分层非平稳随机场模型

在边坡稳定可靠度分析中使用较为广泛的土性参数平稳随机场模型,通常假设土性参数具有定值涨落尺度或相关长度。对于土壤类别差异较大、分层显著的边坡,尤其是存在局部软弱层的边坡,该模型无法有效模拟不同土层尤其是软弱层的影响。为此,针对由不同类别土壤构成的具有显著分层特性的土性边坡,建立了沿深度方向具有多涨落尺度的土性参数非平稳随机场模型。采用连续回归分析各层土性参数的均值变化函数与方差结构,利用指数相关函数构建非平稳随机场的协方差矩阵,建立了具有多涨落尺度的土性参数非平稳随机场模型,应用塑性极限分析方法,对一个实际工程边坡进行了稳定可靠性分析,研究了黏聚力、内摩擦角等强度参数的非平稳性对临界滑移面形状、位置以及边坡稳定可靠度的影响。分析结果表明,所建具有分层非平稳随机场模型,适于土性参数沿土体埋深呈明显分层特征的土质边坡,能有效反映局部软弱层对边坡稳定可靠性的影响,而平稳随机场模型或均值连续变化的非平稳随机场模型则适于由同一类型土壤构成的边坡。     

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。     

考虑不排水抗剪强度空间变异性的条形基础极限承载力随机分析

目前有关抗剪强度参数随深度变化对地基稳定性影响的研究还不深入。为此,提出了考虑土体不排水抗剪强度均值和标准差随深度变化的地基稳定性随机分析方法。建立了表征不排水抗剪强度空间变异性的不平稳随机场模型,采用Karhunen-Loeve（KL）展开离散随机场。探讨了土体不排水抗剪强度参数空间变异性对地基极限承载力的影响规律,并比较了不排水抗剪强度参数平稳和不平稳随机场模型对地基稳定的影响。以不排水黏性地基稳定随机分析问题为例验证了所提方法的有效性。结果表明：考虑不排水抗剪强度参数空间变异性时,地基极限承载力均值和标准差随相关距离的增大而增大,地基极限承载力对竖直向相关距离更为敏感。地基极限承载力均值随不排水抗剪强度变异系数的增加而减小,标准差随变异系数的增加而增加。不排水抗剪强度变异性对地基失效概率有明显的影响,安全系数较大时,不排水抗剪强度相关距离越小,地基失效概率越小。与不排水抗剪强度参数的不平稳随机场相比,不排水抗剪强度的平稳随机场模型会高估地基极限承载力的变异性,在相同的安全度水平下,当地基的安全系数较低时,平稳随机场模型会导致对地基失效概率的低估;当地基安全系数较高时,平稳随机场模型会导致对地基失效概率的高估。     

考虑地层变异性和土体参数变异性的边坡可靠度分析

现有边坡可靠度分析大多数只考虑土体参数的固有变异性,而忽略了地层变异性的影响。为此,提出了同时考虑地层变异性和土体参数固有变异性的边坡可靠度分析方法,利用耦合马尔可夫链模拟地层分布,采用基于乔列斯基分解的中点法离散土体参数随机场,采用有限元强度折减法计算边坡安全系数,通过蒙特卡洛法模拟进行边坡可靠度分析。利用澳大利亚珀斯市钻孔资料,以边坡可靠度问题为例阐明了同时考虑地层变异性和土体参数固有变异性的重要性,研究了钻孔布置方案对边坡可靠度的影响规律,结果表明:提出的方法能够有效地反映地层变异性和土体参数固有变异性对边坡可靠度的影响。当钻孔数目较少时,模拟的边坡土体类型分布与真实边坡土体类型分布相差较大,此时忽略地层变异性将导致边坡可靠度不精确的估计结果。钻孔布置方案对边坡失效概率和安全系数有明显的影响,钻孔应尽可能多的布置在边坡关键影响区域。边坡失效概率和安全系数统计量与钻孔数目并不呈单调关系,但是随着钻孔数目的增加,边坡失效概率和安全系数统计量逐渐收敛至"精确解"。     

黏土层基坑工程隆起分析之可靠度评估

评估都会地区深基坑工程施工,引致之地盘变位,往往是岩土工程师所必须面对的首要问题。结合蒙特卡罗法及有限单元法,称之为随机有限单元法,使得传统的有限单元分析可以考虑土壤本构模式材料参数的可靠度。利用台北盆地实际的深基坑工桯案例,探讨岩土材料变异性对支撑墙体最大侧向位移的影响。结果显示:随机有限单元法可以合理地评估,深基坑工程所引致的墙体最大侧向位移的发生机率。     

System Reliability of Slopes by RFEM

In a probabilistic slope stability analysis, the failure probability associated with the most critical slip surface (the one with the minimum reliability index) is known to be smaller than that for the system that comprises all potential slip surfaces. The first order reliability method (FORM) targets the minimum reliability index related to the critical slip surface, and thus cannot be used to predict the system reliability of slopes, except when all possible slip surfaces are perfectly correlated. It is shown in this paper that the random finite element method (RFEM), which uses elastoplastic finite elements combined with random field theory in a Monte-Carlo framework can accurately predict the system probability of failure (p_f) of slopes.     

基于模糊随机理论的边坡可靠度分析

边坡工程中同时存在模糊性和随机性,应进行边坡稳定的模糊随机可靠度分析。采用可靠度分析的蒙特卡罗法对土体参数进行随机抽样,并对样本值进行模糊随机处理,得到土体变异系数。考虑到变异系数的变化对边坡可靠度的影响,由程序计算得到不同变异系数对应的失效概率和可靠度指标。研究表明,进行边坡稳定分析时应综合考虑安全系数和可靠度指标,可靠度随土体变异系数的增大呈减小趋势。     

各向异性随机场下的边坡模糊随机可靠度分析

土性参数具有很大的空间变异性,且在水平方向和垂直方向上差异显著。基于随机变量模型的传统边坡模糊随机可靠度分析方法并未对此进行考虑。提出一种能合理考虑土性参数空间变异性的边坡模糊随机可靠度分析方法。首先,视黏聚力和内摩擦角的均值为正态模糊数,对其取不同的λ截集水平并在各截集水平上进行参数组合。其次,利用各向异性随机场模拟土性参数的空间变异性,将有限元法和Monte–Carlo模拟相结合,计算各参数组合对应的可靠度指标。再通过数学方法得到边坡在各截集水平上的可靠度指标。最后,运用加权平均法计算边坡的模糊随机可靠度指标。算例分析表明:与水平方向的空间变异性相比,垂直方向的空间变异性对边坡模糊随机可靠度的影响更为显著;不考虑土性参数的空间变异性在一般情况下会低估边坡的模糊随机可靠度指标,但在抗剪强度参数变异性较大时,反而可能会高估边坡的模糊随机可靠度指标;此外,黏聚力与内摩擦角之间的相关性对边坡失效概率的影响趋势基本不受土性参数空间变异性的干扰。     

降雨对北京奥林匹克森林公园主山稳定性的影响

基于非饱和土土力学中的饱和-非饱和渗流数学模型,通过模拟奥林匹克森林公园主山边坡因雨水入渗引起的瞬态渗流场,对土体中含水量、基质吸力的变化规律进行分析。在此基础上根据扩展Mohr-Coulomb破坏准则,采用极限平衡分析法对该边坡进行稳定性分析,进而得出边坡在降雨过程中不同时刻的安全系数。具体分析了不同降雨类型对非饱和土土坡渗流场分布、发展及其对土坡稳定性的影响。随后用概率方法对土性参数变异时山体稳定的可靠性给予分析。     

基于遗传算法的土坡三维可靠度分析

 边坡稳定分析的三维安全系数方法和三维可靠度分析方法一般均需人为给定一个与滑坡体宽度相关的参数或仅针对固定三维滑面进行分析计算。由于这样计算得到三维安全指标并不是最小值，因此难以反映边坡真正的安全度水平。引入随机场局部平均计算模型，考虑土性参数的空间相关性，边坡存在一个最小可靠指标对应的三维滑坡形态，这为采用优化方法进行土坡稳定三维可靠度分析奠定基础。对最小三维可靠度指标与三维临界滑面存在的缘由进行分析。遗传算法是一种优秀的全局寻优算法，可以有效解决边坡稳定分析临界滑面搜索问题。引入土性参数的空间相关模型，结合边坡稳定的三维简化毕肖普方法，直接以边坡稳定的三维可靠度指标为优化目标，建立基于遗传算法的边坡稳定三维可靠度分析方法。该方法无需滑坡宽度的假定，可以得到真正的边坡稳定三维可靠指标及对应的三维临界滑面。算例说明该方法的有效性。     

System reliability analysis of soil nail wall using random finite element method

Soil nail wall is a compound system which for safety margin determination, consideration of safety factors of its components and their correlations is required. In this paper, considering a real site using the random finite element method (RFEM), the reliability indices of global stability, lateral displacement stability, tensile strength, and pullout resistance stability as components of the soil nail wall system are obtained. In another section of the paper, using the sequential compounding method (SCM), the importance of the mentioned stability modes and their effects on system reliability and system probability of failure are represented. Results show that the most considerable interdependence is between the global and lateral displacement stabilities. Among the reliability indices of the components, the minimum one is attributed to the pullout resistance. Furthermore, the uppermost row of the nails has the most critical reliability index compared with the others. The locations of the slip surfaces and nail intersections varied from 0.05–0.90 of the nail length, which means that the uncertainty of the soil parameters has the most significant effect on the pullout resistance safety factor of the nails. The performance level of the soil nail wall decreases from below average to poor when the soil nail wall is considered to be a system with series components.