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。     

边坡稳定的非线性有限元可靠度分析方法研究

在分析和评价现有的边坡稳定性分析方法的基础上,综合岩土力学、弹塑性力学、非线性有限元方法、概率论与数理统计、可靠度数学及计算机科学等多学科知识,研究了边坡稳定非线性有限元可靠度分析的有关方法,推导了相关公式,并编制了相应的计算程序,进行了均质土坡及非均质土坡的可靠度分析.主要研究成果与结论如下:(1) 提出基于强度折减的边坡稳定有限元可靠度分析方法.此方法无需对各有限单元求单元的可靠指标,能一次性得出边坡的整体可靠指标;不需对定值法有限元分析程序作修改,无论是线性有限元问题还是非线性有限元问题都适用,因而方便易用、适用性广.(2) 基于增量初应力法及偏微分技术,研究了基于滑面应力分析的非线性有限元可靠度分析方法中边坡整体可靠指标及其对应滑面位置的求解方法,探讨了有限元分析中功能函数形式对计算结果的影响.在这种方法中,功能函数的形式对滑面可靠指标的影响很大,计算中应采用考虑滑面方向的函数形式作为功能函数,它能更好地反映滑面方向对边坡可靠指标的影响,物理概念明确.(3) 分析比较了上述两种方法的异同点:基于强度折减的有限元可靠度分析方法编程简单,可调用现有的定值法程序,但计算速度较慢;基于滑面应力分析的有限元可靠度分析方法编程复杂,需对现有的定值法分析程序进行较大修改,但计算速度较快,并且能得到边坡整体可靠指标对应的滑面位置;两种方法本质相同.(4) 针对当前响应面法中的一些不足之处,提出了一种改进的响应面法.其主要的计算分二步:一是用验算点法求解可靠指标及验算点的位置,二是在此验算点处进行响应面的拟合,并对此响应面函数用常规的可靠度分析方法求解相应的可靠指标.该方法在计算精度及效率上比常用的基于响应面迭代的响应面法有所提高.(5) 研究边坡有限元可靠度分析中的敏感性计算方法,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,提出进行参数的相对敏感性分析方法及公式.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优点是无需求解转换矩阵,计算更加简单直接;对参数进行相对敏感性分析能剔除变量的单位对计算结果的干扰,敏感性分析的结果更具有可比性.(6) 研究结果既考虑边坡的弹塑性材料非线性又考虑其大变形几何非线性:在小变形情况下,弹性模量对边坡的安全系数及可靠指标影响很小,在边坡稳定性分析时可以忽略其影响.但是当考虑土体中发生的大变形现象时,弹性模量对边坡安全系数及可靠指标影响很大,不能忽略不计.(7) 为提高非线性有限元程序的收敛性,基于常规有限元计算中的Aitken加速收敛算法,研究了基于增量切线刚度法的随机有限元分析中相应的加速收敛方法,推导了其计算公式.与不采用加速收敛算法的随机有限元相比较,此方法明显提高了有限元计算的收敛速度,提高了计算效率.(8) 研究了有限步长迭代法在边坡稳定有限元可靠度分析中的应用,分析了初始步长及步长控制系数对一阶可靠度分析中可靠指标迭代过程的影响,这种方法克服了常规验算点法中可能出现的可靠指标迭代不收敛的问题.     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于毕肖普模式的边坡稳定可靠度分析

引入数值求解方法，结合边坡稳定性分析方法中的毕肖普法，考虑土性参数的变异性和不确定性，详细论述了用常规可靠度计算方法中的JC法求解功能函数为隐函数的可靠度指标问题。     

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。     

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。     

基于模拟退火算法的边坡临界滑面搜索方法

 总结一般情况下滑动面应该满足的基本规律,这些规律在进行滑面优化时对临时产生的滑面起到约束作用。利用非线性有限元法得到坡内真实应力场,将模拟退火算法这一人工智能型非数值优化方法与边坡稳定的有限元方法相结合,探讨基于有限元分析方法的边坡最小安全系数及任意形状临界滑动面的搜索技术。针对临界滑面的搜索过程中,随机生成的初始滑面或试算滑面难以满足滑面几何约束条件这一缺陷,采用动态搜索域的概念,使变换过程局部化,计算效率大为提高。计算的结果表明：该算法找到全局最优解,并且真实再现某些情况下,圆形或其他非圆形式的临界滑动面。     

基于三维力学模型的大范围自然边坡稳定性概率评价方法

 为了对大范围自然边坡的滑坡危险度进行评价,利用GIS技术作为平台,把传统的三维极限平衡力学模型耦合到概率统计分析框架中,提出一个基于边坡单元的定量评价的新方法。在把大面积的研究区域划分为边坡单元后,采用一个基于GIS的三维力学模型计算每个边坡单元三维安全系数的分布。假定此分布遵从对数正态分布,再采用一个可靠性指标计算该分布中小于某临界值的概率,并以此来定量评价该边坡单元的整体滑坡危险度。此方法同时也可以求得各边坡单元的最危险滑动面的位置和规模。开发一个专业GIS系统来完成所有的计算分析步骤,本系统能够快速、高效地完成大量的三维建模与安全系数计算,综合了三维力学模型与概率统计方法的优点,实现了对地形地质条件复杂多变的大范围自然边坡的稳定性定量评价。通过对日本一国道边坡应用对本方法的有效性进行了验证。     

基于滑移线场理论的边坡滑裂面确定方法

发展了一套基于滑移线场理论,并根据有限单元法的计算结果来确定边坡滑裂面的数值模拟方法,在此基础上研究了流动法则对边坡稳定分析的影响。该方法可以考虑弹性区与塑性区的区别,并可以考虑不同的流动法则。给出了滑移线方向场数值模拟的具体方法和由滑移线方向场追踪滑移线的方法,提出安全系数最小的滑移线即为边坡的滑裂面。算例证明了方法的有效性。研究结果表明,对于无约束的天然边坡,自重作用下其安全系数受流动法则的影响较小,而滑裂面的位置随流动法则的不同而不同;当坡顶有荷载作用时,尤其是边坡的稳定性主要由坡顶荷载决定时,无论是安全系数还是滑裂面,流动法则的影响均很大,采用相关联流动法则可能会高估边坡的稳定性。     

边坡稳定性分析的改进条分法

本文利用极限分析和刚性有限元离散概念￣［１１］，提出了一种用于边坡稳定性分析的改进条分法。该方法利用优化技术直接调整条块间及滑裂面上的内力，使得对给定的滑裂面安全系数取最大值，而对各个不同的滑裂面寻求使安全系数为最小的滑裂面。对滑裂面的形状、条块间的内力之间的关系等不做任何假定，因此能更真实地反映边坡的实际稳定状态。     

边坡可靠性分析分步混合遗传算法

讨论了复杂边坡可靠性分析方法 ,建立了边坡可靠性分析统一的数学模型 ,提出了一种计算边坡最小可靠性指标和搜索临界滑动面的分步混合遗传算法 ,探讨了计算参数的相关性对可靠性指标的影响 ,揭示了基于最小安全系数下和基于最小可靠性指标下临界滑动面的不同一性     

基于边坡单元的三维滑坡灾害评价的GIS方法

利用一个新的基于地理信息系统(GIS)栅格单元的三维定量模型，并且以边坡单元(slope unit)作为研究对象，利用三维安全系数指标进行滑坡灾害的分区。假定初始滑动面为椭球体的下半弧面，滑坡的最危险滑动面通过Monte—Carlo模拟方法搜索最小三维安全系数的方法获得。本模型既可适应于单一土层，也可适应于多层地层的情况，还可考虑地下水和不连续面的影响。所有的计算过程和数据结果显示均在一个名为3DSLOPEGIS的系统内完成。在该系统中，使用一个GIS组件来实现所有的GIS功能和空间分析功能。     

基于无记忆最小二乘似牛顿法的边坡稳定性分析

在基于圆弧滑动面假定的边坡稳定性分析中，应用无记忆最小二乘拟牛顿法搜索边坡最危险滑动面及相应的最小安全系数，作滑动面搜索时不必给定圆心搜索范围，由最优化方法自动地搜索出最危险的滑动面，从而提高了边坡稳定性分析的可靠性。该方法还可用于其他优化问题，它不必记忆迭代矩阵，大大地减少了贮存量，提高了计算效率。     

非平稳随机场下饱和渗透系数空间变异性的无限长边坡稳定概率分析

土体饱和渗透系数表现为天然的空间强变异性,其均值通常沿土层深度方向呈递减趋势,但目前鲜有文献考虑这一特性。为此,以FLAC为平台,利用fish语言基于局部平均法建立了表征土体饱和渗透系数均值随深度递减的一维非平稳随机场模型,采用FLAC两相流模块模拟雨水的入渗过程,以蒙特卡罗法为框架,结合考虑正孔隙水压力的广义有效应力无限边坡稳定模型,探讨了饱和渗透系数空间变异性在不同降雨时刻下对边坡最危险滑裂面分布规律以及相应的边坡破坏概率的影响。结果表明：忽略饱和渗透系数的空间变异性的确定分析方法将不能真实反映边坡的安全性;随着降雨持时的增加,边坡最危险滑裂面发生在坡底基岩处的概率逐渐降低;随着饱和渗透系数竖向相关距离的增加,边坡最危险滑裂面发生在坡底的概率逐渐增加,而相应的边坡破坏概率却随竖向相关距离的增加而逐渐降低。     

关于有限元边坡稳定性分析中安全系数的定义问题

在边坡稳定性分析的极限平衡法中存在3种安全系数的定义:定义1将安全系数定义为剪切强度比剪应力;定义2将安全系数定义为强度储备系数,当土体抗剪强度除以安全系数后,边坡将处于临界平衡状态;定义3将安全系数定义为沿某一特定滑面的抗滑力比滑动力。讨论了定义3与定义1之间的关系,给出了在进行有限元边坡稳定性分析时确定对应于定义3和定义2的临界滑面的统一算法,最后通过算例证明了一般情况下基于定义3所求得的安全系数和临界滑面不同于基于定义2所求得的结果,同时指出基于定义3的计算结果会表现出一些不合理的现象。