一个新的非圆弧滑动全局最优化算法

提出了一种新的非圆弧滑动边坡稳定分析算法,该算法直接建立在条分法的基础上。滑坡体被离散成一系列的土条之后,滑动面变成由这些土条的节点来控制。该算法的实质是随机移动这些节点,用非数值的方法如模拟退火法使滑动面的移动向潜在的最危险滑动面移动。该算法不需要设定搜索范围,不需要假定滑面形状,能够自然算出复杂几何特征和材料特性真实边坡下最危险滑动面的形状。同时由于变换过程的局部性,计算效率大为提高。计算结果表明,该算法准确找到了全局最优解,并验证了在某些情况下滑动面为圆弧状或分段直线状,或其组合形式。     

边坡非圆弧临界滑动面的粒子群优化算法

采用粒子群优化算法搜索边坡的临界滑动面及其对应的最小安全系数。粒子群优化算法不断迭代更新试算滑动面，使其安全系数不断减小，经过有限次的迭代分析可确定边坡临界滑动面及其对应的全局最小安全系数。粒子群优化算法具有较好的全局搜索和局部搜索能力，可克服多数常规的优化方法易陷入安全系数局部极小的问题，并具有较高的搜索效率。同时，粒子群优化算法易于与极限平衡法或有限元-极限平衡法相结合进行边坡稳定分析。通过数值算例及与其他学者的结果比较，证明提出的确定边坡临界滑动面方法的有效性。     

土体结构极限承载力的有限元分析

 在平面应变条件下,采用增量加载有限元方法求解土体结构的极限承载力,以弹塑性有限元计算不收敛作为达到极限破坏状态的判别标准;在得到土体应力场的基础上,用有限元边坡稳定分析中的滑面应力分析法验算土体结构在达到极限破坏状态时安全系数是否趋近于1.0,同时搜索相应的临界滑动面,与增量加载直到土体结构破坏获得的滑动面比较,并分析二者与经典Prandtl解破坏机构的差异。计算结果表明：屈服准则的选取对计算结果的影响很大,对于无自重的边坡和地基,在非关联流动法则下采用 Mohr-Coulomb 匹配圆准则或者在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,所得到的结果与经典Prandtl解相近;但是在非关联流动法则下采用Mohr-Coulomb匹配圆准则得到的滑动面与经典Prandtl解破坏机构不一致,极限状态下的安全系数也不为1.0;在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb 内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面相近,与经典Prandtl解破坏机构一致,同时在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0。对于有自重的边坡,同样在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面一致,在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0,说明此屈服准则下求得的极限承载力是土体结构严格意义上的真正的承载力。     

土体结构极限承载力的有限元分析

在平面应变条件下,采用增量加载有限元方法求解土体结构的极限承载力,以弹塑性有限元计算不收敛作为达到极限破坏状态的判别标准;在得到土体应力场的基础上,用有限元边坡稳定分析中的滑面应力分析法验算土体结构在达到极限破坏状态时安全系数是否趋近于1.0,同时搜索相应的临界滑动面,与增量加载直到土体结构破坏获得的滑动面比较,并分析二者与经典Prandtl解破坏机构的差异。计算结果表明：屈服准则的选取对计算结果的影响很大,对于无自重的边坡和地基,在非关联流动法则下采用Mohr-Coulomb匹配圆准则或者在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,所得到的结果与经典Prandtl解相近;但是在非关联流动法则下采用Mohr-Coulomb匹配圆准则得到的滑动面与经典Prandtl解破坏机构不一致,极限状态下的安全系数也不为1.0;在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面相近,与经典Prandtl解破坏机构一致,同时在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0。对于有自重的边坡,同样在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面一致,在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0,说明此屈服准则下求得的极限承载力是土体结构严格意义上的真正的承载力。     

利用交替变度量法搜索边坡临界滑动面

在边坡工程中,如何准确、迅速地确定临界滑动面是治理边坡的关键问题。但传统极限平衡法存在准确性难以保证、搜索法工作量大和搜索中易陷入局部最小值陷阱等问题。提出了搜索边坡临界滑动面的交替变度量法,结合有限元强度折减法确定初始滑动面,采用均质典型算例进行分析,与常用的传统极限平衡法计算结果进行比较,验证了该方法的有效性和高效性。     

大坝边坡概率最危险滑面搜索的一种算法

在大坝边坡稳定性分析中,如果把岩体参数都作为定值来处理,可以通过计算最小安全系数来搜索到边坡的一个最危险滑面,称之为确定性最危险滑面。若把岩体参数作为随机变量来处理,通过计算最小可靠指标也可以搜索到另外一个最危险滑面,称之为概率最危险滑面。许多学者在研究中把这两个滑面作为一个面来处理,但实际工程中这两个面却不一致,通过对岩体不确定力学参数进行合理的组合及弱化,研究了这两个滑面之间的关系,提出了一种用计算安全系数来搜索概率最危险滑面的方法。并通过工程实例验证了该方法的可行性,结果表明:这是一种实用有效的搜索边坡概率最危险滑面的算法。     

基于矢量和方法的边坡稳定性分析中整体下滑趋势方向的探讨

矢量和分析方法是基于力是矢量这一基本概念的分析方法,其关键在于确定边坡真实应力分布状态及整体下滑趋势方向。在边坡一定的受力条件下,利用有限元方法得到边坡应力分布状态后,不同定义的下滑趋势方向就可以得到不同的边坡滑面位置及其对应的矢量和法安全系数,通过分析,提出了3种确定整体下滑趋势方向的方法并分别对固定滑面、非固定滑面及均质边坡圆弧滑面的搜索等进行了探讨,计算结果表明:由潜在滑面各点极限抗滑能力确定的边坡整体下滑趋势方向在临界滑面位置的搜索方面是合理的。最后给出了边坡矢量和分析方法平面问题与三维问题安全系数的统一表达式,公式简洁,容易编制程序并容易被工程技术人员掌握和应用。因此该方法在工程实践中有望得到广泛的应用。     

边坡内置软弱结构滑动面搜索方法及应用研究

针对边坡内置软弱结构面直接控制着边坡临界滑动面的位置和几何形状,并影响边坡稳定性分析结果的问题,提出了单纯形—有限随机追踪法,并结合工程实例,介绍了该方法搜索滑动面的过程,指出其可有效搜索得到内置软弱结构面边坡滑动面位置,并可在反映工程地质条件的基础上得出可靠的计算结果。     

蒙特卡洛法与有限元相结合分析边坡稳定性

蒙特卡洛随机搜索法与弹塑性有限元法结合,求解边坡稳定问题。根据有限元分析的应力和孔隙水压力结果计算给定滑动面的安全系数。利用随机走步法不断更新试算滑动面,使其安全系数不断减小。通过比较一定数量的试算滑动面,确定边坡临界滑动面及其对应的最小安全系数。本方法通过随机搜索克服了大多数常规优化方法易陷入安全系数局部极小的问题。同时,本方法利用有限元法分析的应力和孔隙水压力结果,按有效应力法计算边坡安全系数,可分析施工过程中应力和孔隙水压力变化对边坡最小安全系数的影响。数值算例分析说明了所提出的确定边坡临界滑动面的方法的有效性和优越性。     

某滑坡强度参数反演与稳定性分析

滑坡稳定分析时抗剪强度参数的选取对稳定性判断有决定性作用。本文针对有滑坡征兆的边坡,先利用地质力学分析初步判断边坡的安全系数,然后利用数值模拟获得应力场,再采用混沌粒子群优化算法搜索滑面,发展了基于滑坡征兆的边坡稳定分析方法,通过工程案例探讨了该方法的应用。结果表明:合理的安全系数假设与工况调查是进行稳定性反演的前提;采用极限平衡有限元方法计算边坡安全系数能够逼近地质判断结果、临界滑动面位置也基本一致,但由于采用变形协调方法计算应力场,滑面法向、切向力更加符合实际;采用所提方法分析工程实际时与现场勘察结果可相互对照分析,能令结果更为合理。     

基于应力场的土坡临界滑动面的蚂蚁算法搜索技术

在土坡应力场非线性有限元分析的研究基础上，将蚂蚁算法这一新的启发式人工智能型优化方法与土坡稳定性有限元分析方法相结合，探讨了基于有限元分析得出的土坡应力场所对应最小稳定安全系数的土坡任意形状临界滑动面的蚂蚁算法搜索技术，并通过分析算例说明这一技术的可行性。     

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。     

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。     

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.     

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。     

边坡开挖的有限元模拟和稳定性评价*

 对大甘坪粘土进行卸荷路径下的三轴试验,确定用于边坡开挖稳定分析的计算参数。对边坡开挖作非线性有限元分析,探讨边坡变形的大小和分布、塑性区的扩展形态、滑移面的形成、发展直至整体破坏的演变过程,以确定合理的滑移面位置。采用Janbu的普遍条分法计算边坡的安全系数,对边坡开挖的稳定性进行评价。