Drucker-Prager系列屈服准则在稳定分析中的应用研究

Drucker-Prager(D-P)系列屈服准则作为Mohr-Coulomb(M-C)准则的修正模型在岩土工程中得到了广泛应用.然而采用不同的D-P系列屈服准则可能会得到差距较大的结果,文中对不同D-P系列屈服准则进行了比较系统的比较,指出了D-P系列屈服准则相互之间的关系,揭示了准则的物理意义,给出了不同准则之间的转换公式,论证了准则转换强度折减的本质,进而提出了一种在D-P系列屈服准则间进行边坡安全系数转换的新方法.采用ANSYS软件通过算例分析,对比不同D-P准则计算结果,得出了一些有益的结论,数值分析结果有力地验证了本文有关理论的正确性.     

论D-P系列强度准则边坡安全系数的转换本质

在岩土工程边坡稳定性分析中,Drucker-Prager系列强度准则因克服Mohr-Coulomb准则在数值计算方面的不足,而有着较大的工程应用价值。大型有限元软件ANSYS、ABAQUS等采用的材料屈服准则均为M-C六边形外角点外接圆D-P准则。在利用有限元强度折减法分析边坡稳定性时,由外角点外接圆D-P准则计算出的安全系数利用转换公式即可得到其他D-P准则下的安全系数,因此研究D-P系列准则间的一系列安全系数转换公式具有重大意义。许多学者就D-P系列强度准则之间的转换关系推导出不同的安全系数转换公式,对其进行了比较分析,论证了安全系数的转换本质;并提出一种安全系数转换的新方法,得到了D-P系列强度准则的安全系数之间转换的统一表达式,并通过算例验证该公式的正确性。     

基于M-C等面积圆屈服准则的岩土混合边坡稳定分析

针对有限元软件基于外角外接圆D-P准则计算边坡稳定安全系数偏大的问题,采用M-C等面积圆屈服准则进行改进,推导了二者计算安全系数的关系.基于M-C等面积圆屈服准则计算岩土混合边坡,计算前对输入的土质和岩质的黏聚力及内摩擦角进行转换,结果表明,计算安全系数与Morgenstern-Price法得到的结果较为接近,并且塑性区与滑动面形状近似,表明了M-C等面积圆屈服准则在分析岩土混合边坡稳定问题是可行的.分析发现,岩土混合边坡安全系数随土质黏聚力和内摩擦角正切值的减少而减少,并且塑性区形状保持不变.     

一个新的D-P类准则及其应用

基于Mohr Coulomb(M-C)准则及平面应变条件，建立了非关联流动法则的D-P准则.该准则引入了塑性体积应变，所求的塑性体积应变增量和M-C准则相等，在π平面上，当应力罗德角小于零时，建议的D-P准则与以往的外角外接圆及内切圆相比，能更好地反映土体应力应变的实际特性.在边坡稳定分析中，相比其他D-P类准则，建议的D-P准则计算得到的边坡稳定安全系数与条分法结果十分吻合.在地基极限荷载的求解上，所得的极限荷载与滑移线场与Prandtl理论解趋于一致.     

平面应变条件下两类有限元边坡稳定分析方法比较研究

对有限元边坡稳定分析方法中滑面应力分析法和强度折减法的安全系数定义进行了探讨,指出这两类方法的安全系数定义都是从强度折减的概念出发,与极限平衡方法中的安全系数定义概念上是一致的.在算例对比分析中,基于非关联流动法则,采用与经典摩尔-库仑准则相匹配的等效D-P准则,在平面应变条件下,对天然边坡(均质边坡、有下卧软弱层、有软弱夹层带)的稳定性进行了对比研究,并同传统极限平衡方法进行了比较.研究表明,两类有限元方法得到的安全系数大小以及相应滑动面形状和位置均十分接近,滑面应力分析法不适于计算失稳边坡的安全系数.     

基于ANSYS和强度折减法的边坡稳定性分析

探讨了强度折减法的基本原理、安全系数、屈服准则和破坏标准等内容,结合ANSYS有限元软件,对水泥库边坡工程在不同破坏标准下的稳定性进行对比分析.计算过程中,随着折减系数的不断改变,会得到不同的黏聚力和内摩擦角参数值,再将其输入到ANSYS中的等面积D-P本构方程中计算至不收敛,发现边坡的安全系数与此时的折减系数是相等的.结果表明:采用塑性区贯通和位移的突变作为边坡破坏标准所得到的安全系数与传统方法计算得到的安全系数十分接近,从而表明有限元强度折减法在边坡稳定性分析中具有可行性.     

开挖过程中边坡稳定性研究及两种安全系数之间的转化

为了研究边坡在开挖过程中的安全状况,以及有限元强度折减法和极限平衡法所求得的安全系数之间的关系,分别采用有限元软件ANSYS和极限平衡软件Slope／W对开挖过程各个阶段边坡的稳定性进行了计算分析．通过研究两种方法所采用的屈服准则的内在联系,找到了这两种方法所求得安全系数的转化方法,并对利用两种方法求出的边坡安全系数进行了对比分析．研究结果表明,在开挖过程中,边坡的安全系数会出现先增大后减小的现象;在平面应变条件下,采用平面应变莫尔一库仑匹配DP5准则求出的边坡安全系数,与传统极限平衡法求出的边坡安全系数最接近,误差小于8％．     

地震拟静力效应下双组节理顺层岩质边坡稳定性分析

基于极限分析上限法理论,并考虑地震荷载效应,对双组节理顺层岩质边坡的稳定性进行分析.结合强度折减技术给出了岩石边坡安全系数的计算公式,采用序列二次规划法(SQP)对安全系数F_s的目标函数进行优化计算;在不同地震荷载作用下,将极限分析上限法计算的结果与离散元数值模拟的结果进行对比验证,二者所计算出的安全系数较为接近,最大误差不超过4%,且滑动面也较为吻合,表明了该方法的正确性.参数分析表明:坡高、节理内摩擦角、节理倾角组合以及地震效应均对边坡安全系数及潜在临界滑裂面有重要影响.     

基于自组织神经网络与遗传算法的边坡稳定性分析方法

将自组织(SOM)神经网络、误差反馈(BP)神经网络和遗传算法(GA)三者结合起来,应用于边坡稳定性分析中.首先推导了基于高斯函数的SOM神经网络过程简化权值求解公式,并采用SOM神经网络对收集到的边坡样本进行归类,降低了学习样本的噪声;然后设计了适用于边坡工程的神经网络结构编码模式;再将GA用于优化BP神经网络结构;最后对优化后的BP神经网络进行了计算.计算结果证明,优化后的BP神经网络在安全系数的拟合以及样本的误差分布方面均有明显的改善.同时,通过与其他类型的神经网络相比较,优化后的BP神经网络准确度较高,用于计算边坡的安全系数误差较小.     

用有限元强度折减法进行边坡稳定分析

通过对边坡非线性有限元模型进行强度折减,使边坡达到不稳定状态时,非线性有限元静力计算将不收敛,此时的折减系数就是稳定安全系数,同时可得到边坡破坏时的滑动面。传统条分法无法获得岩质边坡的滑动面与稳定安全系数。该方法开创了求岩质边坡滑动面与稳定安全系数的先例。文章对此法的计算精度以及影响因素进行了分析。算例表明采用摩尔-库仑等面积圆屈服准则求得的稳定安全系数与简化Bishop法的误差为3%～8%,与Spencer法的误差为1%～4%,证实了其实用于工程的可行性。     

桩基加固的三维边坡稳定性分析

有桩加固边坡稳定问题目前尚无明确规范的计算方法 .通过有限元强度折减法,分析了柔性桩加固边坡,刚性桩加固边坡和刚性桩考虑渗流作用下边坡的安全系数,并将数值模拟结果分别与复合抗剪强度法、BS8006规范中的分析方法进行对比.比较可知:对于柔性桩加固边坡,有限元强度折减法计算边坡安全系数与复合抗剪强度法方法计算结果的误差约为2.0%;对于刚性桩加固边坡,有限元强度折减法计算边坡安全系数与BS8006方法误差约为8.6%,从而验证了柔性桩加固情况下,采用复合抗剪强度法的适用性,以及刚性桩加固情况下BS8006方法的适用性.对于刚性桩,同样条件下考虑渗流作用的影响,边坡的安全系数减小约8.9%.     

基于三维极限分析法的GIM和SRM边坡安全系数计算结果对比

基于三维牛角转动破坏模型的三维极限分析上限理论,建立了考虑坡顶倾角的边坡功率平衡方程,基于MATHEMATICA软件采用带有约束条件的穷举法优化求解了边坡安全系数最小值,在考虑参数c/γH、内摩擦角φ、坡顶倾角α和边坡倾角β的情况下,定量对比分析了强度折减法(SRM)和容重增加法(GIM)计算的边坡安全系数。结果表明,边坡安全系数等于1时,GIM和SRM计算结果接近且近似都等于1；边坡安全系数大于1时,GIM计算结果大于SRM；边坡安全系数小于1时,SRM计算结果大于GIM；边坡安全系数小于1.2以下的稳定边坡,GIM和SRM法计算结果无明显差异。     

基于矢量和法安全系数的边坡稳定性分析

针对极限平衡法和有限元强度折减法在计算边坡安全系数中存在的问题,结合某工程实际采用矢量和法安全系数对边坡稳定性进行分析,并将其计算结果与传统分析法计算结果进行比较。结果表明,采用边坡矢量和法得到的计算结果与极限平衡法和有限元强度折减法之间的计算结果最大相对误差为9.7%,误差范围为4.2%～9.7%,而与有限元强度折减法计算结果的相对误差仅为5.9%。由此表明采用矢量和法安全系数用于求解边坡的稳定性是可行的。     

建议一种有关岩土力学的屈服准则及其应用

以双圆锥准则为基础,采用解析几何的方法,建议了一种杜拉克-普拉格类屈服准则.利用现有大型有限元程序ANSYS在杜拉克-普拉格屈服准则下,按强度折减系数法求解边坡的安全系数.算例表明,采用所建议的屈服准则求得的安全系数与传统方法所得结果吻合良好,证明了该准则的可行性.     

ANSYS在边坡稳定分析中的应用

利用ANSYS提供的非线性弹塑性模型,采用建立在强度缩小有限元分析基础上的边坡稳定分析理论进行分析计算,并给出了滑裂面及安全系数,并通过与摩尔-库仑等面积圆屈服准则计算结果进行换算,换算后的安全系数与传统的摩尔-库仑准则结果接近,说明用AN-SYS分析边坡稳定具有一定的实用性和可靠性。     

边坡稳定可靠度分析的新型四阶矩法

提出了一种边坡稳定可靠度分析的新型四阶矩计算方法.该方法将均匀设计法、径向基神经网络技术和最大熵原理相结合对边坡进行可靠性分析.采用均匀设计法确定粘聚力和内摩擦角的网络训练样本空间,并采用基于有限元的强度折减法计算样本空间中样本所对应的边坡安全系数.利用这些样本及对应的安全系数训练径向基神经网络.利用训练好的神经网络获得满足统计数量要求的边坡安全系数,并计算边坡安全系数前四阶矩.利用最大熵原理得到边坡安全系数的概率密度函数近似表达式、边坡失效概率以及相应的可靠指标.该方法的计算结果与蒙特卡罗法的计算结果对比表明该方法具有较高的精度.     

地震作用下岩石边坡稳定性有限元模拟

为研究地震作用下岩石边坡的稳定性问题,根据实验室直剪实验结果确定了完整的岩石样本的抗剪指标参数,并根据岩体裂隙间距对其进行了弱化折减.采用有限元强度折减方法评估了含节理岩石边坡的稳定性,计算了临界滑移面的安全系数.通过Drucker-Prager破坏准则判断岩石边坡有限元模型中每个单元的滑移状态.采用准静态方法模拟岩石边坡地震作用荷载,讨论地震动力放大系数对边坡抗滑稳定性安全系数的影响.基于有限元分析结果,确定不同地震作用组合下岩石边坡在极限状态下的塑性区分布和滑移面的安全系数.     

改进的重力加载比例法在非均质边坡稳定性分析中的应用

为了解决强度折减法在非均质黄土边坡稳定性计算中的局限性,采用改进的重力加载比例法研究了山西某非均质黄土边坡的稳定性。首先,运用三轴试验抗剪参数,采用Mohr-Coulomb屈服准则,不相关流动法则,应用有限元分析软件建立数值分析模型,分析了计算得到的水平位移与实测的水平位移,验证了改进的重力加载比例法在该边坡中的适用性。然后,将其计算精度和时效与强度折减法的对比,结果表明:对于该非均质边坡,改进的重力加载比例法计算的安全系数与传统的有限元计算方法得到的安全系数的误差为3%,强度折减法计算结果的误差为7.6%;并且改进的重力加载比例法简化了计算过程,减少了计算过程中人工的干预,使得计算速度更快。     

莫尔-库仑等面积圆屈服准则的简化形式及应用

在三维应力空间 ,采用解析几何的方法 ,导出了莫尔 -库仑等面积圆屈服准则的简化形式 .介绍了可直接利用现有大型有限元程序在德鲁克 -普拉格屈服准则下 ,按强度折减原理求解边坡安全系数的方法 .算例表明 ,采用简化屈服准则无须修改现有程序 ,且对简单边坡 ,据此求得的安全系数与传统的极限平衡法所得结果极为相近 ;对于复合边坡 ,二者求得的安全系数相对较差可能稍大些 .     

高陡边坡整体与局部失稳的强度折减及安全度判别分析

为了实现从整体和局部都能较为准确地分析弧状高陡边坡安全稳定性,指导露天采矿高陡边坡设计,采用有限差分强度折减法分析边坡稳定性,获得边坡整体的安全系数。对每个计算单元引入安全度进行分析,获得边坡局部安全系数;将最大节点位移时步曲线收敛性作为边坡失稳的判定准则,弥补了采用其他准则时由于人为指定容差而引起的较大误差;以某铁矿西南边坡为例,运用FISH语言编制强度折减法、失稳准则和安全度相关程序进行计算。研究表明:有限差分强度折减法、基于最大节点位移时步曲线收敛性的失稳准则和计算单元安全度相结合的边坡稳定性分析方法适合于弧状边坡稳定性分析,研究为弧状高陡边坡设计提出了新的思路。