高土石坝坝坡地震稳定分析研究

采用有限元动力时程稳定和变形分析方法,对不同高度大坝坝坡稳定进行分析,开展了最危险滑弧确定方法 、地震动持时对稳定和变形的影响、滑弧位置和深度以及坝坡加固范围的研究 。结果表明：拟静力法采用规范建议的加速度分布系数不能反映高土石坝实际地震反应规律,计算得到的最危险滑弧较深且滑动范围偏大,不利于确定坝坡的加固范围;坝坡在地震过程中,最小安全系数与最大滑动量对应的滑弧并不一致且是不断变化的,有限元动力法计算坝坡稳定时,应在每一时刻任意搜索最危险滑弧;地震持时对坝坡安全系数影响不大,但对滑动量有较大影响;不同滑弧深度对坝坡安全系数有较大影响,存在一个临界深度,当滑弧超过临界深度时,坝坡安全系数大于 1.0 ;坝坡稳定安全性评价需要综合考虑安全系数与变形的计算结果。根据计算结果,建议了坝坡加固的范围。     

有限元法和极限平衡法结合的某边坡稳定性分析

有限元法可以有效的模拟出边坡的应力及位移分布,极限平衡法可以得出相对准确的边坡最小安全系数,通过将两种方法有效的结合,可以在边坡稳定性评价中得出更为可靠的结论。以唐山某白云石矿露天采场为研究对象,通过有限元法以及极限平衡法模拟了该采场边坡在正常工况、洪水(降雨)工况以及地震工况下的稳定性。结果表明:在正常工况下,岩质边坡各个计算断面抗滑安全系数均大于规范要求的抗滑安全系数,表明该边坡在正常工况下可以安全运行;在洪水(降雨)工况以及地震工况下,岩质边坡各个计算断面抗滑安全系数均大于规范要求的抗滑安全系数,但边坡B—B′断面在这两种工况下抗滑安全系数偏小,表明该岩质边坡B—B′断面在洪水(降雨)作用以及地震作用下安全储备不高;综合分析3种工况下的边坡稳定性,建议对该边坡B—B′断面所在位置采取相应的加固措施,以确保该露天采场的安全运行。     

基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析

 基于强度折减法的边坡稳定性评价只能获得静态单一的安全系数。为获得边坡渐进失稳过程中的稳定性状况,提出基于动态和整体强度折减法的边坡动态稳定性评价方法,利用动态强度折减法搜索出渐进扩展的滑动面,并结合整体强度折减法计算安全系数的优势,在边坡渐进失稳过程中计算动态安全系数,从而实现对边坡失稳全过程的分析和调控。首先,利用动态强度折减法确定出一系列扩展的滑动面,然后,在每一步折减中降低滑动面的强度参数,随后采用整体强度折减法计算此刻的安全系数。最后进行滑动面扩展–安全系数的对应分析,根据安全系数的动态变化规律对边坡进行稳定性评价和支护。两实例计算表明,动态强度折减法获得的滑动面与实际监测数据相吻合,合理反映边坡(滑坡)的变形破坏特征。利用动态和整体强度折减法的各自优势,获得边坡渐进失稳过程中的一系列动态安全系数,更利于边坡的稳定性判断及支护措施建议。相比于极限平衡法,动态强度折减法也更适合于非均质边坡的稳定性评价,能搜索出正确的潜在滑动面。     

最优化方法在确定边坡最小安全系数方面的应用

本文探索最优化方法用于寻找边坡稳定分析中最小安全系数的可能性。在常规的边坡稳定分析中,需要多次试算许多滑裂面,比较相应的安全系数,其成果不仅粗糙,而且有可能不是事实上的最小值。采用最优化方法,可以用严格的数值分析方法找到最小安全系数及其相应的“临界滑裂面”。本文采用单形法,负梯度法和DFP法。通过对一系列算例的分析验证,可以发现,最优化方法和理论解以及穷举法的计算成果吻合。本文还列举了工程实例的分析结果以说明其在工程设计中的实用性。采用最优化方法,可以使设计工作大大简化,成果更为可靠。     

地下洞室群整体安全系数计算方法与工程应用

为解决大型地下洞室群整体稳定安全系数量化这一难题,吸取超载系数法和强度折减法评价边坡稳定的技术优点,提出了基于两种方法评价地下洞室群整体稳定安全系数的计算方法和评价指标。超载系数法不受岩土体力学本构模型的限制,可以通过放大数值模型某一个方向上的荷载来进行不同超载水平下的洞室稳定及安全系数分析;强度折减法一般基于Mohr-Coulomb等理想弹塑性的力学假定,通过不断折减岩土体的强度指标来计算得到洞室安全系数。地下洞室群稳定评价指标采用最大剪切应变增量是否贯通、变形速率是否收敛、锚索伸长率是否超设计标准等特征综合判断。超载系数法和强度折减法在以色列Kokhav Hayarden抽水蓄能电站地下厂房洞室群整体稳定安全系数分析的工程应用实例表明,洞室群整体稳定安全系数可以通过两种方法快速获得,并能考虑支护锚索的安全度特征。可为大型地下洞室群整体稳定安全系数求解和支护设计提供参考。     

基于盲数理论的边坡可靠度分析

 针对边坡岩土体参数的多种不确定性,采用盲数理论提出一种边坡可靠度分析方法,并首次提出以边坡盲数安全系数和最小安全要求可靠度作为指标来综合评判边坡的稳定性。首先,运用响应面法和有限元强度折减法求出边坡极限状态方程,运用盲数理论建立边坡安全系数的盲数模型,解出安全系数的盲数解,并进一步求出边坡盲数安全系数和最小安全要求可靠度的计算表达式。算例分析表明,边坡盲数安全系数和最小安全要求可靠度与传统方法相比均偏低,能更安全地评价边坡的稳定性,弥补了均值安全系数和传统可靠度之间无关联的缺陷。     

基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析

基于强度折减法的边坡稳定性评价只能获得静态单一的安全系数。为获得边坡渐进失稳过程中的稳定性状况,提出基于动态和整体强度折减法的边坡动态稳定性评价方法,利用动态强度折减法搜索出渐进扩展的滑动面,并结合整体强度折减法计算安全系数的优势,在边坡渐进失稳过程中计算动态安全系数,从而实现对边坡失稳全过程的分析和调控。首先,利用动态强度折减法确定出一系列扩展的滑动面,然后,在每一步折减中降低滑动面的强度参数,随后采用整体强度折减法计算此刻的安全系数。最后进行滑动面扩展–安全系数的对应分析,根据安全系数的动态变化规律对边坡进行稳定性评价和支护。两实例计算表明,动态强度折减法获得的滑动面与实际监测数据相吻合,合理反映边坡(滑坡)的变形破坏特征。利用动态和整体强度折减法的各自优势,获得边坡渐进失稳过程中的一系列动态安全系数,更利于边坡的稳定性判断及支护措施建议。相比于极限平衡法,动态强度折减法也更适合于非均质边坡的稳定性评价,能搜索出正确的潜在滑动面。     

垃圾填埋场沿底部衬垫系统破坏的稳定性分析

为研究垃圾填埋场沿底部衬垫系统破坏的稳定性,将填埋场分为主动楔体、被动楔体和垃圾坝三部分。对它们进行极限平衡分析,建立平衡方程,求解填埋场的稳定安全系数。考虑条间力的变化,可以计算填埋场的最大、最小安全系数Fmax和Fmin,采用平均安全系数Fave来代替真实安全系数Ftrue,研究发现,Fave和Ftrue的最大相对误差不超过5%。Fmax随着城市固体废弃物内摩擦角φsw的增加逐渐增大,而Fmin随着内摩擦角φsw的增大并不改变;Fmax、Fmin和Fave都随着垃圾坝高度H2和底部摩擦角δDA的增加逐渐增大,垃圾坝对填埋场的稳定性有较大影响。     

高堆石坝非线性强度指标坝坡稳定可靠度 分析方法研究及工程应用

 证明了按Fs－1和MR－MS两种方式构建功能函数的数学等效性,提出基于邓肯非线性强度准则、简化毕肖普法、中心差分法、一次二阶矩法及Fs－1,MR－MS两种功能函数的非线性强度指标坝坡稳定可靠度分析的新方法,探讨可靠指标b对非线性强度指标的敏感性以及非线性强度指标相关性对b和临界滑弧位置的影响,得到以下结论：(1) 按Fs－1和MR－MS两种方式构建功能函数得到的b相差不超过0.5%,由于按MR－MS构建功能函数可以直接计算对随机变量的偏导数,因此,建议按此方式进行可靠度分析。(2) 一次二阶矩法的b计算值相对Monte Carlo法的误差小于2%。可靠度灵敏系数反映出b 随j0的增大和Δj的减小而增大,且b 对j0的敏感性更为显著。由此可见,j0参数的合理确定对工程的安全和经济性至关重要。(3) j0和Δj的相关性对b 和临界滑弧的位置影响比较明显。b 随相关系数的增大而渐增,最大增幅达15.67%,同时临界滑弧的位置逐渐向坡外移动,表明不考虑相关性的计算结果偏于安全。(4) 对双江口土质心墙堆石坝坝坡稳定的可靠度分析证明了所提方法的合理性,各典型工况的最小可靠指标bmin及临界滑弧的位置符合工程实际,坝坡稳定可靠度满足相应规范要求。     

非线性强度指标坝坡稳定可靠度分析有关问题讨论

基于邓肯非线性强度准则、简化毕肖普法和一次二阶矩法提出一种非线性强度指标坝坡稳定可靠度分析方法。对坝高200m、坝坡1∶1.4的均质堆石坝的坝坡稳定可靠指标β进行计算分析,结果显示:按安全系数和力矩两种方式构建功能函数得到的β差异甚微,一次二阶矩法和Monte-Carlo法的β计算值相差很小;最小可靠指标随非线性强度指标φ0和Δφ的相关系数的增大而增大,而临界滑弧到外边坡线的最大水平距离逐渐减小;β对φ0的均值、变异系数和分布类型的变化较为敏感。建议按力矩构建功能函数并采用一次二阶矩法计算坝坡稳定可靠度,同时应考虑强度指标相关性的影响和合理选用φ0的均值、变异系数和分布类型。     

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。     

土体抗剪强度指标变异水平对边坡稳定安全系数取值的影响

针对传统的边坡稳定极限平衡方法不能考虑土体抗剪强度指标变异性影响的问题,基于极限状态的概率分析原理,采用 Monte-Carlo 法对均质路堤边坡的稳定性开展了可靠度计算,讨论了稳定安全系数一定的条件下边坡失效概率随土体抗剪强度指标变异水平的变化规律,分析了安全系数与边坡可靠指标的对应关系及其随土体抗剪强度指标变异水平的变化特征。研究表明：边坡可靠度受土体抗剪强度指标变异性影响显著,呈现出随土体抗剪强度指标变异水平提高而急剧减小的趋势;为保证边坡具有相同的可靠性,安全系数的取值应与土体抗剪强度指标的变异性相适应,据此提出了基于可靠指标和土体抗剪强度指标变异水平的安全系数取值原则及其对应的三参数函数关系式。     

基于区间组合法的边坡稳定非概率模糊可靠性分析方法

根据边坡稳定性影响因素的随机性、模糊性以及岩土材料力学参数取值的区间性特征,采用非对称三角模糊数表示岩土力学参数取值可能性分布,并对试验数据进行区间模糊优化分析。将所得非对称三角模糊数转化成区间数,运用边坡稳定性分析的简化Bishop法与区间组合法建立边坡安全系数区间值及可能滑动面求解方法,避免了区间函数运算的区间扩张问题。将安全系数区间计算函数与给定安全系数值之差作为功能函数,利用非概率模糊可靠性分析方法计算不同截集水平下的模糊可靠性指标,进而得到其可能性分布曲线,并由可能性理论求得边坡失效可能度,从而建立了基于区间组合法的边坡稳定非概率模糊可靠性分析方法。工程算例表明,该方法具有一定的合理性,为边坡工程稳定性评价提供了新的途径。     

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.

     

Risk assessments of long-span bridges considering life-cycle cost concept and near-fault ground motion effect

The influence of the near-fault ground motion on the response of long-span bridges must be considered as a critical factor for seismic design because the response indicates different aspects from existing earthquake characteristics. Also, it is important to note that the safety index for the risk assessment of long-span bridges is determined based on the minimum expected life-cycle cost E(LCC). In this study, earthquake characteristics are analyzed by creating elastic and inelastic response spectrums with actual measurement records (Chi-Chi earthquake records) and then the numerical analysis of the long-span bridge in Namhae, Korea is performed according to the increase and reduction of the member stiffness based on the standard design., the reliability evaluation of the long-span bridge considering aleatory uncertainties is performed on the basis of the combined results of static analysis and seismic response analysis. Also, the minimum LCC is estimated based on failure probabilities by the different alternative design. Because of epistemic uncertainties, the results of reliability evaluation and the LCC of optimal design are selected as random variables; the safety index, failure probability and expected minimum LCC are re-evaluated with regard to critical percentage values for a risk-averse design of the long-span bridge, and are presented graphically using cumulative percentages. It is, therefore, expected that this study will provide the basic information for the risk assessment and optimal design method in performing seismic design of the long-span bridge considering earthquake characteristics.     

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.     

基于极限平衡法的边坡稳定性可靠度分析

传统方法对边坡稳定性进行分析时,不能定量考虑土体参数随机性、变异性的影响。为更好地对边坡稳定性进行评价,本文基于传统边坡稳定性计算方法,同时考虑参数的变异性和分布类型的差异,利用蒙特卡洛模拟技术,编制了相应程序。针对某匀质边坡,利用Fellenius法、Bishop法、Janbu法和Morgenstern-Price法进行破坏概率计算。结果表明,安全系数大于1时,边坡仍有破坏的可能,边坡稳定性对参数变异性的敏感度不同,参数变量分布类型也会对边坡稳定性评价结果产生影响。利用可靠度方法得到的可靠度指标、破坏概率等指标,能够定量地描述各参数变异性对边坡稳定性的影响。因此,可以将可靠度的方法和确定性的方法相结合,对边坡的稳定性进行描述,为滑坡风险的评估提供参考依据。     

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。     

Reliability analysis of slopes considering spatial variability of soil properties based on efficiently identified representative slip surfaces

Slope reliability analysis considering inherent spatial variability (ISV) of soil properties is time-consuming when response surface method (RSM) is used, because of the “curse of dimensionality”. This paper proposes an effective method for identification of representative slip surfaces (RSSs) of slopes with spatially varied soils within the framework of limit equilibrium method (LEM), which utilizes an adaptive K-means clustering approach. Then, an improved slope reliability analysis based on the RSSs and RSM considering soil spatial variability, in perspective of computation efficiency, is established. The detailed implementation procedure of the proposed method is well documented, and the ability of the method in identifying RSSs and estimating reliability is investigated via three slope examples. Results show that the proposed method can automatically identify the RSSs of slope with only one evaluation of the conventional deterministic slope stability model. The RSSs are invariant with the statistics of soil properties, which allows parametric studies that are often required in slope reliability analysis to be efficiently achieved with ease. It is also found that the proposed method provides comparable values of factor of safety (FS) and probability of failure (P_f) of slopes with those obtained from direct analysis and literature.