基于非相关联流动法则的三维边坡稳定极限分析

论文题目: 基于非相关联流动法则的三维边坡稳定极限分析

论文类型: 博士论文

论文专业: 岩土工程

作者: 孙平

导师: 陈祖煜,汪小刚

关键词: 边坡稳定,三维极限分析,非相关联流动法则,混合优化算法,三维可视化

文献来源: 中国水利水电科学研究院

发表年度: 2005

论文摘要: 相关联流动法则是三维边坡稳定极限分析上限方法的理论基础,相关联法则认为岩土体的塑性剪胀速率(应变率)与屈服面正交,但是这一假定与岩土体的某些试验成果不相符合,在某种程度上过高地估计了岩土体的剪胀特性。岩上体的剪胀特性和相关联流动法则在某些特殊条件下的不相吻合性导致了以此为理论基础的三维边坡极限分析上限分析方法会过高估计边坡的极限承载能力(或稳定安全系数),而且在数值分析中由于剪胀角过大而导致速度场不收敛的问题。因此,在三维边坡稳定极限分析方法中引入非相关联流动法则,使岩土体按照物理许可的剪胀特性来剪胀,是解决这一问题的根本途径。 文中提出了一种基于非相关联流动法则的三维边坡稳定极限分析方法,这一方法认为岩土体按照小于或等于摩擦角的某一角度(取决于物理许可条件)来剪胀,从而可以从根本上克服相关联流动法则带来的局限性。为了解决引入非相关联流动法则后速度间断面上的内能耗散与不能事先确定的法向力有关的问题,文中建议的方法为,通过引入一个“虚拟”的二次速度场,利用虚功原理,巧妙地将速度间断面上的未知内力全部消去,从而可以象相关联流动法则一样简单确定内能耗散,问题最终归结于求解一个仅含一个未知数(安全系数F)的非线性方程,可以应用数值方法通过迭代确定安全系数。文中建议的基于非相关联流动法则的三维边坡稳定极限分析方法避免了基于相关联流动法则的三维边坡稳定极限分析上限方法由于摩擦角过大而导致速度场不收敛的局限性。一系列的算例表明,本方法可以与楔体问题的广义解取得完全一致的结果,同时对于任意形状滑面的三维稳定问题,本方法的计算结果是完全可行的。 将混合优化策略引入三维边坡稳定临界滑裂面与临界滑动模式的搜索问题,取得了较好的效果,为解决边坡稳定中的优化问题提供了一个强有力的工具。 将可视化方法引入边坡稳定分析领域,根据随机分形与线性插值相结合重构边坡滑动前与滑动后的地形,利用离散点空间曲面生成技术重构地层,以建立边坡三维可视化模型,取得了较好的效果。

论文目录:

第1章 前言

1.1 边坡稳定的极限平衡与极限分析方法

1.1.1 概述

1.1.2 二维极限平衡方法

1.1.3 二维极限分析上限方法

1.2 开展三维边坡稳定分析的必要性

1.2.1 自然界发生的滑坡具有明显的三维特征

1.2.2 三维效应对分析成果的影响

1.3 边坡稳定三维极限平衡与极限分析的研究现状

1.3.1 三维边坡稳定的极限平衡法

1.3.2 开发三维边坡稳定极限平衡法的主要难点

1.3.3 三维边坡稳定的极限分析方法

1.3.4 三维边坡稳定极限分析中有待解决的问题

1.4 本论文的研究内容与创新点

1.4.1 本论文的研究内容

1.4.2 本论文的主要创新点

第2章 边坡稳定极限分析的理论基础

2.1 边坡稳定极限分析上限定理的理论背景

2.1.1 土体变形与稳定问题的一般提法

2.1.2 经典的边坡稳定极限分析引入的基本假定

2.2 边坡稳定分析的塑性力学上限定理

2.2.1 安全系数的定义

2.2.2 塑性速度与内能耗散

2.2.3 “组合摩擦力”的定义及双块体稳定问题

2.3 塑性极限分析中的相关联与非相关联流动法则

2.3.1 现行相关联流动法则的局限性

2.3.2 塑性力学中的相关联与非相关联流动法则

2.3.3 边坡稳定分析领域考虑非相关联流动法则拟解决的关键问题

2.4 二维边坡稳定极限分析的上限解法—斜条分法

2.4.1 理论框架(Donald & Chen，1997)

2.4.2 算例

2.5 三维边坡稳定极限分析的上限方法

2.5.1 理论框架(Chen，Wang et al，1999)

2.5.2 关于三维上限解局限性的讨论

2.6 岩质边坡楔体稳定分析方法

2.6.1 引言

2.6.2 楔体问题的塑性力学广义解(Chen，2004)

2.7 小结

第3章 基于非相关联流动法则的三维边坡稳定分析方法

3.1 引言

3.2 滑面上的剪应力与“组合摩擦力”方向的确定

3.2.1 滑面上的抗剪力方向矢量

3.2.2 滑面上的组合摩擦力方向矢量

3.3 中性面条块速度场的确定

3.4 基于非相关联流动法则的三维边坡稳定分析的机动法

3.4.1 条柱真实速度场V的求解

3.4.2 二次虚拟速度场V的求解

3.4.3 基于非相关联流动法则的三维边坡稳定分析机动法的计算步骤

3.5 算例验证—ZHANG XING椭球形滑面算例

3.6 基于非相关联流动法则的楔体极限分析

3.6.1 引言

3.6.2 楔体稳定问题的广义三维极限分析方法

3.6.3 算例验证

3.7 关于建立一个严格的基于非相关联流动法则的三维极限分析方法的讨论

3.7.1 三维条件下虚功原理与静力法等效性的证明

3.7.2 关于三维非相关联流动极限分析方法中所保留的两个假定的讨论

3.7.3 基于非相关联流动法则的三维边坡稳定极限分析的严格方法

3.8 小结

第4章 确定临界滑裂面与临界破坏模式的最优化方法

4.1 概述

4.2 任意形状三维滑裂面的构筑与目标函数的确定

4.2.1 任意形状三维滑裂面的构筑

4.2.2 目标函数的确定

4.3 确定边坡稳定最小安全系数的最优化方法

4.3.1 概述

4.3.2 常见的最优化分析方法

4.4 混合优化算法

4.4.1 概述

4.4.2 单纯形—模拟退火算法(SMSA)

4.4.3 遗传模拟退火算法(GASA)

4.5 三维临界滑裂面与临界破坏模式的搜索—最优化方法的应用

4.6 小结

第5章 边坡稳定的三维可视化技术的实现

5.1 概述

5.2 三维边坡地质模型的可视化技术

5.2.1 双线性插值方法

5.2.2 任意离散点数据三维曲面构造方法

5.2.3 三维地形表面的随机分形生成

5.3 三维边坡地质模型的可视化

5.3.1 三维边坡稳定分析中几何信息的输入

5.3.2 边坡岩体中地质构造的三维可视化

5.4 工程实例

第6章 工程应用

6.1 锦屏一级水电站拱坝右坝肩抗滑稳定分析

6.1.1 概述

6.1.2 二维稳定分析

6.1.3 三维稳定分析

6.2 洪家渡水电站左岸覆盖层三维抗滑稳定分析

6.2.1 概述

6.2.2 三维稳定分析

第7章 结论及建议

参考文献

致谢

附录：关于非线性方程组的迭代解法

发布时间: 2006-03-06

参考文献

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相关论文

• [1].顺层岩质边坡开挖稳定性及其支护措施研究[D]. 冯君.西南交通大学2005
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