多雨气候_松散堆积层地区泥石流治理工程研究_以云南省南山河泥石流为例

多雨气候_松散堆积层地区泥石流治理工程研究_以云南省南山河泥石流为例 J O U RN AL O F H EF EI U N IV ERSI T Y O F T EC HNOL O GY 2009 年 5 月May 2009 多语言编程在边坡有限元可靠度分析中的应用研究 1 2 1 1谭晓慧, 王建国, 冯敏杰, 毕卫华 ( )1 . 合肥工业大学 资源与环境工程学院 ,安徽 合肥 230009 ; 2 . 合肥工业大学 土木与水利工程学院 ,安徽 合肥 230009 摘 要 :文章采用多语言联合编程的进行边坡稳定的有限元可靠度分析 。前处理部分采用的是有限元通 用分析软件 A N S YS 的 A PDL 语言 ,用其编写的程序模块可方便地用于有限元网格的划分 ,以得到有限元计 算所需的结点坐标信息 、单元结点编号信息 、约束结点自由度信息等内容 ; 有限元主程序采用的是 V ISU AL FO R TRA N 语言 ,它可进行基于强度折减法及基于滑面应力分析法的边坡稳定定值法有限元计算 ,以求解边 坡的安全系数及其对应的滑面位臵 ;亦可进行基于强度折减法及基于滑面应力分析法的边坡稳定有限元可 靠度计算 ,以求解边坡的可靠指标及其对应的滑面位臵 ;后处理部分采用的是 MA TL AB 语言 ,它可方便灵活 地绘制网格图 、等值线图 、滑面位臵图及曲线图等各种图形 。各种语言之间通过文本文件进行数据的传递 ,不 必另外编写各语言间的接口程序 。 关键词 :边坡稳定性 ; 有限元 ; 可靠度分析 ; 强度折减法 ; 滑面应力分析法 () 文章编号 :100325060 20090520720205 中图分类号 : TU31 文献标识码 : A Appl icat ion of mult i2language progra mming in t he f in ite element rel ia bil ity anal ysis of slope sta bil ity 1 2 1 1TA N Xiao2h ui, WA N G J ia n2guo, F EN G Mi n2jie, B I Wei2h ua ( 1 . School of Re so urce s a nd Envi ro nment al Engi neeri ng , Hef ei U niver sit y of Technolo gy , Hef ei 230009 , Chi na ; 2 . School of Civil and )Hydraulic Engi neeri ng , Hef ei U ni ver sit y of Technolo gy , Hef ei 230009 , Chi na Abstract : The fi nit e ele me nt relia bilit y a nal ysi s of slop e st a bilit y i s ca r ried o ut by u si ng t he met ho d of multi2la ngua ge p ro gra mmi ng. The A PDL of t he ge neral p urpo se fi nit e ele me nt sof t wa re A N S YS i s u sed i n t he p rep roce ss p a r t , w hic h i s mai nl y u se d fo r t he me shi ng of t he slop e sectio n so a s to get t he i nfo r matio n o n no de s’coo r di nat e s , numbe ri ng of t he no de s of each ele me nt s ,a nd t he degree of f ree2 do m of co n st rai nt no de s a nd so o n . The V ISU AL FO R T RA N i s u sed i n t he mai n p a r t of t he fi nit e ele2 me nt relia bilit y a nal y si s p ro gra m ,w hic h ca n ca r r y o ut fi nit e ele me nt a nal y si s of slop e st a bilit y ba se d o n t wo met ho ds —o ne i s t he st re ngt h reductio n met ho d a nd t he o t he r i s t he slip surf ace st re ss a nal ysi s met ho d . A nd t he n t he f acto r of saf et y a nd it s co r re spo ndi ng slip surf ace ca n be o bt ai ne d. The mai n p a rt of t he p ro gra m ca n al so ca r r y o ut fi nit e ele me nt relia bilit y a nal y si s of slop e st a bilit y ba sed o n t he t wo met ho ds me ntio ne d a bo ve , a nd t he relia bilit y i nde x a nd it s co r re spo ndi ng slip surf ace ca n be gai ne d. The MA TL AB i s u se d i n t he po stp roce ss p a r t fo r t he drawi ng of diff ere nt t yp e s of fi gure s , such a s me she s , co nto ur s , po sitio n s of slip surf ace s a nd c ur ve s. The dat a a mo ng diff ere nt la ngua ge s a re t ra n smit t ed by t e xt file s ,w hich doe s no t need t he p ro gra mmi ng of i nt e rf ace s. Key words :slop e st a bilit y ; fi nit e ele me nt ; relia bilit y a nal y si s ; st re ngt h reductio n met ho d ; slip surf ace st re ss a nal ysi s met ho d 收稿日期 :2008207210 ; 修改日期 : 2008209211 ( ) ( ) 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 50748033; 安徽省教育厅青年教师科研资助项目 2005jq1021和合肥工业大学博士专项基 ( )金资助项目 2007 GDBJ 044 ( ) 作者简介 :谭晓慧 1971 —,女 ,安徽宣城人 ,博士 ,合肥工业大学副教授 ,硕士生导师 ; ( ) 王建国 1954 - ,男 ,安徽怀宁人 ,合肥工业大学教授 ,博士生导师. 0 引言 就可求得每一滑动面的稳定系数 ; 变换搜索条件 边坡稳定性分析是岩土工程中一个十分重要进行多个滑面的求解 , 即可得到最小安全系数 。 的问题 。由于边坡工程中存在的各种不确定性 , 2 边坡稳定的有限元可靠度分析 如土层剖面与边界条件的不确定性 ; 现场与实验 室测定的岩土性质指标的不确定性 ; 土的性质的 21 1 有限元可靠度分析的基本方法 天然 可 变 性 ; 外 加 荷 载 大 小 与 分 布 的 不 确 定 性 有限元分析中常用的可靠度分析方法是一阶 [ 1 ] [ 8 ] ( ) 等,因此 ,必须进行边坡稳定的可靠度分析 。 边可靠度分析方法, 如一次二阶矩法 FO SM、有 () 坡稳定可靠度分析的常用方法是将边坡稳 限步长迭代法 L SL IM等 。 ( ) 设基本变量为 X = X, X,, 功能函, X 定性分析的极限平衡条分法与结构可靠度分析方 1 2 n [ 2 ] () ( ) 数 极限状态函数为 Z = g X, X,, X , n 为法相结合 , 从 而进 行 边 坡 稳 定 的 可 靠 度 分 析。 1 2 n 由于极限平衡法不能考虑土体的应力应变关系及基本变量的个数 。在通过极限状态超曲面 Z = 0 3 复杂的边界条件 ,因此 ,近年来 ,边坡稳定的有限 上的一个验算点 P 处将功能函数 Z 展开成泰勒 3 元可靠度分析方法受到了重视 。 级数 。可以 , 验算点 P 是标准 化正 态 空间 文献 [ 3 ,4 ] 计算了各积分点或单元上的可靠 中极限状态超曲面 Z = 0 上到原点最近的点 。此 指标 ,文献 [ 5 ,6 ]研究了边坡整体可靠指标的求解 点不能事先确定 , 需迭代求解 。 方法 。由于问题的复杂性 ,这方面的研究成果还 由于一次二阶矩法不能保证可靠指标迭代过不多 。 边坡稳定有限元可靠度分析的主要困难程的收敛 , 因此 , 亦可采用有限步长迭代法进行可 在于 靠指标的求解 。 它需集成弹塑性非线性有限元分析 、可靠度分析 、 一次二阶矩法及有限步长迭代法的详细迭代 边坡稳定性分析等多学科知识 ,涉及到大型非线 公式参见文献 [ 8 , 9 ] 。无论是采用一次二阶矩法 性有限元方程组的求解 、可靠指标的迭代求解 、临 还是有限步长迭代法 , 其求解重点都是梯度向量 3 ) ( 界滑面位臵的搜索等多项内容 ,而目前常用的边 A g x 的求解 。 坡稳定性有限元分析软件或通用有限元分析软件 21 2 边坡稳定有限元可靠度分析无法满足这一要求 。因此 ,为了进行边坡稳定的 由于强度折减有限元法能求出边坡的全局安 有限元可靠度分析 ,可行的方法是进行编程开发 。 全系数 F, 故边坡失稳的极限状态函数形式可表s 为了利用现有资源 ,提高工作效率 ,本文的研示为 : 究思路是综合不同语言的优势 ,采用多语言联合 ( ) g X, X,, X Z = 1 2 n = ) ( )编程的方法进行边坡稳定有限元可靠度分析程序 ( 1 FX, X,, X n - 1s 1 2 的编制 。对基本变量进行微分 , 可得 : 3 3 ( )( ) 5 Fx 5 g x s ( )2 = 1 边坡稳定的定值法有限元分析 5 X 5 X 因此 , 对于基于强度折减法的边坡有限元可 边坡稳定的定值法有限元分析的目的是求解 靠度分析 , 其梯度向量的计算较为简单 , 即功能函 F,其方法主要是有限元强度折 边坡的安全系数 s [ 7 ] 数对基本变量的导数可直接转化为安全系数对基 ( ) ( ) 减法 SRM及滑面应力分析法 SSA。 本变量的导数 , 然后再用有限差分法或有理多项 有限元强度折减法的基本原理是将岩土体参 [ 9 ] 式法进行求解 。 ( ) 数 c 、<黏聚力 , 内摩擦角同时除以一个折减系 21 3 基于滑面应力分析的边坡稳定有限元可靠 数 F, 得到一组新的值 c 、< , 然后以 c 、< 作为新 s [ 5 ] 度分析 的材料参数代入有限元程序进行试算。当计算 设 边 坡 体 为 Mo hr2Co ulo mb 理 想 弹 塑 性 材 至刚好不收敛时 , 对应的 F值就是边坡的最小安 s 料 。对于某一滑面 , 设其功能函数为 : 全系数 。 n n ee 滑面应力分析法的主要思路是先通过有限元Δ( συ τ) ΔZ = Zl= - t a n+ c - liin ii?? i = 1 i = 1 分析得到每个积分点的应力 ; 然后假定一个滑动 ( )3 面 , 即可用有限元数据得出滑动面中点的法向应 στ 其中 , Z为第 i 单元的功能函数 ;和分别为第力和切向应力 ; 由此即可求出滑面中点的下滑力 i n ()722 第 32 卷合肥工业大学学报 自然科学版 i 单元滑弧中点的法向应力和剪应力 , 它们是应31 1 有限元前处理 (σστ) 力分量 ,,的函数 ; c 为岩土体的黏聚力 , 有限元前处理的目的是进行有限元网格的划 x y x y ne ( ) 为滑面上单元的个数 。将 3式对基本变量求 分 ,施加相应的位移约束及荷载约束 ,以得到有限 导 , 可得 :元分析所需的总体坐标信息 、单元结点编号信息 、 n e3 3 约束结点自由度信息及荷载信息等 。 ( σ) ( σ) 5 gX ,5 gX,σi i 55 Z Δl =i+ ? σ5 X 5 5 X X5 i = 1 表 1 土层参数值 ( )4 ψγ/ / E/ 其中 , 上标 3 表示在求导时此参数视为常量 。 流程