基于有限元的岩质边坡可靠度分析

基于有限元的岩质边坡可靠度分析

1基于abaqus-anfis-mcs的边坡可靠性分析方法边坡工程的稳定性分析是土木工程领域的研究重点。这些分析方法可分为采用系数法表示的不确定性方法和以可靠性为控制风险水平的不确定性方法。但由于边坡变形破坏发展受到很多不确定性因素的影响,用确定性方法研究边坡稳定问题很难把这些不确定性的因素考虑进去,所得的结果也就难免与实际有所出入。于是,考虑岩土体参数和其他因素的不确定性分析方法为边坡工程稳定性研究指出了新的研究方向。目前,岩土体边坡可靠性分析方法的研究和实践取得了重要的进展。特别是用有限元法或随机有限元研究边坡可靠性问题取得了一系列的成就,如傅旭东、邓健、刘宁等他们用自编写的有限元程序研究边坡可靠性问题,为边坡可靠度数值方法的研究打下了坚实的基础。但是由于岩土体边坡工程的复杂性和各种不确定性的存在,给边坡可靠性研究带来了困难。合理地建立边坡有限元分析模型问题尚未得到圆满的解决,因此,作者为探讨解决这些问题,采用ABAQUS软件代替自编的程序进行边坡有限元分析,并结合ANFIS来研究边坡的可靠性。研究表明,ABAQUS具有分析非线性问题的强大功能,尤其能有效地处理岩体节理和结构面接触非线性问题,能有效处理岩土体材料、几何及边界条件非线性问题,解决岩土体裂隙水压、地应力等复杂荷载的加载问题。由人工神经网络和模糊逻辑推理相结合而成的自适应神经模糊推理系统ANFIS,具有收敛速度快、稳定性好、网络训练结果具有可重复性等特性。因此,作者利用ABAQUS与ANFIS的各自优点以及蒙特卡罗模拟方法,建立了基于ABAQUS-ANFIS-MCS的边坡可靠性分析方法,并对湖南雪峰水泥原料矿山露天矿边坡进行可靠性分析研究。结果表明,ABAQUS-ANFIS-MCS相结合的边坡可靠性分析方法是一种有效的可靠度计算方法。2基于abaqus的有限值测试2.1数值模拟方法根据实地测量、理论分析和矿区所属单位的资料确定,该露天矿边坡稳定可靠性分析的几何尺寸如图1所示。(2)材料参数确定根据岩石力学参数的分布形式,用MATLAB语言中的normrnd函数直接随机产生同分布的参数数组,从中选取材料随机参数100组,然后针对每一组材料参数对边坡进行有限元分析计算。(3)边界条件选取边界条件为:左右两个侧面土体边界的水平位移为0,下部边界水平和竖向位移均为0,并通过关键字行*boundary实现。注:为了防止在计算的过程中边坡发生刚体位移而终止计算,在对计算结果影响不大的地方施加约束,限制刚体位移的产生。(4)接触定义对该边坡软弱结构面的模拟,先采用ABAQUS中接触面模型的主动(master)-被动(slave)面理论,取刚度大的基础表面为主动面,滑体表面为被动面。接触面之间的摩擦定律采用ABAQUS的“弹性滑移”的罚摩擦公式,摩擦系数随材料参数的变动而改变,接触面法向接触关系采用“软接触”公式,接触面模型的定义主要通过接触对的定义、接触表面及接触表面间的力学行为的定义来实现,其中接触对通过*CONTACTPAIR关键字行定义,接触表面通过*SURFACEDEFINITION关键字定义,接触表面间的力学行为通过*SURFACEINTERACTION关键字行定义;其次,采用ABAQUS中的弹簧单元来定义,弹簧单元的定义主要通过关键字行*SPRING来实现。(5)荷载条件初始地下水位在地表,所以,裂隙水压力按裂隙高度确定,即考虑自然状态下可能的最大静水压力,同时,还考虑了渗入的地表水形成的渗水压及裂隙中的静水压,关于静水压、渗水压主要通过ABAQUS/CAE定义,首先在field中定义两个压力场,然后通过pressure荷载形式分别施加荷载,对静水压也可以通过hydrystatic直接定义,对水压的加载见图2。对于自重通过gravity定义即可。(6)网格划分采用四节点四边形单元对基础与滑体进行网格划分,网格划分见图3。图中标出边界条件,1表示在x方向上施加约束;2表示在y方向上施加约束,在滑体上有一点标了1、2、6三个方向是为了防止滑体产生刚体位移,图中箭头的起点即为软弱结构面所在处,箭头标明了软弱结构面的定义,箭头方向为主动面指向被控面的方向。2.2边坡滑体滑移面的修正根据ABAQUS所建立的有限元分析模型,求得软弱结构面上每个单元的应力σx、σy、τxy、按式(1)、(2)将其分解到滑移面上,求得法向和切向应力,再通过积分运算分别计算出边坡滑体总的抗滑力和下滑力,最后由式(3)求得R、S的值。得到与输入参数组对应的R、S值,如表1所示。3岩石力学参数输入参数的r-anfis和s-anfis模型根据模糊减法聚类的自适应神经模糊推理系统原理,以所获得的岩石力学参数(弹性模量、泊松比、凝聚力、内摩擦系数、岩石密度等)为输入数据,抗滑力与下滑力分别为输出数据,其中取75组为训练数据,25组为检测数据,得出岩石力学参数(输入参数)分别与R、S(输出参数)的R-ANFIS和S-ANFIS模型。其训练后的模糊神经网络结构和模糊规则图如图4、图5所示。4模拟数据处理边坡状态是以安全极限状态作为衡量它是否破坏的评判准则。为了计算的简单,本文的研究是由相互独立基本变量R和S组成的二维状态:即所谓的R-S极限状态模型,把安全储备函数表达为抗滑力(R)和下滑力(S)的函数。由文献的研究成果,用蒙特卡罗方法研究随机事件的破坏概率时,其模拟次数N应该大于5000。根据本文的研究确定模拟次数N=10000,能满足计算精确要求。由岩石力学参数分布特征及实验所得参数的均值与协方差,随机产生10000组数据作为模型的输入数据,根据所建立的ANFIS—R、ANFIS—S模型获得R、S数组,同时分析得到R、S的统计特征,R、S服从正态分布以及式(4)小于0的次数m。最终由式(5)、(6)得到该露天矿边坡的破坏概率为p*f=1.15%(方差为0.0139%)和可靠度指标为β=2.0812(方差为2.554×10-4)。式中:N为模拟次数;m为破坏次数;µR,µS分别为R、S的均值;σR,σR分别为R、S的标准差。根据MATLAB语言编写的模糊减法聚类算法实现可靠度的计算程序,为了验证该程序的可靠性和实用性,在程序编写的过程中设置了for循环语句使程序能自动运算出一组可靠度指标和破坏概率值。图6和图7为循环100次的破坏概率和可靠度指标分布图。图中的点代表每运行一次程序所得到的破坏概率和可靠度指标值。由图6和图7可得,该程序是稳定可靠的,模拟次数选取10000可满足使可靠度指标和破坏概率在允许的误差范围内。5矿山边坡稳定性分析目前,对露天矿边坡的稳定性评价只能借鉴相关结构工程及前人对露天矿边坡的少量研究结果,来确定可接受的边坡破坏概率和可靠度指标的值。根据普里斯特等人在秘鲁的研究结果对主要运输线路边坡和下面有矿山永久性设备的边坡,可接受破坏概率pf=0.3%(β=2.0)。对端帮边坡、临时边坡(不靠近运输线路)以及台阶边坡,可接受概率为pf=10%(β=1.3);美国某大型露天铜矿边坡分析中确定的可接受破坏概率为pf=3.9%;王四巍等对矿山边坡稳定性分析的可靠指标提出相对稳定值域,建议矿山边坡的安全指标见表2。该露天矿台阶边坡的破坏概率pf*=1.15%和可靠度指标β=2.0812是可以接受的。故该露天矿边坡是属于稳定边坡。6模糊数学法分析模型在边坡稳定质量评价中的应用通过本文的研究,得到如下的结论:(1)大型有限元软件ABAQUS中的接触面模型以及非线性弹簧单元能效地处理岩体节理和结构面接触非线性问题,ABAQUS中的修正的Drucker—Prager模型是一种能很好地模拟岩石类摩擦材料的本构模型,大大提高了计算精度和收敛效率。(2)岩土体边坡稳定非线性有限元分析中,将地下水的影响以静水压、渗水压的形式加载。研究结果表明,这种加载方式完全可行。(3)通过对自适应神经模糊糊推理系统的抗滑力和下滑力的求解方法模型的研究可以看出,基于AN