收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

汶川地震区斜坡动力反应研究

刘晓  
【摘要】: 斜坡是地球表面具有与水平面呈一定倾角的倾斜地质体,可以是天然的,也可以是后期人类活动形成的,它涵盖了滑坡和边坡的概念。滑坡是斜坡破坏型式中分布最广、危害最严重的一种地质灾害。而在所有滑坡灾害中,地震触发的滑坡往往造成更为严重的灾难。汶川大地震灾害调查结果表明,地震诱发的滑坡是主要的地震地质灾害类型之一。研究滑坡动力问题须从斜坡入手,地震动力条件下的斜坡动力反应问题是一个多学科深度交叉的前沿问题:涉及到工程地质、水文地质、构造地质、地震工程、岩土力学等多个学科。 本文以地震条件下的斜坡为研究对象,从动力反应分析这个关键线路进行研究。目的是揭示强震条件下某一类斜坡岩土体稳定性评价问题,服务于生产,造福于人民。 本文采取的总体技术路线是,从一般斜坡静力学问题入手,逐步拓展到斜坡动力分析领域。全文的研究内容如下: (1)从斜坡稳定性评价方法入手,在前人研究成果的基础上,将斜坡稳定系数的定义分为三大类,即:稳定系数的基本定义,稳定系数的滑动面应力积分定义和稳定系数的强度折减定义,研究三大类稳定系数的内在关系和差别。稳定系数的滑动面应力积分定义与稳定系数的基本定义关系密切,前者是后者在宏观尺度上的自然延伸,定义的内涵是相似的。这两种定义都是在不改变当前应力状态的情况下,按摩擦型材料的观点,以抗剪力与实际剪切应力的比值来定义稳定系数。而强度折减定义,本质上是寻找斜坡的临界破坏状态,以折减系数来描述强度储备,在解决问题的思路上明显不同。在简单块体条件下,强度折减法与基本定义法是等效的,但在复杂的应力场条件下,情况则有很大的不同。为了揭示强度折减法与前两类定义的差别,本文首先探讨应力场与岩土体物理力学性质场之间的联系,继而提出并证明了整体极限平衡状态引理。通过引理从力学上严格证明了基于二分法(含黄金分割法)的强度折减法与滑动面应力积分的定义并不完全等效,真正与之等效的是广义强度折减法。笔者定义的所谓广义强度折减法是指应力场中各点可具有不同的折减系数,由积分中值定理能够证明整体上存在一个等效的强度折减系数,该系数反映的是所有强度折减系数的加权平均,而且该系数与基于滑动面应力积分的定义完全等效。但广义强度折减法的实用价值远不及理论价值,目前尚无有效的实现算法。 (2)研究了强度折减法的适用性,并提出了并行强度折减法。通常基于二分法的强度折减法都是单一折减系数的强度折减,虽然简单易行,但是其等效性不能获得保证。虽然大多数情况,其逼近的特性良好,但不排除在某些情况下很可能会有较大的偏差,特别是在地质条件、几何形态复杂的条件下,各种数值模拟方法捕捉到的临界状态往往是局部的塑性流动,而不是我们所关心的整体极限平衡。因此,在滑动面应力积分定义的框架下开展非圆弧临界滑动面的搜索研究具有非常现实的意义。运用分支预测的思想,提出了二分法的并行多线程算法,并将其应用于强度折减法。详细分析了并行算法的性能,给出了加速比的估算公式。对FLAC3D进行二次开发,将传统的FLAC3D环境下的强度折减法改造成并行的模式,效率提升显著,7个线程条件下的速度提高到原来的近4倍。 (3)从信息学的角度,对滑动面搜索问题进行提炼,严格地证明了斜坡临界滑动面搜索为NPC类问题。证明的意义在于,首先明确了不可能设计出具有多项式时间复杂度的精确求解算法,为滑动面搜索算法的设计指明了方向:正如大量的NPC类问题采用群体智能算法取得很好的效果,采用智能群体算法寻求最优滑动面的近似解是解决问题的大方向。实践证明,采用微粒群算法(PSO)能够获得性能良好的近似解。证明的意义还在于,从信息学的角度印证了基于二分法(含黄金分割法)的强度折减法与常规稳定性系数的定义方法并不完全等效。 (4)研究了基于微粒群算法(PSO)的斜坡非圆弧临界滑动面的搜索方法。以滑动面应力积分的方法来定义斜坡稳定系数,并采用微粒群算法(PSO)来动态搜索临界滑动面。详细阐述了将微粒群算法(PSO)应用于临界滑动面搜索的方法和实现步骤。在此基础上提出了多层次微粒群算法(PSO),为PSO算法与其他优化方法融合奠定了基础。将PSO算法推广到并行处理,大幅度提高了滑动面搜索的效率,实测表明在8线程条件下能实现超过4倍的加速比。此外还详细研究了滑动面的动态随机生成技术。从某种意义上说,将微粒群算法引入一个具体的领域,其难度不在于微粒群算法本身,而在于如何将需要解决的具体问题与算法的框架模型相联系。具体到临界滑动面搜索问题,如何动态地随机生成符合几何约束条件的滑动面是微粒群算法(PSO)能否成功应用的关键。本文以澳大利亚计算机应用协会(ACADS)考核题EX1C为例,详细阐述了滑动面动态随机生成技术、对异常状况的处理方法,以及如何根据具体情况分析,编写高质量的代码,提高效率。 (5)开发了去除仪器响应的接口软件,填补了Windows下缺乏同类软件的空白。该软件能实现自动读取国家地震局公布的SEED/SAC格式文件,运用时域滤波算法去除仪器响应,并以文件形式自动输出速度和加速度时序,可直接供SeismoSignal软件读取进行后续分析。值得注意的是,关于汶川主震波形,目前可供使用的只有速度型地震仪的记录,但速度型地震仪并不能直接记录加速度时程信号,为了从速度时程得到加速度时程,需要采用数值微分算法,所面临的问题是数值微分往往会放大数据中的误差。这就是通常所说的“微分倾向于不稳定”。本文详细阐述和比较了不同的微商算法的精度问题,指出求解实际上等效于延时滤波,阶次越高越明显,与一般问题中倾向于“光滑”的处理恰好相反,加速度的求解应尽可能保留加速度时程的分辨率。同时指出,汶川强震条件下,速度型地震仪饱和现象十分明显,若要获取更为精确的波形则需要采用强震仪进行地震监测。 (6)研究了斜坡动力计算的边界条件的设置、力学阻尼参数的选取方法、网格尺寸和动力荷载滤波的匹配问题。以国家地震局成都台(CD2)记录的波形为动荷载,考察了ACADS考核题EX1C算例在纵、横波双通道耦合输入条件下的动力响应。与常规的岩土动力反应分析中仅仅使用一个通道的波形不同,本文采用纵波和横波耦合输入的方式,能够考虑东西向(EW)、南北向(NS)和垂直方向(H)三个方向上的耦合,尽可能真实的还原研究对象在真实地震条件下的反应。结合斜坡非圆弧临界滑动面搜索的多层次并行微粒群算法,获取了不同时最危险滑动面的位置,以及相应的稳定性系数时程曲线。通过谱分析,指出斜坡稳定系数对动力荷载频率的响应是不均匀的,具有明显的频率选择特性。具体到EX1C算例,对0.8HZ-3.2HZ的范围内的低频动力荷载比较敏感。 (7)开发了FLAC3D和有限元条件下的三维应力场(含物理指标参数场)的快速获取和访问算法。对于复杂的数值模拟问题,速度往往决定一切,否则我们就永远只能停留在解决简单的、概念性的教学模型阶段。与传统的静力分析不同,动力条件下,为了满足频谱分析的采样密度,对应力场获取的时效性提出了更高的要求,以往对此鲜有研究,如何短时间内快速的获取应力场是必须着力解决的问题。为此,笔者以变直接为间接、以空间换时间、改串行为并行的指导思想,分层次、分阶段的逐步提高算法的效率。最终实现了应力场生成和访问的多线程并行算法,获得了显著的效率提升。高速的应力场访问技术为深入进行复杂条件下的大自由度斜坡动力反应分析奠定了基础,使得应力场生成和访问的时效性不再成为制约动力分析的瓶颈,为开展基于应力场的动力反应分析扫清了障碍。有限元条件下与基于有限差分的方法不同,有限元的大部分参数指标保存在网格节点中,情况要更加复杂,本文采用基于体积权重的算法来实现三维条件下应力场的快速获取和访问,并继承了FLAC3D条件下的应力场快速生成技术,实现了多线程并行计算。 (8)把斜坡动力反应分析的基本方法、斜坡非圆弧临界滑动面搜索技术相结合,应用于高速远程滑坡的动力反应研究。以四川省北川县金鼓村滑坡为例,讨论了动力甩出区的时空演化规律,并分析了稳定系数、坡脚和坡顶等各监测点的加速度和速度的频率特性。 本文的主要创新点是: (1)严格证明了基于二分法(含黄金分割法)的强度折减法与滑动面应力积分的定义并不完全等效,结束了岩土力学界长达35年的学术争论,指出真正与后者等效的是广义强度折减法,同时也指出,广义强度折减法的实用价值远不及理论价值,目前尚无有效的实‘现算法。从信息学的角度,严格地证明了斜坡临界滑动面搜索为NP完全问题(即:NP-Complete,简称NPC)。该证明的意义在于:首先,明确了不可能设计出具有多项式时间复杂度的精确求解算法,采用智能群体算法寻求近似解是解决问题的大方向;其次,从侧面证明基于二分法(含黄金分割法)的强度折减法与常规稳定性系数的定义方法并不完全等效。 (2)在提出二分法的并行多线程算法的基础上,将其应用于斜坡稳定性分析的强度折减法领域,提出了并行强度折减法。详细分析了并行算法的性能,给出了加速比的估算公式。对FLAC3D进行二次开发,将传统的FLAC3D环境下的强度折减法改造成并行的模式,效率提升显著,7个线程条件下的速度提高到原来的近4倍。 (3)提出了FLAC3D和有限元条件下的三维应力场(含物理指标参数场)的快速获取和访问算法。分层次、分阶段的逐步提高算法的效率,最终实现了应力场生成的多线程并行算法,大大提高效率,使得应力场生成和访问的时效性不再成为制约动力分析的瓶颈,为开展基于应力场的动力反应分析扫清了障碍。此外在地震波解译领域,开发了去除仪器响应的接口软件,填补了Windows下缺乏同类软件的空白。 (4)提出了斜坡非圆弧临界滑动面搜索的多层次并行微粒群算法。将该方法应用于斜坡动力反应分析,并结合谱分析理论,提出斜坡动力稳定系数的谱分析法。指出斜坡稳定系数具有明显的频率选择特性。将上述这些新方法引入高速远程滑坡的动力反应研究领域,以四川省北川县金鼓村滑坡为例,研究了动力甩出区的时间和空间演化规律,以及动力稳定系数的时域和频域特性。 斜坡动力反应分析是一个年轻的研究领域。目前研究还处于起步阶段,很多理论和方法尚不完善。本文仅作了初步的探索,笔者认为在以下几个方面仍然需要作进一步的研究: (1)本文所建立的基于应力场的分析方法是以土坡为例的,对岩质斜坡问题如何引入此方法是需要进一步研究的问题。解决问题的方向有两条:一是沿着“岩体等效力学参数”的思路,对裂隙岩体采取等效处理,可以对某一类拓扑结构的岩体得到有一定共性的结论。其二是针对具体的岩质斜坡,运用工程地质的研究方法分析其可能存在的一组或几组潜在滑动面,并按结构面网络模拟的成果,将规模大的、有显著控制作用的优势面建立到模型中,以便采用特殊的接触面单元进行力学响应分析。无论采取上述何种方法,最终模型的应力场将能够在一定程度上反应裂隙岩体的力学特性,再通过本文所论述的滑动面随机搜索技术并结合搜索指定的潜在滑动面,便可综合研判最危险的情况。因此,沿用本文的基于应力场的处理思路将能够预期解决岩质斜坡的动力反应问题,其时间域、空间域、和频率域的分析方法是一致的。 (2)斜坡动力稳定性的可靠度研究。目前在岩土工程中,进行动力反应分析的岩土体参数的取值是个值得关注的问题。一般认为,数值模拟的输入参数不能直接采用室内实验参数,而是应该在工程地质类比的大框架下选取适当的值进行分析。因此,不同的学者取值就具有一定的随意性,如何反映不同的取值对最终稳定性评价的影响就需要进行可靠度研究。目前有关斜坡动力稳定性可靠度的研究成果还十分匮乏,这将是下一步研究的方向之一。 (3)继续将群体智能算法与斜坡滑移优化问题相结合,进行更深入的研究。本文提出的斜坡非圆弧临界滑动面搜索的多层次并行微粒群算法,预留了与其他优化方法融合的接口,下一步将寻求各种优化算法的融合,以便能够更好的解决实际问题。 (4)复杂条件下模型相似比的研究。在实际动力分析中发现,由于模型空间尺度太大,动辄上千米,即便大量的引入并行计算理论和方法,也无法完全摆脱运算效能不足的问题。解决问题的方向有两个,一是研究模型的相似比问题,即是希望通过某种小尺度的模型配以合适的参数来替代真实的模型,可以借鉴流体力学中无量纲化的思想,但在动力问题中由于涉及时间尺度,再加之很多分析软件并不支持完全无量纲化的分析,使得实现起来具有一定的困难,下一步应该加强此方面的研究。 (5)岩土力学领域高性能计算的研究。解决计算能力不足的另一条途径是继续加强高性能计算的研究,目前高性能计算领域的前沿有:多线程并行计算、基于GPU (Graphic Processing Unit)的并行计算、分布式集群计算和云计算,其中实现云计算具有极大的性能拓展空间。下一步的研究方向之一是全面改写已有的程序代码,使之能够解决三维复杂地层条件下的动力反应分析,包括滑动面搜索,时域和频域分析等子问题。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 周桂云;;基于强度折减的边坡稳定安全系数有限元迭代解法[J];水利水电科技进展;2010年03期
2 陈昌禄;邵生俊;邓国华;;土的结构性参数与强度的关系及其在边坡稳定分析中的应用[J];中南大学学报(自然科学版);2010年01期
3 张东明;李剑锋;王燕增;;小南海崩滑体稳定性分析及防治措施[J];自然灾害学报;2010年03期
4 张永兴;胡居义;何青云;王桂林;;基于强度折减法小净距隧道合理净距的研究[J];水文地质工程地质;2006年03期
5 梁珊珊;赵莉莉;;边坡稳定分析的有限元强度折减法[J];广东建材;2006年07期
6 曹云;肖武;;基于强度折减和容重增加法的三维边坡稳定性分析[J];煤田地质与勘探;2010年03期
7 刘春原;赵磊;张军其;龚攀;宋海超;;某高速公路路基边坡稳定性分析[J];世界地震工程;2010年S1期
8 欧湘萍;白楷;朱云升;袁灿;王景;刘定涛;刘怀军;;基于FLAC-3D的强度折减法边坡稳定性分析[J];武汉理工大学学报;2009年09期
9 张肆红;路晓光;;强度折减法在边坡稳定性分析中的运用[J];山西建筑;2010年06期
10 赵星;时凯;;某高边坡安全系数计算及稳定控制研究[J];山西建筑;2010年13期
11 王学志;翟诚;毕重;朱朝艳;;FLAC3D在边坡稳定分析中的应用[J];吉林水利;2010年06期
12 来国英;付永刚;王建新;;强度折减法在高边坡支护稳定性分析中的应用[J];河南城建学院学报;2010年04期
13 魏雪丰;莫璇;;有限元强度折减法在滑坡稳定性系数计算中的应用[J];科技信息;2010年31期
14 彭燃;刘国煜;田伟平;;边坡稳定分析中极限平衡法与强度折减法比较研究(Ⅱ)[J];交通标准化;2011年Z1期
15 陈鹏;吴贲;杨小礼;;三孔小净距隧道围岩安全系数分析[J];湖南文理学院学报(自然科学版);2011年02期
16 张超;杨春和;;有限差分强度折减法求解边坡稳定性[J];土木工程与管理学报;2011年02期
17 李朝晖;陈建平;马艳玲;;基于强度折减法的边坡稳定性分析[J];采矿技术;2011年04期
18 仉国栋;刘宗仁;李守涛;;预应力锚杆复合土钉支护模拟研究[J];青海大学学报(自然科学版);2007年04期
19 杨贞武;唐垂柳;冉昌国;占仲国;;基于强度折减法的滴水崖Ⅰ号滑坡稳定性分析[J];科技创新导报;2008年02期
20 王永安;;滑坡稳定性的有限元强度折减法数值分析[J];山西建筑;2008年21期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 刘汉东;薛雷;李维朝;;非均质边坡强度折减法折减范围研究[A];工程地质力学创新与发展暨工程地质研究室成立50周年学术研讨会论文集[C];2008年
2 薛雷;孙强;秦四清;刘汉东;黄鑫;;非均质边坡强度折减法折减范围研究[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
3 李维朝;戴福初;李宏杰;刘汉东;;基于强度折减的岩质开挖边坡加固效果三维分析[A];中国科学院地质与地球物理研究所2008学术论文汇编[C];2009年
4 杨光华;张玉成;张有祥;吴舒界;;变模量强度折减法及其应用[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
5 李林科;张爱军;侯春娇;;基于强度折减法与极限平衡法的加筋高挡墙边坡稳定分析[A];第十一届全国土力学及岩土工程学术会议论文集[C];2011年
6 陈昌富;龚晓南;赵明华;;混沌蚁群算法及其工程应用[A];中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集(下册)[C];2003年
7 管旭东;孙进忠;白英;于沭;;基于强度折减法的岩质边坡稳定性二维有限元分析[A];中国地质学会工程地质专业委员会2007年学术年会暨“生态环境脆弱区工程地质”学术论坛论文集[C];2007年
8 宗兰;史恒通;;土坡稳定安全系数与临界滑动面技术[A];第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ卷[C];2000年
9 郑颖人;赵尚毅;张鲁渝;邓卫东;;有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[A];岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题——中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C];2002年
10 高玮;张飞君;;基于奖惩蚁群算法的边坡临界滑动面搜索研究[A];自主创新与持续增长第十一届中国科协年会论文集(1)[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘晓;汶川地震区斜坡动力反应研究[D];中国地质大学;2010年
2 林杭;基于线性与非线性破坏准则的边坡强度折减法研究[D];中南大学;2010年
3 张锐;高土石坝地震作用效应及坝坡抗震稳定分析研究[D];大连理工大学;2008年
4 王桂林;岩石洞室地基稳定性研究[D];重庆大学;2004年
5 张志刚;节理岩体强度确定方法及其各向异性特征研究[D];北京交通大学;2007年
6 陈卫兵;考虑岩土材料流变特性的强度折减法研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2008年
7 胡贺松;深基坑桩锚支护结构稳定性及受力变形特性研究[D];中南大学;2009年
8 贾蓬;基于强度折减法的结构面影响下隧道围岩破坏机理数值试验研究[D];东北大学;2008年
9 李亮;智能优化算法在土坡稳定分析中的应用[D];大连理工大学;2006年
10 资建民;高填方路基快速施工与沉降控制研究[D];华中科技大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王倩;基于强度折减的坝坡稳定性分析方法的研究[D];大连理工大学;2006年
2 叶华静;土石坝的有限元静力稳定分析[D];大连理工大学;2006年
3 何盛;含贯通结构面的岩质边坡稳定分析[D];中南大学;2008年
4 杨有贞;边坡稳定性弹塑性大变形有限元分析[D];宁夏大学;2004年
5 林兴超;基于强度折减的边坡稳定性分析方法研究[D];中国地质大学(北京);2009年
6 王军;高陡岩土边坡有限元分析及综合治理[D];中南大学;2005年
7 杨正权;加筋土挡墙的稳定性分析研究[D];大连理工大学;2006年
8 王淼;土钉支护在边坡工程中的应用及稳定性的有限元分析[D];吉林大学;2008年
9 邹维勇;玉蒙线膨胀土路基填筑及现场测试[D];西南交通大学;2008年
10 张洪涛;不同本构模型下边破稳定性的有限元分析及其失稳判据的研究[D];北京交通大学;2009年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978