边坡稳定分析的自适应有限元法研究
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摘要
随着计算机技术和数值计算方法的不断发展，有限元技术的应用领域正在不断地扩大。自适应有限元方法是有限元方法发展的新阶段，具有简化前处理和客观误差控制等优点，使分析更加方便，结果具有客观性，因而得到日益广泛的应用。本文针对复杂的水工结构和岩土工程结构问题，完善了平面弹粘塑性自适应有限元分析系统，并研究了其在边坡稳定分析中的应用。
有限元网格划分是有限元分析，特别是自适应有限元分析的关键性环节。本文提出了一种改进的平面四边形网格自动生成技术，并在网格生成过程中针对复杂结构中经常出现的尖灭型节理、锚杆、锚索等提出了相应的处理方法。
然后，本文阐述了弹塑性有限元分析理论和网格误差估计理论，介绍了平面h型自适应有限元分析系统，并结合两个边坡工程实例，给出了整个分析过程，验证了分析系统的实用性和可操作性。
最后，本文还介绍了在自适应有限元应力应变分析结果的基础上，利用遗传算法实现边坡的最危险滑动面和最小安全系数的自动搜索技术。通过边坡算例验证表明，这种搜索方法是有效可行的。
With the development of numerical method and electronic computer technology, the application domain of the finite element method is enlarged. The adaptive FEM is the new development stage of the FEM, which benefits to reduce pre-processing works and to control the generating mesh error objectively. Due to more convenience in the analysis and more objectivity of computation results, this method has brilliant prospects in practice. In this thesis, the h-version elasto-viscoplastic adaptive FEM analysis system for 2-D problems in hydraulic structure engineering is improved. The application of this adaptive FEM analysis system in landslide stability analysis is also focused.
Mesh generation is the key part of the FEM analysis, especially the adaptive FEM analysis. In this thesis, a new method of automatic quadrilateral mesh generation. is proposed. The algorithm to treat discontinuities and bolts as well as anchors has been put forward for the geotechnical engineering structures, too.
After the principle of 2-D FEM analysis and mesh error estimation is brought forward, the h-version adaptive FEM analysis system is established. The effectiveness and feasibility of this system is verified by two slope engineering examples.
Based on the adaptive FEM stress and deformation analysis result, an automatic search method for the critical slip surface and the minimum safety coefficient is implemented by using of genetic algorithms. The landslide examples show the feasibility and availability of the proposed method
有限元网格划分是有限元分析，特别是自适应有限元分析的关键性环节。本文提出了一种改进的平面四边形网格自动生成技术，并在网格生成过程中针对复杂结构中经常出现的尖灭型节理、锚杆、锚索等提出了相应的处理方法。
然后，本文阐述了弹塑性有限元分析理论和网格误差估计理论，介绍了平面h型自适应有限元分析系统，并结合两个边坡工程实例，给出了整个分析过程，验证了分析系统的实用性和可操作性。
最后，本文还介绍了在自适应有限元应力应变分析结果的基础上，利用遗传算法实现边坡的最危险滑动面和最小安全系数的自动搜索技术。通过边坡算例验证表明，这种搜索方法是有效可行的。
With the development of numerical method and electronic computer technology, the application domain of the finite element method is enlarged. The adaptive FEM is the new development stage of the FEM, which benefits to reduce pre-processing works and to control the generating mesh error objectively. Due to more convenience in the analysis and more objectivity of computation results, this method has brilliant prospects in practice. In this thesis, the h-version elasto-viscoplastic adaptive FEM analysis system for 2-D problems in hydraulic structure engineering is improved. The application of this adaptive FEM analysis system in landslide stability analysis is also focused.
Mesh generation is the key part of the FEM analysis, especially the adaptive FEM analysis. In this thesis, a new method of automatic quadrilateral mesh generation. is proposed. The algorithm to treat discontinuities and bolts as well as anchors has been put forward for the geotechnical engineering structures, too.
After the principle of 2-D FEM analysis and mesh error estimation is brought forward, the h-version adaptive FEM analysis system is established. The effectiveness and feasibility of this system is verified by two slope engineering examples.
Based on the adaptive FEM stress and deformation analysis result, an automatic search method for the critical slip surface and the minimum safety coefficient is implemented by using of genetic algorithms. The landslide examples show the feasibility and availability of the proposed method
引文
1．陈胜宏，高坝复杂岩石地基及岩石高边坡稳定分析，北京：中国水利水电出版社，2001
2．陈祖煜，土质边坡稳定分析—原理·方法·程序，北京：中国水利水电出版社，2003
3．龚晓南，土塑性力学(第二版)，杭州：浙江大学出版社，1997
4．陆述远，高等水工结构，北京：中国电力出版社，1999
5．潘别桐，黄润秋，工程地质数值法，北京：地质出版社，1994
6．潘家铮，建筑物的抗滑稳定和滑坡分析，北京，水利出版社，1980
7．沈珠江，计算土力学，上海：上海科技出版社，1990
8．王勖成，邵敏，有限单元法基本原理和数值方法，北京：清华大学出版社，1995
9．颜庆津，数值分析，北京：北京航空航天大学出版社，1991
10．朱伯芳，有限单元法原理与应用(第二版)，北京：中国水利水电出版社，1998
11．卓家寿，弹塑性力学中的广义变分原理，北京：水利电力出版社，1989
12．周明，孙树栋，遗传算法原理及应用，北京：国防工业出版社，1999
13．郑颖人，龚晓南，岩土塑性力学基础，北京：中国建筑工业出版社，1989
14．张有天，周维垣，岩石高边坡的变形与稳定，北京：中国水利水电出版社，1999
15．陈尚法，岩石高边坡的自适应与反馈分析研究，博士学位论文，武汉大学，2001
16．陈士军，滑坡稳定性分析的数值方法研究，硕士学位论文，武汉大学，2003
17．易达，岩体初始应力场反演分析研究，硕士学位论文，武汉大学，2002
18．秦卫星，自适应有限元法可视化集成系统面向对象开发，硕士学位论文，武汉大学，2003
19．陈尚法，陈胜宏，曹新红，三维复杂域非结构化六面体网格全自动生成方法，岩土力学，1998，19(4)：46～51
20．陈尚法，陈胜宏，曹新红，三维复杂域非结构化六面体网格全自动生成方法，岩土力学，1998，19(4)：46～51
21．陈尚法，佘成学，陈胜宏，大岩淌滑坡的弹粘塑性自适应有限元分析，岩石力学与工程学报，2002，21(2)：169-175
22．陈胜宏，王劲松，张君禄，水工结构的弹粘塑性自适应有限元分析，水利学报，1996，
(2)：68-75
23．陈胜宏，三峡工程船闸边坡弹粘塑性自适应有限元分析，岩土力学，1998，19(1)：13-19
24．陈胜宏，Egger P．，熊文林，加锚节理岩体流变模型及三维弹粘塑性有限元分析，水利学报，1998，9：41-47
25．程昭，陈胜宏，水工结构的三维阶谱有限元分析，水利学报，1999，12：53-58
26．曹新红，陈尚法，陈胜宏，三维复杂域四面体有限单元网格行波法生成，武汉水利电力大学学报，1998，31(1)：16～20
27．邓建辉，熊文林，复杂区域自适应三角形网格全自动生成方法，岩土力学，1994，15(2)：43-54．
28．邓建辉，熊文林，复杂区域非结构化四边形网格全自动生成方法，计算结构力学及其应用，1995，12(2)：196-204．
29．邓建辉，熊文林，葛修润，节理岩体自适应有限元分析方法及其工程应用，岩石力学与工程学报，1995，14(3)：246-253
30．邓建辉，郑宏，葛修润，熊文林，改进的Z~2应力恢复过程与h型自适应有限元分析，计算结构力学及其应用，1996，13(4)：475-482
31．杜丽惠，江春波，多种介质区域有限元网格自动生成技术，水力发电，2000，2：55-61
32．郭书祥，自适应有限元法及其工程应用，力学进展，1997，27(4)：479-488
33．胡恩球，张新访，向文，周济，有限元网格生成方法发展综述，计算机辅助设计与图形学学报，1997，9(4)：378-383
34．何发祥，刘浩吾，有限元前处理技术的发展，水利水电科技进展，2000，20(6)：15-18
35．何则干，陈胜宏，遗传模拟退火算法在边坡稳定分析中的应用，岩土力学，2004，25 (2)：316～319
36．李锡夔，方玉玲，三维域四面体网格生成的推进网阵法和网格光顺，计算结构力学及其应用，1994，11：19-29
37．宠作会，邓建辉，葛修润，在节理网络图上全自动生成有限元网格，岩石力学与工程学报，1999，18(2)：197-200
38．秦卫星，陈胜宏，面向对象自适应渗流有限元分析软件的研究和实现，岩土力学，2003，24(3)：463-466
39．邵龙潭，韩国城，堆石坝边坡稳定分析的一种方法，大连理工大学学报，1991，3：365-369
40．邵龙潭、唐洪洋，韩国城，有限元边坡稳定分析方法及其应用，计算力学学报，2001，18(1)：81-87
41．余学进，D．Redekop，自适应有限元的应用和发展，南昌航空工业学院学报，1998，4：78-83
42．王建华，杨磊，沈为平，有限元后验误差估计方法的研究进展，力学进展，2000，30(2)：175-189
43．王建华，王卫中，平面任意区域自适应网格生成技术，计算机辅助设计与图形学学报，1997，9(4)：295-301
44．肖专文，张奇志，梁力等，遗传算法在边坡稳定分析中的应用，岩土工程学报，1998，20(1)：44-46
45．肖专文，徐日庆，龚晓南，求解复杂工程优化问题的一种实用方法，水利学报，1999，2：23-27
46．易达，陈胜宏，地表剥蚀作用对地应力场反演的影响，岩土力学，2003，24(2)：254-256
47．赵尚毅，时卫民，郑颖人，边坡稳定分析的有限元法，地下空间，2001，12(5)：450-454
48．张修忠，金生，任意平面区域三角形网格的全自动生成算法，计算力学学报，2000，17(3)：313-319
49．郑颖人，赵尚毅，张鲁渝，用有限元强度折减法进行边坡稳定分析，中国工程科学，2002．4(10)：57-61
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2．陈祖煜，土质边坡稳定分析—原理·方法·程序，北京：中国水利水电出版社，2003
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