文档介绍：1 1
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2006 年 12 月中国工程科学 Dec. 2006
第 8 卷第 12 期 Engineering Science Vol 8 No 12
院士论坛
有限元极限分析法发展及其在岩土工程中的应用
郑颖人1 , 赵尚毅1 , 邓楚键1 , 刘明维1 , 唐晓松1 , 张黎明2
(1 中国人民解放军后勤工程学院, 重庆 400041 ; 2 青岛理工大学, 山东青岛 266000)
[摘要] 有限元极限分析法兼有数值分析法与经典极限分析法两者的优点, 特别适用于岩土工程的分析与设
计。20 世纪初, 国内岩土工程界应用国际上通用程序, 大力发展有限元极限分析法并拓宽其在岩土工程中的应
用。在基本理论研究、提高计算精度、拓宽应用范围及工程实际应用等方面取得了很大成绩。重点介绍作者及
其合作者的一些研究成果。主要包括岩土工程安全系数定义、方法原理、整体失稳判据、强度准则的推导、选
用及提高计算精度等方面的研究。应用范围从二维扩大到三维, 从均质土坡、土基扩大到有节理的岩质边坡与
岩基, 从稳定渗流扩大到不稳定渗流、从边坡与地基工程扩大到隧道、还用于寻找边(滑) 坡中的多个潜在滑
面, 进行岩土与结构共同作用的支挡结构设计, 计算机仿真地基承载板载荷试验等应用项目, 以逐渐达到革新
岩土工程设计方法的目的。
[关键词] 极限分析法; 有限元法; 岩土工程; 边坡; 地基; 隧道
[中图分类号] TU45 [文献标识码] A [文章编号] 1009 - 1742 (2006) 12 - 0039 - 23
因, 导致计算精度不足, 而没有得到岩土工程界的
前言
1 广泛采纳。
自 20 世纪 20 年代以来, 岩土工程的极限分析 20 世纪末前后, 国际上又发表了多篇文
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方法(主要指滑移线场法、上下限分析法与极限平章[3 6 ] , 研究了有限元强度折减法求解均质土坡的
衡法) 获得蓬勃发展, 并广泛应用于工程实际。这稳定安全系数 F , 由于一些算例得到的结果与传统
些方法有的需要作一些人为假设, 有的求解范围十方法求解结果比较接近, 逐渐得到学术界认可, 有
分有限, 限制了这种方法的发展与应用。而有限元些国外学者认为有限元强度折减法使边坡稳定分析
法数值方法适应性强, 应用范围宽, 但无法求出工进入了一个新的时代。尤其是 1999 年美国科罗拉
程设计中十分有用的稳定安全系数 F 与极限承载多矿业学院的 D. V. Griffith 等人用自编有限元程序
力, 从而制约了有限元数值分析方法在岩土工程中对均质土坡进行稳定分析[3~5 ] , 与其他程序不同之
的应用。处是该程序能够模拟水位和孔隙水压力的影响, 还
1975 年, 英国科学家 Zienkiewicz 提出在有限元可进行库水下降情况下边坡的稳定分析。
中采用增加荷载或降低岩土强度的方法来计算岩土 1997 年宋二祥介绍和研究了有限元强度折减
工程的极限荷载和安全系数[1 ] 。20 世纪 80 年代、法在土坡中的应用[7 ] 。21 世纪初, 国内学者开始
90 年代曾用于边坡和地基的稳定分析[2 ] , 但是由致力于有限元强度折减法在边坡稳定分析中应用的
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于当时缺少严格可靠、功能强大的大型有限元程序研究[7 15 ] , 文献[8~10 ] 是国内较早的研究文章。
以及强度准则的选用和具体操作技术掌握不够等原首先进行了该法基本理论和提高计算精度的研究,
[收稿日期] 2006 - 05 - 12 ; 修回日期 2006 - 07 - 20
[基金项目] 国家自然科学基金资助项目(10402014)
[作者简介] 郑颖人(1933 - ) , 男, 浙江镇海县人, 中国工程院院士, 解放军后勤工程学院教授, 博导, 从事岩土力学、岩土工程与
地下工程研究
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随着计算精度的提高, 这种方法受到国内岩土工程另一类, 如地基工程由于地基上荷载不断增大而导
界和设计部门的广泛关注。一方面扩大了有限元极致地基失稳破坏, 这类工程采用荷载增大的倍数作
限分析法的应用范围, 另一方面也开始被一些工程为超载安全系数, 称为有限元增量加载(超载)
设计部门实际采用。目前, 有限元极限分析法正进法。同样, 凡是采用这一方法求解的安全系数的都
入方兴未艾的发展阶段。是超载安全系数。显然, 上述两种方法求得的安全
国际上采用有限元强度折减法求解边坡的滑面系数是不同的, 即不同的安全系数定义得到的安全
与安全系数, 用有限元增量加载(超载) 法求地基系数是不