（构造地质学专业论文）粘性土坡稳定敏感性因素分析及其可靠度研究.pdf

中南大争峨士奋文 其 文 拍 要 2 0 0 1 . 5 s e n s i b i l i t y f a c t o r s a a n a l y s i s a n d r e l i a b i l i t y o f c o h e n s i v e s o i l s l o p e ab s t r a c t t h e p r o b l e m o f s l o p e s t a b i l ity i s re l a t e d t o m a n y f i e l d s s u c h a s t h e c o n s tr u c t io n o f h i g h w a y a n d b r id g e , h y d r a u l ic e n g i n e e ri n g a n d o t h e r c i v i l e n g in e e r in g s . t h e r o c k o r s o il s l o p e i s a k i n d o f n a t u r a l g e o l o g i c a l b o d y , a n d i t s s t a b i l i ty i s i n fl u e n c e d b y m a n y u n c e r t a i n f a c t o r s , t h e s l o p e f a i l u r e m a y re s u l t i n t h e l a n d s l i d e o f t h e s l o p e , c a n e v e n d e s t r o y t h e w h o l e c o n s t r u c t i o n b e l o w o r i t a n d c a u s e t o l o s e p e o p l e s l i v e s a n d t h e ir p ro p e r t y . s o t h e p r o b l e m o f s l o p e s t a b i l i ty i s a l w a y s a n i m p o r t a n t r e s e a r c h s u b j e c t i n t h e c i v i l e n g i n e e r i n g . t r a d i t i o n a ll y , t h e f a c t o r o f s a f e ty i s r e g a r d e d a s t h e i n d e x o f e v a l u a t i n g t h e s l o p e s t a b il ity衍 g e o t e c h n i c a l e n g in e e r s . h o w e v e r ,t h e f a c t o r o f s a f e t y i s n o t h in g b u t a d e t e r m i n i s t i c v a l u e g a in e d妙 t h e d e t e r m i n i s t i c m e t h o d . b e c a u s e i t c a n n o t t a k e a n y in tr in s ic v a r ia b il ity o f d e s ig n p a r a m e te r s in t o a c c o u n t it s c a lc u la t io n , a s p e c ia l v a l u e o f th e f a c t o r o f s a f e ty u n n e c e s s a r i l y h a s t h e s a m e s i g n i f i c a n c e t o d i ff e r e n t s l o p e p r o j e c t s , a n d i t s v a l u e c a n n o t p r e s e n t s a f e ty c o n t e n t o f s l o p e . a c t u a ll y , 血 v a l u e o f t h e f a c t o r o f s a f e ty i s f a r fr o m a c o n s t a n t ,b u t a v a r i a b l e d o m i n a t e d 勿t h e v a r i a b i l i ty o f t h e d e s i g n f a c t o r s . i n s p i t e o f t h e f a c t t h a t re l i a b i l i ty t h e o ry i s i n t r o d u c e d迈 t h e g e o t e c h n i c a l e n g in e e r i n g fi e l d in 1 9 6 0 s a n d n o w t h e re l ia b ili ty e n g in e e r in g th e o r y h a s b e c o m e m a t u r e c o m p l e t e l y ,b u t i t i s d e v e l o p e d v e ry s l o w l y i n t h e f i e l d o f s l o p e p ro j e c t s .t h e r e a r e t w o r e a s o n s f o r t h i s .fi r s t ly , r e l i a b i l ity t h e o ry in v o lv e s t e r m s a n d c o n c e p t s th a t a r e n o t f a m i l ia r t o m o s t g e o t e c h n ic a l e n g in e e r s .s e c o n d ly , it i s c o m m o n ly p e r c e iv e d t h a t u s in g re l i a b i l i ty t h e o ry w o u l d r e q u i r e m o r e t i m e a n d e ff o r t d u r i n g t h e c o u r s e o f c o ll e c t i n g d a t a a n d d e a l i n g w i t h d a t a a n d c a l c u l a t i n g t h e re l i a b i l i ty i n d e x t h a n a r e a v a i l a b l e i n m o s t c i r c u m s t a n c e s . c o n s e q u e n t ly， r e l i a b i l i ty t h e o ry a n d t h e a n a l y s i s m e t h o d s h a v e n o t b e e n m u c h u s e d in r o u t i n e g e o t e c h n i c a l s l o p e p r a c t i c e . s o h o w t o m a k e r e l i a b i l i ty t h e o ry a n a l y s i s m e t h o d s s i m p l e a n d e a s y t o u s e a n d h o w t o w o r k o u t v a l u a b l e e v a l u a t i o n t o t h e s a f e t y c o n t e n t f o r a s l o p e p r o j e c t w i ll b e t h e m a i n s u b j e c t o f t h i s d i s s e r t a t i o n i n th i s d i s s e r ta t i o n b a s e d o n出 。 m o d e l o f c o h e n s i v e s o i l s l o p e i n t h i s fi e l d , a n e w m e t h o d i s p r e s e n t e d , w h i c h c o m b i n e s t h e d e t e r m i n i s t i c m e t h o d a n d t h e p r o b a b i l i s t i c m e t h o d a n d a ll o w s f o r t h e d e g r e e o f u n c e r t a i n ty a n d v a r i a b i l i ty o f s o i l p a r a m e t e r s i n v o l v e d i n re l i a b i l i ty i n d e x s c a l c u l a t i o n .b y t h e m i d d l e re s u l t s - t h e f a c t o r s o f s a f e t y ,w i t h u s i n g t h e r e l ia b il ity a n a ly s i s m e t ho d m f o s m ( m e a n - v a lu e f ir s t - o r d e r s e c o n d - m o m e n t m e th o d ) a n d e s tim a t in g t h e s t a n d a r d d e v i a t io n a n d th e c o e f f i c ie n t o f v a r ia ti o n o f f a c t o r s o f s a f e ty , s o t h e re l i a b i l i ty i n d e x o f s o i l s l o p e c a n b e c a l c u l a t e d b y a s s u m i n g a l o g n o r m a l d i s t r i b u t i o n o f th e f a c t o r s o f s a f e ty a n d th e s e n s ib i l ity f a c t o r s a ff e c t in g t h e c o h e n s i v e s lo p e s ta b i li ty c a n b e a n a l y z e d ,a t 触 s a m e t i m e t h e r u l e s o f r e l i a b i l i ty o f s l o p e s t a b i l i ty a r e d i s c u s s e d .b y u s i n g th i s m e th o d t h e s l o p e s t a b i l ity a n d it s s a f e t y d e g r e e c a n b e e s t i m a t e d fr o m m o r e s i d e s . d u r in g t h e c o u r s e o f d is c u s s i n g t h e s lo p e re l ia b il ity ,t h e in t r i n s ic r e l a t i o n s a m o n g th e v a r i a b i l i ty o f s o i l p a r a m e t e r s a n d v a r i a b i li ty o f t h e f a c t o r s o f s a f e t y a n d t h e re l i a b i l i t y i n d e x e s o f s l o p e a r e d i s c u s s e d ,t h e r e f o r e , t h e m e t h o d u s i n g t h e c o e ffic i e n t o f v a r i a t i o n o f t h e f a c t o r s o f s a f e t y t o e s t i m a t e t h e s l o p e r e l i a b i li ty i n d e x i s p ro v e d c o r r e c t i n t h e o ry a n d e a s y t o u s e i n p r a c ti c e . k e y w o r d s : s l o p e s ta b i li ty , p r o b a b i l i s t i c a n a l y s i s m e 数值分析方法的广泛应用:图解法的改进; 复合分析法的应用。 1 . 极限平衡理论的完善 极限平衡理论是最精典的确定性分析方法， 具体方法是将有滑动趋势范围内的边 坡岩体按某种规则划分为一个个小块体， 通过块体的平衡条件建立整个边坡平衡方 程，以 此为基础进行边坡分析。由于该方法具有模型简单、 计算公式简捷. 可解决各 种复杂剖面形状，能考虑各种加载形式的 优点， 故得到广泛的应用. 但存在着危险面 确定困难、 计算棋型过于简化的缺点。 近年来该方法得到进一步的完善. 传统的极限平衡法认为滑动面沿长度方向 是不 变的， 这与实际边坡有些不 符. 郭汉荣 1 1, ( 1 9 9 8 ) 在极限 平街公 式中引 入一 个几何参 数r ， 将单位走向边坡长度块段分析改为扇形块段分析， 用于锥形边坡分析中。该方 法能较好地适用于天然山包、 人工废石山、 煤歼山等锥形边坡， 计算结果比传统的方 法 更 合乎 实际. d .s t a r k 等 m ( 1 9 9 8 ) 认 为 极 限 平 衡 二维 分 析中隐 含 破坏 面 垂 直 剖 面 方 向 无穷 大的假设与实际不合， 建立了 极限 平衡三维分析方法. 从二维分析推广到三维 分析， 更能反映实际边坡， 但大大增加了 分析的难度. 有限平衡分析的关健问 月是确 定 最危险清动面及其对应的最小安全系数， 常规作法是假定滑动面为圈弧形， 对滑动 睡h 的 确 定 采 用 经 脸方 法. 消 元 法中 的 二 分 法 及 坐标 轮 法 等.肖 专 文等 p 1 ( 1 9 9 8 ) 仍 假设 滑动面为圈弧形， 用遗传 进化算法确定 边坡最危险滑 动面 及其对应的 级小安 全系 +令大矛硕士婚大第一幸岭伦 2 0 0 1 . 5 数。 遗传 进化算 法由 美国j o h n h .h u a n g 教 授首 先 提出 ， 这 种算 法 模 拟生 物 进 化步 骤， 将复制、 杂交、 变异、竟争和选择等概念引入到算法中， 克服了 传统分析方法容易进 入局部极小化缺点，是一种全局优化算法， 但该法要有较高的理论基础。 朱大勇4 ( 1 9 9 7 ) 基于最优控制理论思想认为临界面是非孤立的而是共生于一簇危险滑动面， 引入边坡临界滑动场概念， 通过数值方法求解临界滑动场， 进而计算临界滑动面及临 界 滑动面所对应的最小安全系数。 该方法提出的临界 滑动场概念比单一临界 滑动面更 能反映边坡整体或局部稳定性， 能将所有可能危险滑动范围同时出 现， 且能由 临界滑 动场能快速定出边坡临界滑动面。但方法计算工作量大，只能采用计算机方法。 g .z o m b e r g 等 l6 1 ( 1 9 9 8 ) 通 过 实 验 分 析 发 现 人 工 加 固 边 坡的 破 坏 机 理 并 评 价了 基 于 极限平衡理论的加固边坡设计方法的适用性及其设计中假设的合理性， 并将边坡稳定 性问题推广到人工加固边坡领域. 2 . 数值分析方法的广泛应用 随着计算机技术的发展， 很多数 值计算方法都 用到边坡稳定分析中. 有限 元法是 一种十分成熟的数值方法， 它几乎适用于所有的计算领域。 其最大优点是可分析任何 形状的几何体， 不但能进行线性分析而且还能进行非线性分析。 有限元是边坡稳定分 析中 用得较多的一 种数值方 法。 邱祥波等n ( 1 9 9 8 ) 采用原流变模型， 给出了 初应变 法的有限元解析式，用自 编的平面有限元程序对小浪底出口 边坡进行了 稳定性分析. 沈 风生 等ro t ( 1 9 9 8 ) 采用三维有限 元 法对小浪 底水利 枢纽工程 进水口 南 端山 体高 边坡 稳定 性进行了 研究. 杨家岭 等19 1 ( 1 9 9 8 ) 采用弹塑性 有限 元分析方法对藕塘古 滑体在 三峡水库形成后的稳定性进行了 分析。 其它数值方法如边界元法、 离散元法、 拉格朗 日 法 也开 始 大 a 应用 于 边 坡 橡定 性 分 析中 . 常 春等 1 19 1 ( 1 9 9 8 ) 提出了 边 坡 应力 分 析的 一种新方法， 即离散元计算和神经网 络预测相结合的模型。 该法首先用离散元方法分 析不同开采深度下的边坡岩体应力， 将计算结果形成样本集， 应用用神经网 络学习并 进行推理， 预测其它开采深度的边坡岩体应力。 可见数值分析方法有两种发展趋势: 一是有限元法的发展， 从平面有限元到三维 有限元， 从弹性有限元到弹塑性有限元， 使有限元分析结果更能反映实际边坡:二是 大盘新型数值计算方法的应用， 如边界元法、 离散元法、 拉格朗日 法等， 这些数值方 法的应用必将促进边坡稳定性研究的发展. 3 . 边坡稳定性图解法的发展 图解法是考虑边坡的各种因紊如岩性， 地下水， 边坡角等的变化， 根据相应的公 式制成图表， 这样使得边坡设计变得简单， 只需要查相应的图表即可。 自1 9 3 7 年门t a y l o r 首次提出 稳定性分析图表以 来， b is h o p和 m o r g e n s t e m ( 1 9 6 0 ) ,m o r g e n s t e m ( 1 9 6 3 ) 及 s p e n c e 城 1 9 6 7 ) 陆 续 设 计 出 了 各 种 图 表. 李 靖 等 11 1 ( 1 9 9 8 ) 改 进b i s h o p 法 得 到 一 个 简 化 公式.由 该公式考虑黄土的主要因素设计了黄土边坡稳定分析图表。 因图 解法简单直接， 工程界常常使用， 但因其在简化基础上进行归并而得， 使用 时耍一定注愈其适用条件和适用范田. 4 . 复合法的应用 对于同一边坡采用两种或两种以上方法进行研究的方法称为复合法.沈风生等 叭1 9 9 8 ) 采 用 三 维 有 限 元 和 刚 体 极 限 平 衡 理 论 相 结 合的 方 法 分 析了 小 浪 底 水 利 枢 纽 工 程 进 水口 南 端山 体高 边 坡的 稳定 性. h .s .y u 等 1 1 1 ( 1 9 9 8 ) 采 用有 限 元 数 值 方 法 和 极限 平衡理论分析了 均质和非均质的简单土坡， 且讨论了 极限平衡法的精确性问压。 杨家 岭 等 9 ( 1 9 9 8 ) 用 极 限 平 衡 理 论 和 三 维 弹 塑 性 有 限 元 分 析 方 法 研 究 了 藕 塘 古 滑 体 在 三 峡 水库形成后的毯定性问 压. 复 合法不失为一 种好的 方法， 因 其可以 相互 对照和相互脸 证，但该法增加了工作t. 中南大矛项去婚文第一幸岭奋 2 0 0 1 . 5 ( 二) 模拟分析方法的 兴起 该方法认为边坡性质及稳定性的界限是不清楚的， 具有相当的 模糊性， 采用模糊 理论对边坡稳定性进行研究. 模糊理论是应用模糊变换原理和最大隶属度原则， 综合 考虑被评事物或其属性的相关因素， 进而进行等级或级别评价。 该方法难点在于相关 因 素及各因 素的 边界 值的 确定。 李彰明 1 ( 1 9 9 7 ) 应用模糊理论， 构 造了 边坡稳定 性 分析的模糊综合评价模型及关联因素边界值矩阵， 通过对某一大型摇天矿边坡工程地 质条件调查与物理力学性质侧试研究， 得到了 各关联因素的实测值， 进而评价了 该边 坡的稳定性。 ( 三 ) 计算 机模拟技术在边 坡中的 应用 在边坡稳定性分析中已开始应用计算机模拟技术， 该技术主要用在边坡结构面网 络 模 拟中。 袁 绍国 等 4 1 ( 1 9 9 5 ) 、 魏安 i l l ( 1 9 9 5 ) 、 陈乃明 等 p s 1 ( 1 9 9 5 ) 、 汪 小 刚 1 m ( 1 9 9 3 ) ， a .s h a p ip 。 等 i l l ( 1 9 9 1 ) 、 d .d e l i o t 9 ( 1 9 8 8 ) 用 计 算 机 模 拟了 边 坡 节 理 网 络。 陈昌 彦 等 120 1用 各 种 线 性 符 号 及 组 合 概 化 岩 体 结 构 和 物 性 两 类 信 息， 建 立 了 相 应 的 拟合函数， 实现了工程地质结构和边坡的三维模拟及再现， 并将应用于三峡船闸边坡 工 程中。 李彰明 2 1 1 开 发了 耳 天 矿 边 坡实 用的 专 家 系 统， 用 于 边 坡问 理 的 智能 化分 析。 计算机模拟技术丰富了 边坡分析方法。 ( 四) 边坡稳定性研究发展趋势 边坡稳定性分析方法的发展势必促进边坡稳定研究的发展. 近年来边坡稳定性分 析取得了巨大的发展，主要表现在传统方法的不断完善和新分析方法的兴起两个方 面。 但在以下几个方面还有待进一步完善， 将是以 后研究的重点。 1 . 深入进行边坡稳定性分析实验研究。目 前对边坡稳定性分析实验研究并不 多。 实验是边坡稳定性研究的荃础， 也是计算方法的依据。 如果不进行实验研究就难 以 分析边坡破坏机理和把握计算方法的正确性. 只有加强边坡稳定分析实验研究， 才 能促进边坡分析的发展。 2 . 完善确定性分析方法， 特别是复合法。 目 前确定性分析方法占 有绝对的地位， 只有不断完善才能 适合不同的边坡条件。 复合法是确定性分析方法的发展方向， 可将 不同方法的优点结合起来， 应大力发展复合方法。 3 . 大力发展边坡稳定分析的随机方法和模糊方法。 二者是边坡稳定性分析的新兴 方法， 在理论上和应用上都有很多 研究工作要做， 应大皿开展对两种方法的理论和应 用研究.使其更适合边坡稳定性分析。 1 . 2 国内外边坡可靠性的研究现状 随机分析方法不同于确定性分析方法， 其认为影响边坡稳定性的各种因素是随机 变量， 运用概率论和数理统计知识来研究边坡稳定性。 随机分析中常将边坡岩体材料 性能如弹性模盆、 泊松比等; 边坡几何尺寸如内部结构面、 边坡边界尺寸: 边坡外部 荷载如地展力、 重力场、 渗流场等视为随机变t 可靠性工程是一门正在迅速发展的新学科， 可靠性分析方法被誉为近代工程技术 的重要发展。 无论从经济观点看，为了 减少总费用; 或者从安全角度讲，为了 避免人 身事故和财产拐失:或者从推销商品来说，为了 企业信誉， 可靠性研究都起到了 非常 重大的作用。 尔后， 逐渐推广到机械工程，土木工程， 道路工程， 水利工程， 矿山工 中击大矛用士论大第一t岭论 2 0 0 1 . 5 程等。自7 0 年 代后期 应用于 边坡工程以 来， 由 于 世界范围内 岩 土工程技术界的 重视， 可靠性分析方法得以更多的应用实践和理论完善， 许多国家己用可靠性理论为修改规 范和指导设计的 墓础. 龚晓南czt ( 2 0 0 0 ) ， 刘宁等cm j ( 2 0 0 0 ) 认为， 在计算 科学日 新月 异 的今天，计算参数与实际情况相比它所具有的精度已 远远落后于工程结构的精确分 析， 如果不考虑设计参数的不确定性， 结构的精确分析所能取得的效益将被粗略的经 验性安全指标所淹没。由于岩土工程中存在着大量的不确定性因素， 这些客观存在的 不确定性因紊已使常规分析方法显得力不从心。 概率分析方法可以从多种角度较好地 反映地基土的不确定性，因而具有广阔的应用前景。 国 外有许多学者对边坡可靠性研究作出卓有成效的贡献。伍( w u ) 和克拉夫特 ( k r a ft ) 、 马特索( m a t s u o ) 和库罗达( k u r o d a )、莫拉一 卡塔兰( m o r l a - c a ta l a n ) 和科内尔 ( c o m e ll )、 阿朗桑( a lo n s o n ) 及哈尔( h a r r ) 曾对土质边坡作过典型研究;麦克马洪 ( m c m a h o n ) 、 皮 特廷 ( p it e m ) 和 马 廷 ( m a r t in ) 、 马 雷克 ( m a re k ) 和 萨瓦 莱 ( s a v a ly ) 、 比 彻 ( b e a c h e r ) 和爱因 思 坦( e in s t e in ) 、 莫里斯 ( m o r ri s s ) 和斯 托 特( s t o t t e r )、 金( k ir n ) 、 梅杰 ( m a j o r ) 和 布朗 ( b ro w n ) 、 赫 格 特 ( h e t g e t ) 论 述了 概 率 方法 在 岩 质 边 坡中 的 应 用; 恩 格因 ( n b u y en ) 和 乔 伍 德 赫里 ( c h o w d h u ry ) 报告了 矿山 排 土 场的 可 命 性 分 析; 乔 伍 德 赫 里 和阿 格里瓦 斯( a - g r iv a s ) 对早计破坏的 概率分析方法， 范马克斯( v a n tn a r c k e ) 、 尤赛 受( y u c e m e n ) 对三维效应的概率分析方法均作了有益的探索:阿一 格里瓦斯和阿卡 ( a s a o k a ) 、 马 特索 和格拉斯 ( g la s s ) 、 萨瓦莱 和考尔 对其它附 加载荷的 概率分析予以 很大 注意: 坎布 ( c a m b o u )， 科内 尔、 安格等人根据线性一次 通近理论， 采用随机有 限元方法进行可靠性分析。 在我国， 边坡可靠性研究工作开展较晚。 7 0 年代后期， 边坡工程界开始意识到以 安全系数作为边坡工程稳定性评价指标的传统方法， 没有考虑到设计乡数中任何内 在 变异性和随机性， 从而开始接受设计参数具有不确定性这一思想， 并随之将可靠性理 论 引 入 到 边 坡 设 计 中 . 自 8 0 年 代 初 期以 来 ， 祝 玉 学 等 3 . 开 展了 岩 体 边 坡 随 机 分 析 研 究， 其研究思路基本与工程结构的可靠性分析相吻合。 工程结构已 经使用了可靠性设 计方法， 但边坡稳定性的可靠性分析还在研究中， 基于岩体介质的复杂性，目 前很难 进 入实 用阶 段。 祝玉 学等( 2 q 对 边 坡随 机分 析 进行了 系 统的 研究 ， 为 边 坡可靠 性分 析 作了 大t荃础工作。 边坡可靠性的 研究主要表现在以下几个方面的研究: ( 一) 可靠性分析中所涉及到的岩土参数理论的研究 对岩土参数的不确定性和变异性的规律及参数的可靠性的研究是正确进行可靠 度研究的基础工作和前提。 在这方面国内有许多学者做了 不少有价值的探索。 范明 桥 等， 火 1 9 9 7 ) 着重对土 强度指标c . 的 互相关性 对可靠性分析中 的 影响作了 初步的 探 索: 里明 诚 0 m ) ( 1 9 9 7 ) 则 对 土的 抗 剪 强 度 指 标c .巾 值的 新 老 统 计方 法 之间的内 在 联 系 作了 一 些 讨 论; 刘沐宇 等1 , ( 1 9 9 8 ) 考虑 岩 体 性 质的 空 间 变 异性 和随 机性， 讨论 了 墓于可靠性理论的岩体结构的可靠性设计， 为此方法引入到岩体结构设计中作了 有 益的 探索. 谭 文 辉 等 ( 1 9 9 9 ) 应 用 地质 统 计 学的 理 论 和 方 法， 以 变差 函 数 为 工 具， 对实侧的 岩体强度参数进行分析拟合出相应的最优化理论变差函数， 并求出其相关距 离 和 相 关函 数， 探 讨了 岩 体 性 质的 空 间 变 异 性的 特 征. 徐 建 平 等 0 ( 1 9 9 9 ) 在 试 脸的 基 础上对岩体物理力学参数的统计特征 进行了 研究， 获得岩质边坡可靠性分析时所需的 各主 要物理力 学参 数的 近似概率分布模型. 张飞等13 1汉 1 9 99 ) 提出了 稳健估计计算岩体 中七大李项士 冷文第一章岭抢 2 0 0 1 .5 抗剪强 度参 数c , f 值的 计算 模型 和方法， 所提 方法估计出 的 参数是更可靠的; 黄志 全 等 22 7 ( 1 9 9 9 ) ， 严 春 风等 ( 1 9 9 9 ) 对 岩 体 力学 参 数和强 度参 数的 可 靠性问 题 进行 了 研究: 张征等 ( 1 9 9 9 ) 对岩土参 数随机场空间 最优估计 精度和特异值作了 分析和研 究: 胡 小荣等【x , ( 1 9 9 9 ) 把岩土参数随机场假定为平稳 弱变异高 斯随 机场， 离散结果更 切合实际。 程强等， ， ( 2 0 0 0 ) 对 相关函 数法计算 相关距离的方法. 相关函 数型 式的 选择， 拟合范围等问题进行了探讨。 ( 二)可靠性分析方法的探讨 冷伍明 等 ( 1 9 9 3 ) 从线性极限 状态函数下独立正态分布变量的可靠度指标的几 何愈义出发， 运用最优化计算原理， 提出了不用导数计算可靠度指标的分析方法; 傅 旭 东 ( 1 9 9 6 ) 提出 了 用m o n t e - c a r l 。 方 法 计 算 岩 土 工 程的 失 效 概 率 和 可 靠 度指 标; 杨 林 德等 0 1 ( 1 9 9 9 ) 将m o n t e c a r l o模拟法同 有限 元技术相结合， 对荃坑 变形的 稳定性 进 行 可 靠 度 分 析， 并 通过 重构 响 应面 来 提 高 蒙 法的 计 算 效 率; 徐军 等 ( 1 9 9 9 ) 用 改 进的 j c 法分析三维h o e k - b r o w n准则的可靠度， 利用复合函数求导法直接针对随机变里求 解 可 靠 度 指 标 和 相 应 的 验 算 点 值: 徐 建 平 等1 1 ( 1 9 9 9 ) 将 摄 动 随 机 有 限 元 法 用 于 分 析 顺层岩质边坡可靠性分析， 克服了模拟有限元法( 将裁特卡洛法与有限元方法相结合) 计算盆大的 不足， 但减少了计算精度。 岩体力学 ( 强度) 参数的可靠性分析是随机分 析 方 法的 重 要 组 成部 分: 徐 军 等 n ( 2 0 0 0 ) 墓于 可 靠 度指 标 的 几 何 涵义， 运 用 遗传 算 法 的 原理， 提出了 计算岩土工 程指标和设 计脸算点的 全局优化算 法， 克 服传统方法易陷 入局部最小值缺点， 对于功能函数的非线性和复杂性避免了繁琐的求导工作: 徐军等 ( 2 0 0 0 ) 采用改 进的j c 法计算可靠指标， 避免 变量相 关时的 协方差 矩阵变 换， 采用 有理多 项式技术求函数的偏导数， 可适应功能函数线性或非线性， 显式或隐式。 洪昌 华等c ( 2 0 0 0 ) 探讨了 相关情况下的h a s o f e r - l i n d可靠 度指 标的求解方法。 ( 三)可靠度分析中的规律研究 姚 姗武等 ( 1 9 9 4 ) 应用j c 法并考虑 基本 变量的相 关性对土坡稳定可靠度进行了 有 愈 义的 探 索: 陈 谦 应 ( 1 9 9 5 ) 利用j c 法建 立了 堤坡 稳 定分 析的 几 种极限 状 态方 程 井 对 影 响 堤 坡稳 定 的 一些 参 数的 敏 感 性作了 一 些 初 步 的 研 究: 武 清 玺等1 1 ( 1 9 9 8 ) 以 随机块体理论为荃础， 首先确定最大可能失稳岩体， 考虑滑动形式， 结构面参数及荷 载的随机性. 分析拱坝坝肩的抗滑稳定可靠度， 但该文中没有考虑滑移边界和结构面 产状的 随机性; 熊启东等 a 9 1 ( 1 9 9 8 ) 用汉 森公 式确定地 基承载力的可靠度作了 分 析， 同 时 对抗剪强 度指标b. c 变it的 敏感 性作了 进一步的 探讨; 茜 平一等11 1 ( 1 9 9 9 ) 对考 虑荃本变t的互相关性对天然地基承载力的可靠度指标的规律进行了有益的研究. 而 张 社 荣 等 11 ( 1 9 9 9 ) 则 在 小 样 本 数 据 的 墓 础 上 利 用h a y e s 方 法 对 岩 石 边 坡 稳 定 的 可 靠 度 作了分析。 1 . 3 课月研究的愈义 通常把墓于经脸的安全系数应用于岩土工程实践中， 这是有一定道理的。 然而， 在 对一个既定 工程， 比 如对一个土坡进行长期稳定性分 析时， 但在计算过程中并不考 虑所涉及到的计算参数不确定性， 使用同 样的安全系数值来衡t其稳定性， 这是很常 见的。 通过规范和传统， 同样的安全系数值就应用涉及到广泛不确定性的工程实践中， 这是不合乎逻辑的。 可靠度的计算提供了一种考虑不确定性的综合影响和区分不确定性程度的方法。 中南大李4士论丈第一幸 岭 论 2 0 0 1 . 5 尽管可靠度理论有很大潜在的意义， 但在实践中还远未得到推广和使用。 原因有两方 面: 其一是由于可靠度理论涉及到一些岩土工程师所不熟悉的术语和概念:其二，通 常认为， 使用可靠度理论比 通常情况下用确定性方法在数据的收集、 处理以 及可靠指 标的计算等方面要需要更多的时间和精力。 本文应用一种简单的可靠度计算方法，同 常规确定性方法相比， 它不需要更多的 数据和花费更多的时间和精力， 使用常规确定性分析方法中的同 样数量和类型的数据 及工程判断， 可以对土坡作出 有用的可靠度估算。 在对边坡稳定性和安全性的评价中， 论文中 所述的可靠度简单分析方法同常规确定性分析方法一样有价值。 两种方法都有 各自 的结果井且能互相提高对方的结果。 在提倡用可靠度分析方法的同时，并不是要 放弃使用安全系数分析方法， 相反， 在这里是通过安全系数分析来达到可靠度分析的 目 的， 而且安全系数分析和可靠度分析两种方法是互为补充的. 1 . 4 本论文的主要工作 随机分析方法在理论上是不同于确定性分析方法的， 它把影响边坡稳定性和安全 性的诸种因素假设成随机变童， 把可靠性理论应用于岩土边坡工程中， 运用概率论和 数理统计知识，来研究边坡稳定性越来越显示出其优越性. 本文旨 在对边坡问 题稳定性分析时， 把确定性分析方法和可靠性分析方法结合使 用， 利用确定性分析方法所得的中间结果安全系数来获得边坡可靠度， 从而对边坡的 稳定性和安全可靠性作出多侧面的评价。 这种方法既利用了确定性方法的优点又借用 了可靠性评价方法的长处，只筋稍作努力就可获得很有价值的结果。 具体来讲，本文的主要研究内容和步甄如下: 1 . 研究有关可靠度理论的科技文献和有关专著， 掌 握边坡稳定性研究及其可靠 度研究 现状和研究趋势。 掌握边坡可靠性分析理论的研究动态， 分析比 较各种可靠性 分析方法的适用条件和优缺点， 掌握一维防机场理论和空间变异理论对岩土参数的随 机性、 不确定性进行描述、分析、 拟合的步获和方法以及概率统计理论在岩土参数 指标处理过程中的应用，并建立土坡强度参数的概率分布棋型以及土性参数的选定， 为后文所作的研究作好一切准备工作。 2 .据边坡稳定性分析理论和可靠度分析理论建立土坡的物理几何模型和数学计 算模型， 提出一种基于岩土参数随机场理论和空间变异理论的新方法， 应用于土坡可 命度和敏感性因素的研究. 这种方法是对边坡稳定分析确定性方法和随机分析方法的 综合运用: 在把土性参数假设为随机变t的基础上，由 土性指标的变异性， 利用确定 性方法所求得的安全系数值的变异性同土坡可靠指标建立联系. 从而能达到进行土坡 稳定可命度分析和研究目的。 3 . 结合工程实例， 利用所编制的可靠指标计算程序， 输入土坡几何模型参数、 最危险滑动面位里参数以 及土性指标统计参数，进行大量的计算. 取得不同参数组合 下土坡的可靠性指标数据， 并据计算结果绘出各种关系曲 线图。 通过分析程序计算结 果和所绘制的各种关系曲 线图， 对影响枯性土坡稳定的敏感性因索作出分析， 并对粘 性土坡稳定可靠度的变化规律进行初步研究和探讨。 4 . 同时在对土坡称定可靠度规律进行研究的过程中， 也探讨了 土性参数的变异 性、 安全系数的变异性和可靠性指标三者之间内 在的联系。 从而也证明了 本论文中所 采用的 研究方法在理论上是正确的， 在实践上是可行的。 5 . 得出给谈和提出旅议井指出今后努力的方向。 申击大李砚士冷文第二章边坟可索性分 析班抢 2 0 0 1 . 5 第二章 边坡可靠性分析理论 2 . 1 边坡工程中的随 机性 边坡工程是以 岩土体为工程材料，以 岩土体天然结构为工程结构， 或以 堆置物为 工程材料，以人工控制结构为工程结构的特殊构筑物。 这些构筑物都程度不同地存在 组成和结构上的不均匀性， 天然结构边坡尤为突出。因为构成边坡的地质体经受长期 的多循环的地质作用，由 于作用强度不一， 且又错综复杂， 致使它们的 工程地质性质 差异很大。 就是同一地区，同一 岩体内， 也会造成地质特性的强烈空间变化性。 又由 于不能本征地描述岩体的工程地质特征， 不能准确地构造工程力学模型， 不能充分地 预测作用的条件和效应等，这就决定了 边坡工程必然具有不确定性。 2 . 1 . 1 变化性和不确定性的内 翻 边坡工程的不确定因素不但多，且难以定童统计。通过适当的 现场调查和试验， 重要岩土工程性质的不确定性可得到一定程度的降低。 但绝不能完全消除。 因为任何 一种工程地质性质的不确定性都包含有其固 有的变化性， 通过大量的统计分析， 能减 小的只是量侧. 噪音” ， 而固有的变化是永远存在的. 变化性为表征岩体工程性质参数所固有的不确定性， 即各个工程场地的各个其本 参数都有它本身的变化范围和变化规律。 具体参数出 现与否是不确定的这种不确定性 是由 于参数本身的变化性引 起的. 代表客观世界的” 真实. 不确定性。 岩土体这种固 有的不确定性， 造成岩土性质的离散是不可避免的。 此外在参数测定和统计分析过程 中也可能引入不确定性，即由 于试验方法， 童测偏差和统计误差引起的， 含有人为因 素的“ 伪假” 不确定性。 造成这种不确定性的因紊极其复杂， 正确地、 定里地说明 这 种因素的影响很困难，要完全消除由 此而引 起的性质离散即 便是将来也是不可能的。 这两部分不确定性盛加合成总体不确定性。 对待这样一个不确定性问题， 把其视作随 机变量，采用数理统计的方法求得其总体性质， 这是较切合实际的. 边坡可靠性分析方法是处理边坡工程不确定性的一种有效方法。 计算数据的测定 结果有偏差， 但仍要对其进行统计分析和可靠性分析。 因为数据精度和可靠程度是所 有分析方法和设计的基础， 包括定数分析方法和可靠性分析方法.二者的区别在于: 前者是通过经验判断选择一个确定的设计参数， 在计算结果上附加一个人为余t即大 于1的安全系数值， 以此处理不确定性; 后者承认墓本状态变i的能机性， 通过可靠 性计算求得预测结果的定t的不确定性. 这恰恰反映了 其优点。 实际工程经脸还表明， 由 于技术问 屁造成的离散肯定比真正的边坡岩体所固有的离散大。 故计算出的破坏概 率也比实际大，一般边坡可靠性设计伯于安全。 总之， 变化性和不确定性具有不同的内 涵， 前者反映物理的客观变化， 后者表明 状态的或结果的不确定。 通常， 所谓的不确定性是指不能肯定描述分析参数的不确定 性，以及由 此而引 起边坡预侧性的不确定性。 边坡可靠性分析的目 的是使之能把任一 边坡工程岩体的性质和德定状态的不确定性变化定量化， 进而把这些不确定性合理地 纳入边坡设计中。 采用概率统计方法对这样的不确定性问且是很有效的， 但概率和统 计二者在意义上是有区别的: 为了 适当地描述分析参数的空间变化， 播要采用统计分 析方法， 根据特定参数的有限数t的观察结果， 检脸数据样本的颊率分布， 并对参数 中击大争项士舟文第二章边坟可索性介析皿抢 2 0 0 1 . 5 全体作出 推断， 用来 解释客 观结果; 为了 表达分析结果与实际 状态 之间的 不确定性， 则需使用概率方法， 用以描述参数， 事件、 模式的里信程度。 概率分布能够比 较完整 地描述所有可能状态， 而点估计只是其一部分， 故更具有实用价值。以 概率表达的里 信程度是受统计处理的变化性制约的， 即置信程度的精度绝不高于参数变化性的统计 精度。 注意，若岩土体性质的试验和测定结果不可靠， 则包括可靠性分析在内的所有 分析方法的基础就从根本上动摇了。 2 . 1 . 2 不确定性的类型 边坡工程评价和设计中的数学模型、 基本变t及预侧结果都带有某种不确定性。 主要类型有如下三种: ( 1 ) 物理不确定性:边坡形成后是否发生大变形和破坏，主要决定于边坡岩体 连续面的形态、 地下水压和动力荷载的实际值， 但不能精确地知道这些参数的真值， 因其都为变化量， 这是历史和现代的地质作用过程和作用产物所决定的不确定性， 它 反映了 诸参数固有的空间 变化性。 即由 于岩体的组成、 结构， 力学效应是变化的， 不 均匀的和各向 异性的， 不连续面即便是同一组， 其几何形态，力学性质、 空间密度等 都因 地而别， 都具有显著的 随机性质， 实际 发生的 结果不 是唯一确定的. ( 2 )统计不确定性:与概率不同，统计和由样本观察所得出的推断有关。