（道路与铁道工程专业论文）重庆三峡地区易滑地层路基边坡安全度评价方法研究.pdf

摘要 调查表明，重庆三峡地区的大型路基灾害5 0 以上发育于三叠系巴东组、侏 罗系珍珠冲组及第四系崩坡积地层中。这类地层统称为易滑地层。 易滑地层中的路基边坡，在稳定分析过程中使用安全系数评价时忽略了 不确定性因素，从而影响了边坡安全性评价的准确性。为了能够对易滑地层 地区的边坡安全性作出完整及正确的评价，本文对易滑地层路基边坡创新性 地采用了安全度评价方法，实现对传统的安全系数b 的丰富与补充，从而 得到重庆三峡地区易滑地层路基边坡更全面实质的评价。 对重庆三峡地区易滑地层路基边坡安全度评价方法研究的内容主要有以下几 个方面： 通过对三峡地区易滑地层路基边坡进行详细的现场调研，充分收集和分析 前人的研究资料及成果。总结出三峡地区易滑地层三叠系巴东组、侏罗系珍珠冲 组的地质特性，从而得到巴东型滑坡再度复活和侏罗系珍珠冲组路基边坡发生破 坏的重要原因，以及统计了降雨、库水位升降、及蓄水对路基边坡的影响效应。 通过分析现在路基边坡稳定性分析方法的不足，从传统安全系数的定义出 发，结合可靠度指标的求解方法，创新性地提出了安全度的概念，并推导出了边 坡安全度指标的公式。在此基础上得出安全系数与安全度指标的对应关系表。 通过室内直剪试验得到易滑地层岩土物理力学参数数据1 0 0 个，分析数据 得出易滑地层岩土参数c 、矽都符合正态分布的结论。 通过查找文献和开展数值模拟得知正态分布在数值模拟中存在取随机数 时的固有弱点，为了克服这个弱点并进一步提高数值模拟的精度，提出了正态分 布随机数取值的改进方法。 通过对现有资料的分析，完成了边坡稳定安全系数积分表达式的推导，结 合蒙特卡洛方法，编写了求解边坡可靠度、安全度指标的m a t a l b 程序。 通过对易滑地层路基边坡模型分别采用安全系数法、可靠度分析方法及安 全度分析方法分别进行安全评价，其结果表明安全度分析方法充分吸取了安全系 数法和可靠度分析方法的优点，改正了安全系数法对一个边坡进行评价过于静止 和绝对的缺点，克服了可靠度分析方法的过于烦琐的求解过程。 通过结合实际工程，把安全度评价方法推广到滑动面为折线性的边坡，实 现了蒙特卡洛方法在传递系数法中的使用。 通过改变坡比、坡高得到不同的破坏概率，将数据进行线性拟合， 得到坡比、坡高与破坏概率的关系。 关键词：易滑地层；路基边坡；安全度；安全度指标；蒙特卡洛 a bs t r a c t t h ei n v e s t i g a t i o ni n d i c a t e dt h a tm o r et h a n5 0 o fl a r g e s c a l er o a d b e dd i s a s t e r s i nc h o n g q i n gt h r e eg o r g e sa r e ao c c u r e di nt h et r i a s s i cb a d o n gg r o u p 、t h ej u r a s s i c z h e n z h u c h o n gg r o u pa n d t h eq u a t e r n a r yc o l l u v i a lp r o d u c tf o r m a t i o n a n dt h i sk i n do f s t r a t ai sc a l l e da se a s ys l i p p e r ys t r a t u m t h eu s eo fs a f e t yc o e f f i c i e n te v a l u a t i o ni g n o r e st h eu n c e r t a i n t yf a c t o r si nt h e p r o c e s so fs t a b i l i t ya n a l y s i so fr o a d b e ds i d es l o p ei ne a s ys l i p p e r ys t r a t u m ，l e a d i n gt o t h ei n f l u e n c eo nt h ea c c u r a c yo fe v a l u a t i o no ns i d es l o p es a f e t y i no r d e rt om a k ea c o m p l e t ea n dc o r r e c te v a l u a t i o no nr o a d b e ds i d es l o p ei ne a s ys l i p p e r ys t r a t u m ，t h i s p a p e ra d o p t e dt h ei n n o v a t i v ea p p r a i s a lm e t h o do fs a f e t yd e g r e ea n dr e a l i z e d t h e e n r i c h m e n ta n ds u p p l e m e n tt ot h et r a d i t i o n a ls a f e t yc o e f f i c i e n ta n de v e n t u a l l yg o t 也e m o r ec o m p r e h e n s i v ea n ds u b s t a n t i v ee v a l u a t i o no ft h er o a d b e ds i d es l o pi ne a s y s l i p p e r ys t r a t u m t h ea p p r a i s a lr e s e a r c ho ns a f e t yd e g r e eo fr o a d b e ds l o pa ts l i p p e r ys t r a t u mi n c h o n g q i n gt h r e eg o r g e si sm a i n l ye m b o d i e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： t h r o u g ht h ef i e l dr e s e a r c ho nt h er o a d b e ds i d es l o pi ne a s ys l i p p e r ys t r a t u m a n dt h ef u l lc o l l e c t i o na n da n a l y s i so fp r e v i o u sr e s e a r c hm a t e r i a la n d a c h i e v e m e n t ，w e g e tt h eg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h et r i a s s i cb a d o n gg r o u pa n dt h ej u r a s s i c z h e n z h u c h o n gg r o u pa n dt h e no b t a i nt h ei m p o r t a n tr e a s o n sf o rs l o p e f a i l u r ea n dt h e i n f l u e n c ee f f e c to fr a i n f a l l ，r e s e r v o i rw a t e rl e v e lf l u c t u a t i o na n dw a t e rs t o r a g eo n r o a d b e ds l o p t h r o u g ha n a l y z i n gt h ed e f e c t so fs t a b i l i t ya n a l y s e sm e t h o d so ft h ep r e s e n t r o a d b e ds i d es l o p e ，f r o mt h ed e f i n i t i o no ft r a d i t i o n a ls a f e t yc o e f f i c i e n t ，c o m b i n e dw i t h t h em e t h o df o rs o l v i n gt h er e l i a b i l i t yi n d e x ，w ep u tf o r w a r dt h ei n n o v a t i v ec o n c e p to f s a f e t yd e g r e ea n dd e d u c et h ef o r m u l af o rt h ei n d e x o fs a f e t yd e g r e e t h e nw eg e tt h e c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h et r a d i t i o n a ls a f e t yc o e f f i c i e n ta n dt h ei n d e xo f s a f e t yd e g r e eo nt h i sb a s i s t h r o u g hd i r e c ts h e a rt e s t s ，w eg e t10 0r o c kp h y s i c a lp a r a m e t e rd a t a sa n d a n a l y s i so ft h ed a t a , a n dw eg e t t h ec o n c l u s i o nt h a tp h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p a r a m e t e r so fr o c kc o n f o r mt on o r m a ld i s t r i b u t i o n t h r o u g ht h es e a r c ho f l i t e r a t u r ea n dt h ec o n d u c to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w e g e tt h ei n h e r e n tw e a k n e s so fn o r m a ld i s t r i b u t i o ni nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n w ep u t f o r w a r dt h ei m p r o v e m e n tm e t h o do ft h en o r m a ld i s t r i b u t i o nr a n d o mn u m b e ri no r d e r t oo v e r c o m et i l i sw e a k n e s s t h r o u g ht h ea n a l y s i s o fe x i s t i n gd a t a , w ec o m p l e t e d t h ed e d u c t i o no f i n t e g r a le x p r e s s i o no fs a l t yf a c t o ro fs l o p ea n dw r i t eam a t a l bp r o g r a mc o m b i n e d 、析t ht h em o n t ec a r l om e t h o dt os o l v eas l o p er e l i a b i l i t y , t h ei n d e xo fs a f t yd e g r e e t h r o u g ht h es a f e t ye v a l u a t i o no nt r a d i t i o n a ls a f e t y c o e f f i c i e n tm e t h o d ， r e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o da n ds a f e t yd e g r e ea n a l y s i sm e t h o dt ot h er o a d b e ds i d e s l o p em o d e l ，t h er e s u l ts h o w st h a ts a f e t yd e g r e ea n a l y s i sm e t h o df u l l yg e t s t h e a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a ls a f e t yc o e f f i c i e n tm e t h o da n dr e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d a n ds a f e t yd e g r e ea n a l y s i sm e t h o dc o r r e c t e dt h es t a t i ca n da b s o l u t ed i s a d v a n t a g e so f s a f e t yc o e f f i c i e n tm e t h o da p p r a i s a lo ns i d es l o p ea n do v e r c a m et h eb o r i n gs o l u t i o n p r o c e s so fr e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d t h r o u g ht h ec o m b i n i t i o nw i t hp r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，w ep r o m o t et h es a f e t y d e g r e ea p p r a i s a lm e t h o di n t ot h el i n es l i d i n gs u r f a c es l o p ea n dr e a l i z et h e u s eo f m o n t ec a r l om e t h o di nt h et r a n s f e rc o e 伍c i e n tm e t h o d b yc h a n g i n gt h es l o p er a t i o na n dt h eh e i g h to fs l o p ，w eg e td i f f e r e n tf a i l u r e p r o b a b i l i t y , a n dt h r o u g h t h el i n e a rf i t t i n gt ot h ed a t a , w eg e tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n f a i l u r ep r o b a b i l i t ya n ds l o p er a t i o n 、t h eh e i g h to fs l o p k e yw o r d s ：e a s ys l i p p e r ys t r a t u m ；s i d es l o p eo fr o a d b e d ；s a f e t yd e g r e e ； t h ei n d e xo fs a f e t yd e g r e e ；m o n t ec a r l o 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 僻擗 日期：# o l ，年, e l ，日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学 可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本入学位论文收录到 2 o2 0 0 50 0 5 o 0 0 5 0 0 0 5 黄土坡滑坡( 后段)l o 13 6 53 0 42 2 9 黄十坡滑坡( 前段) 2 1 54 3 63 4 9 黄腊= ：f i 滑坡 1 1 2 6 3 1 o3 2 0 人坪滑坡 4 52 7 52 9 o3 9 0 l i d e 注：数据根据湖北省水文地质t 程地质人队黄土坡滑坡、黄腊石滑坡、大坪滑坡勘查试验资料统计 表2 3 a 巴东型滑坡典型滑带土矿物成份表 全岩分析 滑坡名称 孑i 英方解石长石粘十矿物赤铁矿角闪石 黄十坡滑坡 5 0 5 52 34 5 ( 上段) 黄士坡滑坡 2 0 3 01 0 b 1 5 l 26 5 ( 下段) 黄腊石滑坡 1 5 2 01 5 2 08 1 05 l 6 0l 2 大坪滑坡2 0 2 58 1 08 1 04 9 6 03 5 3 第二章重庆三峡地区易滑地层特性及路基边坡安全性影响因素 1 5 表2 3 b 巴东型滑坡典型滑带土矿物成份表 粘土矿物分析 滑坡名称伊利石 绿泥石高岭蒙脱石水云母伊蒙不规 石 则问层 黄土坡滑坡3 1 5 3 6 5 9 o 1 1 2 52 2 5 ( 上段) 黄土坡滑坡 5 2 5 2 2 56 5 9 1 5 ( 下段) 黄腊石滑坡 8 1 0 24 0 4 53 5 大坪滑坡 1 0 1 5 1 ，可以得知在允许的破坏概率1 5 8 7 的条件下，f s = i 2 是满足安全稳定 设计的。但当这个边坡允许的破坏概率只有2 2 7 ，此时的舱= 0 9 6 l ，可以 得知在允许的破坏概率2 2 7 的条件下，f s = 1 2 是不满足安全稳定设计的。 由上式可见安全度指标舱和安全系数乃、可靠度指标为的关系，并与随机 变量r 和s 的变异系数艿”文。这样就综合了安全系数法和可靠度的两个指标来 评价一个边坡的安全程度，更好的反映了工程安全程度的实质。 3 5 本章小结 本章在综合边坡稳定性分析方法和可靠度分析方法的基础上提出了边坡安全 度的概念，在可靠度分析求解失效概率和可靠度指标时，用蒙特卡洛方法取代了 中心点法和j c 法，让变量可以不服从正态分布或对数正态分布，回避了结构可靠 度分析中的数学困难。 从传统安全系数的定义出发，结合可靠度指标的求解方法，推导出了边坡安 全度指标的公式k t = f s o p 2 6 0 、) 西孺雨孓丽 并进一步忽略岩土体容重y 的变异性，使得下滑力的变异系数蟊= o ，在此基础上对公式作了进一步简化， 使得k t = f s ( 1 一觚) ，这样就使得在做边坡安全评价时更方便应用本公式。用安 全度指标去评价更好的反映了工程安全程度的实质。 3 6第四章岩土参数的统计特征 4 1 概述 第四章易滑地层岩土参数的统计特征 为了估计岩土体的性状和各种结构物的行为特征旧1 ，需要进行各种试验和观 测，收集大量的数据。在取得这些数据之后，还必须经过处理才能显示出它的规 律性，从而得到有代表性的特征值，供设计、分析、与评价之用。特别在评价岩 土的可靠性、估计失效概率时，更需要进一步了解岩土参数的概率分布特征。通 常的方法是根据收集到的数据拟合某一概率模型，然后进行各种概率分析。 对同一对象，用相同的仪器与方法，在相同条件下多次重复测定或多次取样 试验以测定同一物理量，但其结果并不完全相同。这些不同的数值会形成一个经 验分布，称为经验分布，这是定量研究的基础。 通过实验所得到的一组数值，可以得到这组数据的数学期望( ) 和标 准差( 仃) ，这两个量虽然可以概略的反映分布的特征，但并没有说明分布的全貌。 为了进行概率运算，还要了解分布的全貌，即用某一已知函数来表示分布的概率 函数，把经验分布拟合成一个概率分布模型。 把经验分布拟合一个理论模型后，还要进行拟合优度检验，简称拟合检验。 先建立统计假设风：假设随机变量x 服从某一概率分布，然后在一定的显著水平 上来检验假设是否可信，如果可信表示风成立，经验分布与假定的分布相差不太 远，就可以认为随机变量符合假定的分布：反之，表示经验分布与假定的分布相 差甚远，就有理由否定风。 在岩土工程中正态分布假定用的最为普遍，这不仅是为了数学上处理的方便， 而且亦为许多拟合检验所证实。 采用正态分布的主要理论根据是中心极限定理，这个定理讨论的是独立 和的分布函数向正态分布收敛的最普遍的条件，论证了当足够大的时候， 个互相独立的变量数列是趋近于正态分布的。 但是，正态分布也有它固有的弱点，它规定随机变量在整个实轴上都有定义， 分布的两个尾部延伸到正、负无穷处，尽管在远离平均值的地方随机变量出现原 可能性已经很小，但怎还存在着个小概率，其值为百分之几或者千分之几，这 样小的概率在一般情况下可以忽略，但在估计系统失效概率时，即使在百分之零 点几的概率也是不容忽略的，因为一般允许的失效是在1 0 一l o 。4 数量级，这时， 计算分布尾部小概率的误差就成为估计失效概率的关键问题，用正态分布假定会 使估计的失效概率偏大，甚至大得完全失真，使估算的结果失去了实际的意义。 第四章岩土参数的统计特征3 7 正态分布的局限性不仅在于尾部小概率的数值对失效概率的影响，更重 要的还在于物理机理上失真。许多岩土参数仅在有限范围内是有定义的，超 出了这个范围便失去了物理意义。例如，对于一定级配的土来讲，土的抗剪强度 可能减小到零，但负值是没有意义的；由此可见，岩土参数的物理机理所规定的 有限定义域与正态分布的无限定义域之间存在着矛盾，用正态分布假定估计的尾 部概率中有相当一部分是不可能出现的概率，这就是正态概率估计失真的内在物 理原因。 针对正态分布的固有弱点，本文将对正态分布随机数取值方法进行改进；使 得进入安全评价的岩土参数值符合以下三点要求： 符合本身的正态分布； 不会位于正态分布尾部小概率的数值中： 参数取值在物理机理所规定的有限定义域： 4 2 工程概况 重庆云阳开利路项目位于重庆市云阳县境内。路线北起云阳县城，南至湖北 利川市，总体走向为南西2 0 。左右，按山岭重丘区二级公路实施改建，采用整体式 路基，双向单车道。 4 2 1 地质构造 根据勘察资料，场地在区域地质构造上位于龙驹坝背斜南西翼，岩层呈单斜 状产出，岩层产状为：2 2 5 。z 3 0 。滑坡区位于较厚的崩坡积块石土堆积体上， 地层为第四系填筑土( q 。”) 、滑坡堆积块石土( q 。捌) 、崩坡积块石土( q 4 酬1 ) 及三 叠系中统巴东组( t ：b ) 泥灰岩，各岩土层工程地质基本特征按由新至老顺序分述 如下： 第四系填筑土( q 4 m e ) 灰黄色，主要为泥灰岩、灰岩碎块石组成，以泥灰岩为主，充填有少量粘性 土。碎块石粒径一般为2 0 0 - - - 5 0 0 m m ，含量5 5 - , 6 5 。均匀性差，松散状，稍湿。 主要分布滑坡区前缘斜坡及路基施工区，为施工堆积回填的素填土，回填年限1 年左右，钻探揭露厚度1 5 0 2 o o m 。 第四系滑坡堆积块石土( q c + d 1 ) 土黄