（岩土工程专业论文）考虑老路影响桩承式拓宽路堤稳定性分析.pdf

摘要 摘要 路堤桩作为一种新型的地基处理方式在国内外许多高速公路拓宽工程 中得到广泛应用，并取得了显著的经济和时间效益。然而目前并没有一种成 熟的方法来分析桩承式路堤的稳定性。本文在充分考虑老路强度增长以及路 堤桩受力变形的基础上，对桩承式路堤的稳定性进行了研究： 利用梯形荷载作用下地基内的附加应力计算公式得出路基下的附加水 平应力仃。、附加竖向应力盯：及附加剪切应力f 。的分布，并由此得到总应力 增量a o - 的分布，再结合老路的固结状态，得出了路堤下土体剪切强度增量 f 的分布状态。 利用有限元软件对1 撑断面进行了数值模拟，分析了新路修筑期间各桩的 最大侧移的变化情况，得出运营期各桩桩顶轴力，并由此得出各桩的桩顶轴 力不均匀系数及平均桩土荷载分担比。 分别基于改进瑞典条分法、有限元强度折减法及有限差分强度折减法对 桩承式路堤进行稳定分析，得出了考虑老路强度增长以及路堤桩的作用时路 堤的稳定安全系数，同时也对填筑期间路堤的稳定性进行了分析。 关键词：路堤桩，强度增长，稳定安全系数，强度折减法 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee m b a n k m e n tp i l eh a sb e e nu s e dw i d e l ya san e wg r o u n dt r e a t m e n t m e t h o di nm a n yd o m e s t i ca n df o r e i g nh i g h w a yw i d e n i n gp r o j e c t sa n dg a i n e d s i g n i f i c a n te c o n o m i ca n dt i m ee f f e c t h o w e v e rt h e r ei sn os o p h i s t i c a t e dm e t h o d t oa n a l y z et h es t a b i l i t yo fp i l e - s u p p o r t e de m b a n k m e n t sa tp r e s e n t i nt h i sp a p e r , s h e a rs t r e n g t hi n c r e m e n to ft h eo l dr o a da n df o r c ea n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ee m b a n k m e n tp i l e si s f u l l y c o n s i d e r e dt o s t u d y t h e s t a b i l i t y o f p i l e s u p p o s e de m b a n k m e n t s t h ed i s t r i b u t i o no fa d d i t i o n a lh o r i z o n t a ls t r e s so x a d d i t i o n a lv e r t i c a l s t r e s s 旷，a n da d d i t i o n a ls h e a rs t r e s s x g u n d e rs u b g r a d ei sc a l c u l a t e db yu s i n g a d d i t i o n a ls t r e s sc a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft r a p e z o i d a l1 0 a d s ot h ed i s t r i b u t i o no f t o t a ls t r e s si n c r e m e n t o - ii s g a i n e d t h ed i s t r i b u t i o no fs o i l s h e a rs t r e s s i n c r e m e n ta ru n d e rt h ee m b a n k m e n ti so b t a i n e db y c o m b a t i n gt h ec o n s o l i d a t i o n s t a t eo f t h eo l dr o a d 1 撑s e c t i o ni sn u m e r i c a ls i m u l a t e db yf e ms o f t w a r et oa n a l y z et h em a x i m u m l a t e r a ld i s p l a c e m e n th i s t o r yo fe a c hp i l ed u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no ft h en e wr o a d ， t oo b t a i na x i a lf o r c e so ne a c hp i l et o pd u r i n go p e r a t i o np e r i o d ，a n dt oc a l c u l a t e n o n u n i f o r m i t yc o e f f i c i e n to fa x i a lf o r c e so ne a c hp i l et o pa n da v e r a g ep i l e e f f i c a c y b a s e do ni m p r o v e ds w e d e nm e t h o do fs l i c e s ，t h ef ea n df i n i t ed i f f e r e n c e s h e a rs t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o d ，t h es t a b i l i t yo fp i l e s u p p o r t e de m b a n k m e n ti s a n a l y z e d s a f e t yf a c t o ro fe m b a n k m e n tc o n s i d e r i n gs h e a rs t r e s si n c r e m e n to ft h e o l dr o a da n dt h ee f f e c to fe m b a n k m e n tp i l e si sg a i n e d t h es t a b i l i t yd u r i n gr o a d c o n s t r u c t i o ni sa l s oa n a l y z e d k e y w o r d s ：e m b a n k m e n tp i l e s ，s h e a rs t r e n g t hi n c r e m e n t ，s a f e t yf a c t o ro fs t a b i l i t y , s h e a rs t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o d h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：仓 否 c 7 年弓月加日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名：蚤 匹 年月日 7 年弓月训 同济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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 加口7 年 | 弓月7 , o 日 第l 章引言 1 1 概述 第1 章引言 随着国民经济的迅速发展，我国高速公路的建设进展很快，截止2 0 0 4 年底， 全国高速公路总里程已超过3 4 万公里，高速公路总里程居世界第二位。由于受 建设时社会经济水平、技术水平和建设思想的制约，在已经建成使用的高速公路 中，绝大多数是双向四车道。随着社会经济的快速发展，高速公路担负着各经济 带间的繁重运输任务，交通流量急剧增长，局部高峰时段交通量已经达到通行能 力的上限；而且由于重载、超载交通日益严重，促使路面形成病害，服务水平逐 渐降低，影响了公路通行能力的正常发挥，严重制约了当地经济的进一步发展。 因此对原有高速公路进行拓宽改造就显得极为迫切，但由于需要拓宽的高速公路 大多数都处在我国经济发达的周边城市，并且相当一部分都是处于软土地区。由 于挖( 填) 方高度较大，并且路堤下卧软土层较厚，路堤很容易发生滑坡事故， 给高速公路的建筑及运营带来较大的隐患，使人民的生命财产安全蒙受重大损 失。表1 1 列出了福建省高速公路施工时发生的主要滑坡【2 1 。 表1 1 福建省高速公路主要滑坡工点一览表 路段名丁程投资 称 滑坡地点性质规模处理措施 ( 元) 石牌山高 福泉高 边坡 堆积层滑坡边坡高越4 0 余m明洞( 约l o o m )约8 0 0 万 速公路 官秀互通 占滑坡复活宽1 5 0 ，长 ( 堆积层滑1 5 0 ，厚度约 两排抗滑桩，辅以抗滑 约6 0 0 万 滑坡挡墙和排水平孔等 坡) 1 0 2 0 m 新祠互通 顺层滑坡高度约7 0 余m ， 漳龙高滑坡 ( 石英砂+宽度约1 0 0 ，厚改线 速公路 泥岩)度约1 0 1 5 m 岩段k 6 7 + 9 9 5 破碎岩( 石高度约1 0 0 余m ， 预应力锚索地梁+ 十钉 英砂岩) 滑宽度约7 0 m 厚度约3 5 0 万 滑坡 + 挂网喷射混凝土 坡约1 0 1 5 m k 6 3 + 7 7 0 堆积层( 古 高度约2 0 0 余m ， 预应力锚索抗滑桩+ 抗 崩坡秋层)宽度约1 6 0 m ，厚约3 5 0 万 漳龙高 + 9 8 0滑捎墙+ 排水平孔 滑坡度约1 5 2 0 m 速公路 和溪段 古滑坡复活高度约1 1 0 余m ， k 6 4 + 6 7 0 预应力锚索抗滑桩+ 抗 + 7 8 0 ( 崩坡积长度约2 0 0 m ，具约3 5 0 玎 体)多级次滑动面 滑挡墙+ 排水平孔 第1 章引言 续表 路段名 滑坡地点性质规模处理措施 工程投资 称 ( 元) 边坡高度约2 0滑坡刚产生变形，就采 漳龙高 古崩坡积层余m ，滑坡体宽用预应力锚索框架原 约7 0 万 速公路 k 6 4 + 9 6 0 开挖失稳 度约6 0 m ，长度位锁定，并辅以排水平 和溪段 约8 0 m孔 福宁高八尺门互 古滑坡体复 沿线展宽约 及时采用预心力锚索 活( 松散堆 5 0 0 m ，纵长约 框架+ 预应力锚索抗滑5 0 0 0 。黾 速公路通滑坡2 0 0 3 0 0 m 的古 积体)桩+ 平孔排水 滑坡群 一个古滑坡 古滑坡体约5 万 预应力锚索抗滑桩+ 预 梅列互通复活，一个 _ ，l ，边坡高约 应力锚杆地梁2 5 0 万 滑坡破碎岩石高 7 0 m ，滑坡体厚度 预应力锚索框架+ 抗滑+ 1 0 0 0 万 三福高 边坡滑坡挡墙 速公路 约2 5 3 5 m 西芹桥头 占滑坡复活边坡高度约预应力锚索框架+ 预应 ( 泥岩及泥6 0 m ，长度约力锚索抗滑桩+ 抗滑挡约1 1 0 0 万 滑坡 质粉砂岩) 3 0 0 m墙+ 平孔排水 由上表不难发现，高速公路一旦发生滑坡，其规模往往较大，治理费用也比 较昂贵。因而，有必要对高速公路的路堤稳定性作比较充分的分析，以期减少或 杜绝滑坡事故的发生。 1 2 边坡稳定分析方法简介 1 2 - 1 传统分析方法 ( 1 ) 根据地质地貌等自然因素，定性评价边坡稳定性的方法1 1 , 3 1 影响边坡稳定的因素十分复杂，用力学计算方法评价边坡变形的稳定性，是 在对自然条件作某些简化的前提下进行的，计算结果只能作为全面评价边坡稳定 的参考。较合理的边坡稳定性评价步骤，应当首先全面考虑影响边坡稳定的自然 因素，对其进行定性评价，在此基础上再作必要的力学计算，然后综合考虑评价 其稳定性。这样可以对边坡的稳定性问题在总体上有一个把握。 ( 2 ) 边坡变形破坏地质力学模型1 1 3 l 2 第l 章引言 典型边坡地质模型的建立对边坡的稳定性评价及其失稳形式分类是非常有 意义的，因为边坡地质模型是反映影响边坡稳定性状态的各种地质因素的综合体 现，而边坡的变形破坏方式集中反映了地质模型的主要特点。根据滑坡的地质基 础，并考虑滑体及滑床形态、滑体的变形破坏方式等提出的滑坡失稳的主要9 种 失稳类型，即：楔形体滑坡、圆弧滑面滑坡、顺层面滑动的滑坡、倾倒变形边坡、 溃屈破坏边坡、复合型滑面滑坡、岸坡或斜坡开裂变形、堆积层滑坡、崩坍碎屑 流滑坡等等。这些地质模式的提出对边坡的稳定性研究是非常有益的。 ( 3 ) 图解法1 1 3 i 图解法是考虑边坡的各种因素如岩性、地下水、边坡角等的变化，根据相应 的公式制成图表，使得边坡设计计算变得简单、方便，只需查相应的图表即可。 自1 9 3 7 年t a y l o r 首次提出稳定分析图表以来，b i s h o p 和m o r g e n s t e r n ( 1 9 6 0 、 1 9 6 3 ) 、s p e n c e r ( 1 9 6 7 ) 陆续设计出了各种图表。李靖等改进毕肖普法得到一个简 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性分析图表。 因图解法简单、直接，工程界常常使用，但其是简化基础上进行归并而得， 使用时一定要注意其适用条件和适用范围。 ( 4 ) 极限平衡法1 1 3 i 极限平衡理论是最经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、 可以解决各种复杂剖面形状、能考虑各种加载形式的优点，因此得到广泛的应用。 a 、条分法。条分法是边坡稳定分析理论中的重要方法。力学模型简单可以 对边坡进行定量的稳定性评价，已被工程人员广泛采用。1 9 1 6 年瑞典人彼德森最 早提出了条分法。该法假定土坡稳定问题是平面应变问题，并对圆柱形滑裂面以 上的土体划分垂直条块，计算中不考虑土条间的作用力，定义安全系数为滑 裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比。之后f e l l e n i u s ( 1 9 3 6 年) 、b i s h o p ( 1 9 5 5 年) 1 4 j 、m o r g e n s t e r n 和p r i c e ( 1 9 6 5 年) 、j a n b u ( 1 9 7 3 年) 等许多学者对条分法进行 了改进，其中b i s h o p 重新定义安全系数为沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生剪 应力的比值，使得安全系数的物理意义更加明确。 b 、改进条分法。张雄在其所著的边坡稳定性分析的改进条分法中，利 用极限分析和刚体有限元离散概念，提出了一种用于边坡稳定性分析的改进条分 法。该方法利用优化技术直接调整条块间及滑裂面上的内力，使得对给定的滑裂 第1 章引言 面安全系数取最大值，而对各个不同的滑裂面寻求使安全系数为最小的滑裂面， 对滑裂面的形状、条块间的内力之间的关系等不做任何假定。因此，能更真实地 反映边坡的实际稳定状态。 1 2 2 数值分析方法 ( 1 ) 有限元法1 3 5 l 极限平衡法计算简单，在边坡稳定性分析中己广泛应用。然而当边坡由非均 质和各向异性材料组成时，用极限平衡法计算则是不可靠的，不能得到令人信服 的结果。有限元法是一种十分成熟的数值方法，它几乎可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还可进行非线性分 析。 a 、基于滑裂面应力有限元分析的边坡稳定分析 在有限单元法发展的同时，研究者就开始研究其与边坡稳定分析中传统分析 方法的关系。早期的工作是在边坡中定义一个潜在的滑裂面，先由有限单元法 获得的应力计算滑裂面上各点的应力水平，然后根据加权平均原则定义安全系 数。研究发现，虽然有限元计算仍处于弹性状况下，但按照该方法计算的安全系 数与极限平衡法十分接近。基于此，许多研究者进一步研究在诸多滑裂面中寻找 一个临界滑裂面的可能性，这项工作采用了与极限平衡法相同的计算步骤，同时 也获得了与极限平衡法接近的最小安全系数和临界滑裂面。 b 、基于强度折减有限元分析的边坡稳定分析 在有限元法中，通过强度折减，直至计算到不收敛为止，其折减的倍数即为 稳定系数。利用有限单元法，通过强度折减来求边坡稳定安全系数。通过强度折 减，使系统达到不稳定状态时，有限元计算将不收敛，此时的折减系数就是安全 系数。安全系数的大小与所采用的屈服准则有关，采用莫尔一库仑等面积圆屈服 准则代替莫尔一库仑准则，求得的边坡稳定安全系数与传统方法的计算结果十分 接近。 ( 2 ) 边界元法1 3 i 边界元法是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种数值方法，c r o n c hsl 于1 9 7 6 年首 先将其应用于分析层状岩体的开挖稳定问题。与有限元方法不同，它只对研究 区的边界进行离散，因而它要求的数据输入量较少。该方法对处理无限域和半无 限域问题较为理想。它要求事先知道求解问题的控制微分方程的基本解，在处理 4 第1 章引言 材料的非线性、不均匀性、模拟分步开挖等方面还远不如有限元法，它同样不能 求解大变形问题，因而边界元方法目前在边坡岩体稳定性分析中的应用还远不如 在地下洞室中应用广泛。 ( 3 ) 离散元法1 3 l 离散元法是由c u n d a l lpa 首先提出并应用于岩石土体稳定性分析的一种数 值分析方法。离散单元法是将所研究的区域划分成一个个分立的多边形块体单 元，单元之间可以看成是角一角接触、角一边接触或边一边接触，而且随着单元 的平移和转动，允许调整各个单元之间的接触关系。最终，块体单元可能过到平 衡状态，也可能一直运动下去。离散单元法的原理虽然比较简单，但在解决非连 续介质大变形问题时却是非常实用的。离散单元法的单元，从性质上分，可以 是刚性的，也可以是非刚性的；从几何形状上分，可以是任意多边形，也可以是 圆形。 ( 4 ) 无界元法【3 l 为了克服有限元法在计算时其计算范围和边界条件不易确定的这一缺点， b e t t e s sp 于1 9 7 7 年提出了无界元方法。它可以看作是有限元方法的推广，它采 用了一种特殊的形函数及位移插值函数，能够反映在无穷远处的边界条件，近年 来已比较广泛地应用于非线性问题、动力问题和不连续问题等的求解。其优点是： 有效地解决了有限元方法的“边界效应”及人为确定边界的缺点，在动力问题中 尤为突出；显著地减小了解题规模，提高了求解精度和计算效率，这一点对二维 问题尤为显著，目前常常与有限元法联合使用互取所长。 ( 5 ) 其他数值分析方法 在边坡稳定性分析的数值方法中，还有利用拓扑学和群论的原理，以赤平投 影和解析计算为基础，来分析三维不连续岩体稳定性的块体理论。引入了非连续 接触和惯性力，采用运动学方法来解决非连续的静力和动力问题的不连续变形分 析。还有流形方法，快速l a g r a n g i a n 分析等方法来分析边坡的稳定性。随着对边 坡稳定性问题研究的深人，考虑因素的增加，各种数值分析方法将不断的得到补 充与完善，新的更加符合实际情况的数值分析方法也将应运而生。 1 2 3 边坡工程中的新理论及新方法 ( 1 ) 可靠度评价方法 5 第1 章引言 边坡稳定性分析中通常采用一种“确定性的 方法，即将安全系数定义为作 用在滑弧上的抗滑力矩与滑动力矩的比值。但事实上，计算所涉及的许多参数是 可变的，即具有不确定性的特征，这些不确定性在岩土工程中普遍存在。以数理 统计理论为基础的可靠度分析方法，为边坡的稳定性评价开辟了一条新的有意义 的途径。近十年来国内外工程界已把可靠度分析方法应用到边坡稳定性评价中， 对岩土体滑动过程的安全性进行了研究。 ( 2 ) 模糊综合判别法 最早将模糊数学引入岩石力学与工程研究领域借以分析天然岩石不确定性 的是我国学者陶振宇和王靖涛，他们将模糊数学中的模糊评判系统应用于岩石工 程分类之中，提出了建立在q 系统分类基础上，考虑岩体物理力学参数不确定性 的岩石分类方法，日木的樱井春埔等也利用模糊数学对岩石分类进行了研究，同 时将模糊数学用于处理边坡问题，h a b i b a g a h i 等重点考虑了几何参数的模糊性对 岩石边坡稳定性分析的影响，并提出了确定模糊安全系数的方法。 ( 3 ) 灰色统计判别法 灰色系统理论是研究信息不完全系统的有效方法。灰色系统分析和灰色模型 是灰色系统理论的两大核心内容。一般情况，构成现实问题的实体因素是多种多 样的，因素间的实体关系也是多种形式的。因而要想知道因素和因素问的全部关 系是不可能的，也是不必要的。在这种情况下，只需着眼于决策者的目的相关联 的主要因素和关系。在系统分析中，常用的定量方法大都是数理统计法，如回归 分析、方差分析、主成分分析，其中以回归分析用得最多。然而，回归分析有要 求大样本量、要求样本有较好的分布规律、计算工作量大以及可能出现量化结果 与定性分析结果不符的现象等弱点。灰色系统理论则提出了一种新的系统分析方 法，称为系统的灰色关联度分析方法。该方法可不受上述局限，它可在不完全的 信急中，对所要分析研究的各因素，通过一定的数据处理，在随机的因素序列间， 找出它们的关联性，发现主要矛盾，找到主要特性和主要影响因素。因此，特别 适合于像边坡稳定性这种数据有限、没有原型、复杂而且具有不确定性问题的分 析和评价。 ( 4 ) 聚类分析法 边坡稳定性评价的聚类分析是通过无监督训练将边坡样本按相似性分类，把 相似性大的边坡样本归为一类，占据特征空间的一个局部区域，而每个局部区域 的聚合中心又起着相应类型的代表作用。聚类分析一方面可以作为一种有效的信 息压缩与提取手段，另一方面又往往是其它模式识别的基础。在实施聚类过程中， 6 第l 章引言 应使样本自成一类，然后计算各样品之间的距离，按距离最近原则将两个样本合 成一类，再计算类与其它各类的距离，继续按最近原则合并，使类的数目进一步 减少，直到所有样本归为一类为止。运用聚类分析来寻找实例库中各实例间的关 联，藉此可对工程中的相似的边坡做出预测。 ( 5 ) 人工神经网络法 人工神经网络是一种非线性动力学系统，具有较强的非线性映射能力，在不 知道数据的具体分布形式和数据之间的制约关系的情况下也能进行非线性映射。 人工神经网络可以对现有的工程经验进行自我学习，并将学习的结果存储在神经 元的阈值和神经元问的连接权值中，当有新的工程实例输入时，网络将利用其非 线性映射能力，给出启发式的推断结果。 一般而言，采用神经网络对边坡的稳定性进行预报可分为两个阶段：第一阶 段为网络的自我学习阶段，通过对现有工程实例的学习，获得接近客观实际的非 线性映射关系g ；第二阶段为预报阶段，将新的工程问题的参数施加在网络的输 入端，网络基于自身储存的非线性映射关系g 在输出端给出启发式的预报结果。 ( 6 ) 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 是模拟自然界生物进化过程提出的 一种自适应随机性优化搜索算法。该算法首先随机产生种群，并用合理的评价函 数对种群进行评估，在此基础上进行选择、交叉及变异等遗传操作，进行具有导 向性的随机搜索，直至得到最优解。遗传算法求解步骤主要包括：首先随机生成 最优化问题的n 个可行解，并对解进行编码，我们称这n 个解为父代，每个解为一 个个体，解的编码为染色体，组成编码的元素为基因。然后确定适当的评价函数， 每个染色体的评价函数值的大小决定了其按照某个概率被选择产生后代的机会 的大小。第三是染色体的结合，根据适当的概率，选择父代进行两两配对，通过 编码间的交叉产生新的个体。最后是变异，按适当的概率，使新一代的某些基因 发生变化。变异操作使解具有更大的遍历性，有利于收敛到全局最优点。 在岩土工程边坡稳定性分析计算中，要寻找最危险的潜在的滑动面，然后以 此为依据，进行设计。寻找最危险的滑动面的位置，可以使用遗传算法。 ( 7 ) 专家系统 专家系统是把各种专家知识从人类专家的头脑或其他知识源知识人工地转 换到知识库中的，故费时低效。专家系统不仅适合处理不十分明确的问题，同时 也能有效地考虑岩土材料参数的数据变化和不确定性。由于影响边坡的各种因素 7 第1 章引言 的不确定性，在许多情况下仍主要依赖于专家经验和类比，因此，专家系统在边 坡工程领域有很好的适宜性。但也有经验收集、知识获取难的问题，而对于象边 坡工程这样复杂的巨系统，其知识获取是件很不容易的事。专家系统对于动态和 复杂的系统，其推理规则是固定的，难以适应变化的情况；对于有大量数据的输 人的系统，由于数据中存在较强的干扰因素，使得专家系统的结果受到很大影响； 专家系统不能从过去处理过的事例中继承地学习，这使知识获取更加困难。 ( 8 ) 复合法 任何一种分析方法都不是万能的、唯一的、排它的方法，而把两种或多种方 法融合起来，取长补短，是未来发展的一种趋势。如神经网络的学习包括了两个 优化过程，分别是网络连接权重的优化和网络拓扑结构的优化。而优化权重的最 著名的方法是b p 算法，但b p 的最大弱点是局部极小问题和无法学习网络拓扑结 构。遗传算法作为对自身演化过程学习的一种优化算法，与神经网络结合可解决 这个问题。将人工神经网络和遗传算法相结合进行位移反分析，并已成功地用于 岩石边坡的分析研究中。在边坡稳定性分析智能系统的设计中，将神经网络、专 家系统、极限平衡分析和数值分析等多种方法结合成一个整体，对边坡稳定性进 行综合分析和判断，充分发挥各自的优点，从而提高边坡稳定性分析的合理性与 可靠性。此系统包括：边坡稳定分析神经网络专家系统、边坡破坏模式判别专家 系统、极限平衡分析系统。 1 2 3 边坡稳定分析方法总结 边坡稳定分析方法很多，不同边坡可采用不同的力学模型与分析方法，不同 的分析目的与精度要求也有不同的方法与之适应。 在工程初期基本资料不充分，分析精度要求不高的情况下，对粘性土质边坡 采用刚体极限平衡理论中的圆弧法分析；对于无粘性土边坡可采用相应的折线 法；对岩质边坡可采用刚性块体稳定分析法或s a r m a 法。在技术设计或施工设计 阶段，分析精度要求高，分析所需的资料也较充分，可采用较精确的连续介质力 学方法有限单元法或离散介质力学方法离散单元法分析。对于可滑动边 破的稳定性分析，采用条分法( 包括s a t m a 法) 来得更直接、方便，对于某些滑动 可能性不大但变形要求高的边坡则必须采用变形介质假定下的分析方法有 限元法，包括弹塑性有限元分析，粘弹塑性有限元分析及渗流有限元分析等。对 于地震、爆破等动荷载作用下边坡的稳定性分析及其滑速、涌浪分析及渗流应采 用有限元动力大位移模型分析。 随着岩土力学参数由过去主要由实验室试验和现场确定发展成多种方法综 第1 章引言 合确定的方法，如数值反分析法、野外抽样与统计推断技术等，特别是有关结构 岩体特性研究的进展，使得岩质边坡的数值计算结果更为可靠。目前人们已可以 在计算机上再现岩体的裂隙网络，确定节理网络状态下的渗流特征，定量评价岩 体的质量、力学参数进而确定边坡的稳定性。引人损伤、断裂概念及大变形理论 能使数值计算结果更加精确，块体理论、离散单元法让我们能够在计算机上模拟 边坡运动的特征与失稳过程，运用可靠度方法、网络理论和动态规划原理、随机 模糊有限元可以较好地处理裂隙介质力学几何参数的随机性、模糊性，使稳定性 计算成果更为合理等等。 1 3 临界滑动面的确定 无论是基于极限平衡理论的分析，还是以有限元理论为基础的分析，都需要 分为两步来进行：第一步，对某一可能的滑动面，分析其滑动与抗滑因素，从而构 造安全系数f 与其潜在滑动面y ( x ) 的函数关系，即定义抗滑安全系数为 f = f 涉( x ) ( 1 1 ) 第二步，对许多潜在滑动面，确定相应于最小安全系数只的滑动面y 。( x ) ，即临界 滑动面为 只= m ，i n f y ( x ) ) = f 。( x ) ) ( 1 2 ) 在2 0 世纪8 0 年代以前，绝大多数的研究都集中到第一步的分析中，得出了 许多被广泛认可的有效的安全系数计算公式。近2 0 年来，临界滑动面的搜索问题 得到了很大的重视，提出了不少搜索技术和方法。 1 3 1 变分法 上个世纪7 0 年代后期，一批研究者试图利用变分法来进行边坡稳定分析。曾 经在这方面做出过尝试性研究工作的有：b a k e r 和g a r b e r ( 1 9 7 7 ) ，c a s t il l o 和 r e v i l l a ，r a m a m u r t h y ( 1 9 7 7 ) 等。他们把滑动面、正应力的分布、条间力的分布 都看成变量，边坡的安全系数看成这些变量的泛函，再利用变分法，求得使安全系 数泛函f 达到极小值的临界滑动面及应力分布。该方法是一种解析方法，从数学来 说是较为复杂的，尤其是难以考虑复杂的土层和地下水情况，应用范围十分有限。 他们也曾得出一些有用的结果，但同时也发现其间存在着很大的问题，就r e v i l l a 和c a s t i l l o ( 1 9 7 7 ) 在他们的计算中，对一个够= 0 简单均质边坡进行分析时，发 现他们得出的结果比众多研究者已经确认为正确的结果竟然小出3 0 之多。d e j o s s e l i n 与d ej o n g ( 1 9 8 0 ) ，l u c e n o 和c a s t i l l o ( 1 9 8 0 ) 等人对变分法的这种应用 9 第l 章引言 理论的正确性和分析问题的局限性也都提出了质疑。 由变分法从理论到实际应用结果存在的问题，使之在边坡稳定分析方面尚处 于低潮时期，对边坡稳定分析理论带来的实质性提高也很小。然而，借鉴变分法把 安全系数f 看成是临界滑动面y ( x ) 的泛函的思想，再与极限平衡理论相结合，为临 界滑动面搜索的数值解法带来了新的启示。 1 3 2 固定模式搜索法 固定模式搜索是搜索点位置或搜索过程在搜索进行之前就已经明确限定的 一种搜索方法。属于这种搜索的搜索方法有：区格搜索法、模式搜索法、二分法 和单形体映射方法。 ( 1 ) 区格搜索法 区格搜索法原理简单，是早期计算机辅助边坡稳定分析中常用的一种方法， s i e g e l ( 1 9 7 5 ) 对这种方法进行了详细的论述。其基本思想是把搜索区域按一定的 精度划分成满布区格形式，然后对每一个区格点计算其安全系数，取最小值点对 应的滑动面为临界滑动面，其对应安全系数即为最小安全系数。该方法由于搜索 点在搜索进行之前就已经确定，因此不会受安全系数函数形态的影响，也不会陷 入局部极小值。但是该方法搜索范围广，计算量大，精度提高只有靠提高区格的划 分精度、成倍增大计算量来得到，而且通常只用于对圆弧滑动面的搜索。 ( 2 ) 模式搜索法 l e f e b v r e ( 1 9 7 1 ) ，h u a n g ( 1 9 8 3 ) 都采用了模式搜索方法来确定临界滑动面，对 于二维问题，其搜索过程如图1 1 所示，先确定一个搜索起点，确定其安全系数，然 后以该点为中心，以一定的步长在其上下左右各确定一点，计算这四点的安全系 数。如果这些点中有安全系数值小于中心点的点，则以安全系数最小点为中心， h 2趴 弋矽 图1 1 模式搜索过程 以相同的步长重复上述过程，直到外围点不能再对安全系数起到减小作用为止， 这时减小步长为原来的1 2 或1 4 ，如此进行下去，直到步长达到相应的精度要求 l o 第l 章引言 为止。 莫海鸿( 1 9 9 9 ) 采用了类似的方法，只是其对中心点每一个搜索方向都预先进 行了一次探测，以确定下一个中心点移动的方向，而不是对中心点每一侧都进行 计算。而且，该方法突破了搜索区域的限制。 这类方法一般是用来确定圆弧滑动面，但也可以扩展到多维问题，以搜索非 圆弧滑动面。该法的搜索点是在搜索过程中产生，容易陷于安全系数的局部极小 值。对于土层和地下水等情况比较复杂的边坡，运用该法分析时，应根据搜索区域 选择不同的搜索起点，多次搜索比较，以确保最后结果的可靠性。 ( 3 ) 二分法 二分法在搜索区域x i 口，b l 搜索过程为：先确定搜索中心点，而= ( 口+ b ) 2 ； 四等分搜索区域s 1 = a b s ( a - b ) 4 ，另两个等分点x 2 = x l + s l ，x 3 = x i s l ：然后对 三点计算各自的安全系数；选择安全系数最小点作为新的搜索中心点，搜索半径 取为原来的一半；重复上述步骤，直到步长达到相应的精度为止。对于二维区域 可以采取类似的过程。 江见鲸( 1 9 8 7 ) 在其土建工程常见程序选编中选用了该搜索方法。由于其 搜索效率高、收敛快的特点，随后被较多地应用于圆弧滑动面的搜索。马忠政和 侯学渊( 2 0 0 0 ) 根据多级边坡圆弧滑动面的特点，改进了二分法的搜索方式，进行 三向搜索，对多级边坡圆弧滑动面的搜索取得较好的结果。 二分法虽然存在以上优点，但这是对简单均质边坡而言的，对于复杂边坡， 安全系数函数呈复杂形态，二分法致命的缺点就是易于陷入局部极小值，如图1 2 所示的安全系数的函数形态，搜索极易趋于局部极小值点，从而难以搜索出真正 的临界滑动面。 a 图1 2 二分法对复杂边坡的搜索 ( 4 ) 单形体映射法 单形体映射法是一种有效的非推演搜索极小值过程，它用具有一定几何形体 的点集在解空间的映射翻转来代替一系列的指定方向的搜索极小值过程。这个形 体就叫作单形体。 对于一个r l 维解向量空间，定义n + 1 个相互间距相等的点，构成单形体。对于 第1 章引言 二维空间，它是等边三角形；而对于三维空间，则是一个正四面体。其搜索过程 如图1 3 所示：先在搜索空间定义一个初始搜索形体，计算各点的安全系数值并 进行比较，一次淘汰一个最差的点，即安全系数最大的点，并将其映射到与其对 立的面，形成一个新的形体；重复上一过程，直至各点安全系数的均方差小于某 一给定精度值，其中最小点对应的滑动面即为临界滑动面。 n g u y e n ( 1 9 8 5 ) ，d en a t a l e ( 1 9 9 2 ) 分别采用了这种方法。该方法存在的一个 突出的问题是：当形体边长定得不够小或精度定得太高的时候，其计算结果将无 法收敛。另外，该方法与前面的二分法、模式搜索方法一样，易于陷入局部极小 值。 1 3 3 数学规划方法 图1 3 单形体映射过程 在2 0 世纪8 0 年代，国内外采用数学规划方法探索临界滑动面的研究较多，其 中有：c e l e s t i n o 矛 1 d u n c a n ( 1 9 8 1 ) ，a r a is n t a g y o ( 1 9 8 5 ) ，l i 和w h i t e ( 1 9 8 7 ) ， 阎中华( 1 9 8 3 ) ，周文通( 1 9 8 4 ) ，孙君实( 1 9 8 4 ) ，y a m a g a m i 和u e t a ( 1 9 8 8 ) ，陈祖煜 和邵长明( 1 9 8 8 ) ，g r e c o ( 1 9 8 8 ) 等。这种方法的基本思想就是借鉴变分法的思想， 把滑动面y ( x ) 看成一个变量，再把安全系数f 看成是滑动面y ( x ) 的泛函。该方法一 般均需对目标函数f 进行求导运算，以确定y ( x ) 沿梯度下降的方向移动，从而求 得安全系数f 极小值。数学规划方法探索临界滑动面主要有线性非线性规划 法和动态规划法。 ( 1 ) 线性非线性规划法 在线性非线性规划法中，不同的研究者采用的搜索移动方法和对具体问 题采取的具体措施各不相同，如：c e l e s t i n o 和d u n c a n 采用单点定向移动法，a r a i 1 2 第1 章引言 和t a g y o 则应用了共轭梯度法，l i 和w h i t e 贝u 在前者研究的基础上提高了其搜索效 率，阎中华采用了黄金分割法，周文通采用了鲍威尔法，孙君实采用了复形法。 实际分析表明，在现阶段，对于较复杂的边坡，这些采用任何单一搜索方法所得 出的结果的精度或可信程度以及效率情况尚比较难于判断。因此，对同一边坡采 用多种临界滑动面搜索方法是必要的和值得提倡的。y a m a g a m i 和u e t a ( 1 9 8 8 ) ，采 用了单纯形法、鲍威尔法、d f p 法和扩展的d f p 法耳p b f g s 法四种方法对同一土坡的 临界滑动面进行了搜索和对比分析，并且探讨了初始估计的滑动面位置、滑动面 自由度数以及安全系数的定义函数等对临界滑动面的影响。陈祖煜和邵长明也分 别采用了单纯形法、负梯度法、d f p 法。g r e c o ( 1 9 8 8 ) 采用了单纯形法、单点定向 移动法、最速下降法、鲍威尔法以及模式搜索法五种方法对一土坡进行了对比分 析，研究了各方法的非线性规划方法迭代计算的收敛速度及其影响因素如滑动面 移动步长等。这些对比分析表明，临界滑动面位置的误差大致在1 0 - - - 2 0 之间。 该方法由于需要对目标函数进行求导运算，所以使计算过程变得异常复杂， 当自由度数过多时( 7 个或7 个以上) ，实践表明，搜索法结果将变得异常粗糙，尤 其是对于复杂土层情况，该法易于陷入局部极值点。 ( 2 ) 动态规划法 动态规划方法把临界滑动面的确定过程看成是一个多阶段决策过程。其理论 基础是b e l l m a n 的最优性原理：“一个最优策略有这样的特性，不论初始状态和 初始决策如何，相当于第一个决策所形成的状态来说，余下的决策必定构成一 个最优策略”。该方法与上面其他数学规划方法不同的是无需对目标函数进行求 导。动态规划法本质就是一个搜索全局最小的搜索策略，其搜索过程不会受到局 部极值点的干扰，从原本意义上说这是该法最大的优点。然而，由于这种方法只 适于目标函数形式为可分的费用函数形式，因此需对安全系数的目标函数进行变 换，变换后的目标函数的极值将对应变换前的安全系数的极值，动态规划法搜索 结果为变换后目标函数的全局最小点，该点是安全系数f 的极小值点，但不能确 保就是全局极小值点。另外，动态规划方法在涉及土体以外的状态点的辅助函数 计算时，还存在路径的“迟到 和“早退 现象，这也是应该值得注意的，常需特 殊处理方法。 虽然存在着上述缺陷，实践表明，该法还是一种比较实用、合理、高效的搜 索方法。b a k e r ( 1 9 8 0 ) 首先采用了动态规划法结合s p e n c e 法来确定非圆弧临界滑 动面和最小安全系数。曹文贵和颜荣贵( 1 9 9 5 ) 结合j a n b u 法采用了类似的搜索方 法，并取得了较满意的结果。y a m a g a m i 和j i a n g ( 1 9 9 7 ) 则按三维简化j a n b u 法，结 合采用随机数生成技术，首次将动态规划法应用于三维边坡的稳定分析中。 1 3 第1 章引言 1 3 4 随机搜索方法 随机搜索方法分为随机产生方法和随机修改方法。随机产生方法就是随机地 产生巨大数量的一系列潜在滑动面，分别进行计算比较，认为其中安全系数最小 的滑动面即为临界滑动面。b o u t r o p 和l o v e l l ( 1 9 8 0 ) ，s i e g e l ( 1 9 8 1 ) 均采用了这 种方法。随机修改策略是在现有最优解基础上进行微小的随机修改，然后把新滑 动面与原滑动面进行比较，依次搜索下去。g r e c o ( 1 9 9 6 ) ，a b d a l l a h 和w a l e e d ( 2 0 0 1 ) 采用了这种方法，从搜索效率上来说，这种方法比随机产生方法要高。 随机搜索方法，对复杂的边坡分析不会遇到数值问题，也不会陷入局部极值， 而且理论比较简单，易于编程计算，也易于根据实际问题对程序进行调整。这种 方法最大的缺点就是计算量大，当自由度数较多时，要想用该方法搜索出最危险 滑动面，几乎是难以想象的。 陈祖煜( 1 9 9 2 ) 把随机搜索与数学规划方法结合起来，根据数学规划方法易于 陷入局部极值的情况提出了置信区间的概念，认为数学规划方法搜索起始滑动面 落入这个区间，其搜索的最终结果就会趋于全局极小值点。其采用一定搜索次数 的随机搜索，保证概率置信区滑动面会按一定概率出现，再把随机搜索的结果作 为数学规划方法搜索的起始滑动面。这种方法存在的一个问题是，虽然以一定概 率保证了置信区滑动面会在随机搜索中出现，但却难以保证该滑动面就是随机搜 索的最佳值，就能被选为数学规划方法搜索的起始滑动面。虽然存在着这一问题， 但这两种方法的联合克服了随机搜索效率低的缺点，又在很大程度上克服了数学 规划方法易于陷入局部极值点的缺点。这种方法的借鉴与联合将会成为下一阶段 临界滑动面搜索技术研究的重点。 1 3 5 人工智能方法 目前在临界滑动面搜索中最常用的人工智能方法就是遗传算法。遗传算法是 由h o l l a n d 教授首先提出来的，它是一种模拟达尔文的生物进化理论提出来的一 种算法，把生物进化过程中的选择、交叉、变异等概念引入到算法中，是一种全 局概率的智能搜索方法。其基本搜索步骤为：( 1 ) 定义一个目标函数，其函数值 用来评价可行解的适应性；( 2 ) 对目标函数中需进行搜索的变量进行编码，形成 码向量x ( 染色体) ，根据码向量的结构，