三峡库区堆积层滑坡稳定的可靠性研究

1、三峡库区堆积层滑坡稳定的可靠度研究 重庆市建筑科学研究院 2 主要内容 n 本文以三峡库区堆积层滑坡为研究对象，尝试将概率极限状态 设计原则应用于滑坡治理的实用设计。首先以三峡库区部分先验分 布统计资料为基础，利用Bayes方法对岩土抗剪强度参数的后验分 布进行了优化估计。然后选择三峡库区50个有代表性的堆积层滑坡 作为“校准法”的计算对象，采用JC法按最不利设计工况计算每个 堆积层滑坡治理前、后滑坡稳定的可靠度指标，并提出了三峡库区 堆积层滑坡治理设计的目标可靠度指标。最后根据概率极限状态设 计准则，应用基本变量标准值和分项系数的设计表达式，以目标可 靠度指标为约束条件，采用不完全可靠度分析

2、方法综合确定滑带土 抗剪强度参数的设计分项系数，并对其适用性进行了评价。 3 目目 录录 n一、绪论绪论 n二、可靠度分析的基本原理二、可靠度分析的基本原理 n三、用于建立功能函数的滑坡稳定分析方法三、用于建立功能函数的滑坡稳定分析方法 n四、三峡库区岩土抗剪强度参数的概率统计分析四、三峡库区岩土抗剪强度参数的概率统计分析 n五、三峡库区堆积层滑坡治理设计的可靠度分析五、三峡库区堆积层滑坡治理设计的可靠度分析 n六、三峡库区堆积层滑坡治理设计的分项系数研究六、三峡库区堆积层滑坡治理设计的分项系数研究 n七、结论与建议七、结论与建议 4 第一章第一章 绪绪 论论 n三峡库区是一个地质灾害多发地区

3、。与危岩、塌岸和泥石流等地质 灾害相比，滑坡造成的社会影响、经济损失最大。 n滑坡按滑坡体的物质组成和结构形式大致可分为三类：土质滑坡、 堆积层滑坡和岩质滑坡。其中堆积层滑坡在三峡库区滑坡中占有相 当高的比例。 n边坡稳定分析方法可以分为两大类:确定性分析方法和不确定性分 析方法。 5 第二章 可靠度分析的基本原理 n2.1 极限状态的概念 n 如结构的某一功能可用n个随机变量表示，则该功能函数可表示 为 n n 结构在其使用过程中，能够完成要求的功能，则结构处于可靠状 态;如果结构不能完成要求的功能，则结构处于不可靠状态，或失效 状态。结构由可靠状态到不可靠状态需有一个界限，这一界限称为结

4、构的极限状态。 n Z0:表示结构处于可靠状态; n Z1 滑坡失稳，F 1 滑坡稳定的情况。究其原因，除了各种方法本身所 作的简化假设理论上的缺陷外，主要原因是滑面力学参数指标c、 的准确取值影响计算安全系数F的可靠性。国内外的研究表明，不同 的计算方法所得的结果之间的差别较小，一般为 15%左右，而确定滑 面力学参数指标c、的差别对计算结果的影响程度远远超过方法的 选择，达到 85%。 n鉴于工程界普遍采用极限平衡法，本文对三峡库区堆积层滑坡稳定分 析仍采用规范的传递系数法来建立可靠度分析的功能函数。 14 堆积层滑坡 15 第四章第四章 三峡库区岩土抗剪强度参数的概率三峡库区岩土抗剪强度

5、参数的概率 统计分析统计分析 n现场原位试验确定岩土抗剪强度参数是目前较为成熟可靠的方法，但 受时间、资金、现场条件等限制，不可能大量实施，因此，寻求其他 途径确定岩土抗剪强度的概率统计参数成为滑坡稳定可靠度分析的关 键。 n根据三峡库区堆积层滑带土的性质，可把该区域内的滑带土分为 3 个 区段：坝址庙河(以结晶岩为主)、庙河奉节(秭归盆地除外，以碳 酸岩为主)和奉节重庆以及秭归盆地(以层状碎屑岩为主)。 16 n三峡库区滑带土抗剪强度参数的概率分布 坝址庙河段共收集到滑坡滑带土抗剪强度参数 58 组，庙河奉节 段共收集到 104组，奉节重庆段以及秭归盆地共收集到 229 组。参 数值皆为饱和

6、峰值，具体统计特征如下表 所示。 17 n下图给出了奉节重庆段滑坡抗剪强度参数 c的频率直方图。由图可 得， ，所以，奉节重庆段抗剪强度参数 c 服从对数正态分 布，概率密度函数为: 1 .15501. 0 22 464. 0 )926. 2(ln exp 24815. 0 1 )( 2 x x xf 18 n下图给出了奉节重庆段滑坡抗剪强度参数的频率直方图。由图可 得， ，所以，奉节重庆段抗剪强度参数服从对数正态 分布，概率密度函数为: 4603. 0 )482. 2(ln exp 2479. 0 1 )( 2 x x xf 341.113 2 01. 0 2 19 滑带土抗剪强度参数的概率

7、确定方法滑带土抗剪强度参数的概率确定方法 nBayes 估计是统计学的两大流派之一，近年来在岩土工程领域得到广 泛应用 。 n针对某一个具体工程，由于经济或技术原因，许多指标试验资料(特 别是现场原位试验资料)不足以单独进行统计分析，基于以往相同或 相近的地质条件，人们积累了许多资料，这些资料可以用来对参数进 行一般性估算(先验分布)，同时得到小样本的概率分布特征(似然函数)， 就可以得到该工程的试验指标的概率分布(后验分布)，这就是 Bayes 估计的基本思想。Bayes 公式可表示为： )( ),()( ),()( ),()( )( xh xf dxf xf x 20 若以某一个滑坡的试验

8、数据为似然函数，则根据Bayes 估计 可以得到其后验的概率密度函数，其均值和标准差分别如下 ： 式中： ， 分别为后验分布的标准差和均值； ， 分别 为先验分布的标准差和均值；，分别为似然函数的标准差 和均值。 对于试验参数未知的新生型滑坡，可以选择滑坡附近土性 相近的多个滑坡点参数作为似然函数来推求该新生型滑坡的参 数；对于滑坡点试验数据较少的新生型滑坡，可以利用已知的 试验数据作为滑坡点似然函数来对该新生型滑坡点参数进行优 化。 22 2 2 22 22 )( )( )( )( )( 21 第五章第五章 三峡库区堆积层滑坡治理设计的三峡库区堆积层滑坡治理设计的 可靠度分析可靠度分析 n传

9、统的边坡安全度评价多采用基于极限平衡理论的中值安全系数法， 该方法计算简便、直观，并经工程实践证明是一种有效的方法。然而 以岩土体为工程材料的边坡，其组成和构造都存在不均匀性，表现出 的工程性质差异很大，这就决定了边坡工程必然具有不确定性。传统 的中值安全系数法，在一定程度上难以准确地对较复杂边坡的稳定性 作出客观的评价，采用以概率统计为基础的可靠性评价方法，可能更 符合实际。 22 随机变量的确定随机变量的确定 n堆积层滑坡的功能函数式中，参数可分为以下三类： (1)几何尺寸：如边坡几何形状、条块的滑面长度、倾角等；由于 几何尺寸一般可通过测量和勘察手段较准确地获得，可视为确定量。 (2)岩

10、土体的物理力学参数：如重度、内摩擦角c、粘聚力等。 考虑到重度的变异性较小，在可靠度计算时可忽略其变异性的影响； 而内摩擦角c、粘聚力，由于受地质条件和周围环境等的影响较大， 具有较强的不确定性，故本文选取抗剪强度指标c、作为随机变量。 (3)环境影响参数：如地震荷载、地下水活动引起的荷载等。在边 坡稳定可靠度计算时，这些参数一般都事先假定为确定量，故不作为 随机变量考虑。 (4)结构抗力R：作为随机变量考虑，并假定服从正态分布，其均 值由设计表达式确定，变异系数由结构材料强度的变异性、施工偏差 等因素综合确定。 n这样，以这些随机变量表示的功能函数可写成如下形式： RcgZ, 23 24 实

11、例计算及一些规律性的研究实例计算及一些规律性的研究 n工程概况工程概况 某滑坡位于万州新城内，平面形态为纵长式木履形，长112m，宽40m， 东北向倾斜，滑动主轴方向为北东50度，滑坡平均厚度811.4m，面 积5000m2，体积为40000m3。滑面倾角1118。滑体土为碎块石， 土石比7:3。滑床由侏罗系中统上少溪庙组砂泥岩组成，岩层产状 30035。滑坡防治工程设计安全等级为二级，结构重要性系 数取1.1。治理方案采用悬臂式抗滑桩对滑坡进行支挡，悬臂桩设计 截面为15002500，桩心距取4m，嵌入中风化基岩不少于7m，桩总高 度24m。桩长边与主滑面方向平行，治理位置详见图5.3-1。

12、 n滑坡设计工况滑坡设计工况 根据地质灾害防治工程设计规范(DB50/5029-2004）,工况如下： 工况一：滑体重+建筑荷重+暴雨 工况二：滑体重+建筑荷重+地震 根据计算结果，第二剪出口的工况一为最不利工况，作为设计控制工 况。 25 图图5.3-1 5.3-1 望江路滑坡断面示意图望江路滑坡断面示意图 26 滑带土抗剪强度参数的概率统计滑带土抗剪强度参数的概率统计 n根据地质灾害防治工程勘察规范（DB50/143-2003），望江路滑坡处于弱 变形阶段，按暴雨设计工况控制，滑带土抗剪强度指标c、应取饱和峰值强 度指标。 n因为试验数据不足，本文利用第四章介绍的Bayes方法进行参数估计

13、。由于地 质成因类似，可以认为这6组数据与前面统计的奉节重庆段滑带土抗剪强度 参数c、 来自同一分布总体， 即似然函数服从对数正态分布，其c、 的 均值和标准差分别为13.34，1.71；6.35，1.27。第四章奉节重庆段滑 带土抗剪强度参数的分布密度函数可认为是先验的概率密度函数，其c、 的均值和标准差分别为：20.9，11.32；13.41，8.54。将、 和 代入式( 4.2.8)可得后验的概率密度函数，其c、 的均值 和标准差分别为：13.51，1.69；6.5，1.26。 n结果表明，采用Bayes方法优化后该场地抗剪强度参数均值介于样本均值和先 验均值之间，优化后的标准差较样本标

14、准差和先验标准差都要小，各参数的 变异系数都有不同程度的降低。 27 极限状态方程与可靠指标的计算极限状态方程与可靠指标的计算 28 29 一些规律性的研究一些规律性的研究 nc c、分布类型对分布类型对的影响的影响 30 c c、均值对均值对的影响的影响 31 c c、变异系数对变异系数对的影响的影响 32 c c、的相关性对的相关性对的影响的影响 33 三峡库区堆积层滑坡目标可靠度指标三峡库区堆积层滑坡目标可靠度指标的研究的研究 n目标可靠度指标目标可靠度指标的概念和确定方法的概念和确定方法 如果一个国家的各种设计规范的安全度理论都是基于概率的,那么各类结构的 安全度就可以通过可靠度指标进

15、行比较,同时,也就可以规定一个或几个值, 使绝大多数所设计的结构都保证在这个水平之上。这个值,称为目标可靠 度指标。 目标可靠度指标,即设计所预期的可靠度指标,理论上应该根据各种结构的重要 性、失效后果、破坏性质、经济指标等因素以优化方法分析确定,比如风险水 平类比法、最佳经济效益法等。目前限于统计资料不够,且考虑到设计规范的 现实继承性。因而采用“校准法”来确定目标可靠度指标。 所谓校准法,就是通过对现行设计规范的反演分析,搞清现有结构设计总体的可 靠度水准,并据此确定今后设计时取用的统一的可靠度指标。这种做法,实质上 是从总体上继承了现有的可靠度水准,因而是一种比较稳妥可行的办法。建 筑结

16、构设计统一标准就是采用“校准法”,根据我国现行规范的平均可靠度 指标来确定今后设计时所采用的可靠度指标,即目标可靠度指标。 34 35 计算结果的整理与分析计算结果的整理与分析 36 37 38 39 第六章第六章 三峡库区堆积层滑坡治理设计的三峡库区堆积层滑坡治理设计的 分项系数研究分项系数研究 n滑坡治理设计时，直接以目标可靠度指标作为能否完成预定功能的 度量指标，这是比较合理的设计准则。但是这种以概率论为基础的二 阶矩设计模式，要求每个工程的岩土指标统计参数都必须预先给定。 这给地质勘察带来了困难，对一般工程而言，目前尚不现实。考虑到 概率极限状态的实用设计准则，本课题将应用基本变量标准

17、值和分项 系数表达的形式，所不同的是设计表达式中各分项系数不是根据经验， 而是按概率的方法经优选确定的，体现了目标可靠度指标的要求。 这样，设计人员在进行滑坡稳定分析时，无需进行概率方面的运算， 就能使滑坡治理设计的可靠度指标尽可能接近预定的目标可靠度指标 。 40 c c、标准值的确定标准值的确定 41 极限状态设计表达式和分项系数的确定方法极限状态设计表达式和分项系数的确定方法 n极限状态设计表达式极限状态设计表达式 42 几种常用的分项系数确定方法几种常用的分项系数确定方法 n1.建筑结构设计统一标准（GBJ6884）推荐的方法 不适合多个抗力基本变量分项系数的优选。 n2. 一般分离法 一般分离法虽然适合于多个基本变量分项系数的优选，但要求极 限状态方程为线性，否则将无法分离。 n3. 设计验算点法 设计验算点法是一种以“理论分项系数”为中间媒介选定分项系 数的方法，这