【地震风险下长区段路基边坡系统可靠性分析案例8400字】

地震风险下长区段路基边坡系统可靠性分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u21384地震风险下长区段路基边坡系统可靠性分析案例 [89]在考虑了各种不确定因素的情况下，对一实际失效边坡进行三维稳定性分析，预测其破坏宽度为63m，计算出边坡破坏概率为0.11，计算结果与实际观测结果吻合较好。土体的相关距离等参数获取困难，基于以上分析，本文案例计算根据该工程中实际发生破坏的附近工点的失效长度作为临界长度即子单元长度，每50m统计一个断面。1.2.2系统可靠性计算原理与一旦发生洪水决堤将造成不可估量损失的堤坝系统相比，铁路路基边坡系统由于其可修复性，某一子单元边坡的局部失稳不会对整个系统的稳定程度产生巨大影响。因此，铁路工程师更关心的是多处子单元边坡同时发生局部失稳时对系统可靠性的影响，即失稳率。失稳率定义为实际发生失稳破坏的子单元边坡个数与子单元边坡总数的比值。即： （4-7）对于铁路路基边坡系统，只有当失稳率超过容许失稳率（如0.1%、0.5%或1%）时，才认为路基边坡系统失效；当失稳率小于容许失稳率时认为少量子单元失效对系统的影响程度不显著，路基边坡系统工作正常。一旦目标容许失效率确定，则最大容许子单元边坡失效个数如式（6-23）。 （4-8）式中，[·]表示向下取整。此时，整个路基边坡系统可以视为一个系统，各子单元边坡失稳与否相互独立，则路基边坡系统在恰好有i个（）边坡失效的概率为： （4-9）路基边坡系统在容许失效率条件下的失效概率为： （4-10）1.2.3系统可靠性风险评价长区段路基边坡工程规模大、线长点多，整个工程面临的风险很多。对工程安全进行风险评价对控制风险，减少工程事故发生，避免人员和财产的损失具有重要的意义。基于对边坡系统可靠性的计算结果，对边坡系统失效这一风险事件按照风险事件发生概率等级划分进行风险评价。（1）风险事件发生的概率等级划分标准StevenG.Vick和美国垦务局分别将风险事件发生概率按表4-1、表4-2分级。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s11风险事件发生概率表（StevenG.Vick）定性描述概率必须发生0.99很可能发生0.9无法确定是否发生0.5发生概率较小0.1不可能发生，但无法确定绝对不会发生0.01表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s12风险事件发生概率表（美国垦务局）定性描述概率绝对发生0.999非常可能发生0.99可能发生0.9发生或不发生都可能0.5发生可能性很小0.1不可能发生0.01绝对不可能发生0.001（2）根据《铁路建设工程风险管理技术规范》（Q/CR9006-2014）中将风险事件发生概率等级划分为5级，如表4-3所示。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s13风险事件发生概率等级标准定量判别标准定性判别标准概率等级>0.3频繁发生50.03~0.3可能发生40.003~0.03偶然发生30.0003~0.003很少发生2<0.0003极不可能发生1按照风险事件发生后果的严重程度，考虑人员伤亡、经济损失、稳定影响、工期延误和功能缺失等方面影响，将风险事件发生后果等级按严重程度分为5级，如表4-4所示。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s14风险事件发生后果等级标准后果等级54321严重程度灾难性的很严重的严重的极大的轻微的根据风险事件发生的概率等级和后果等级将铁路建设工程风险等级分为极高、高度、中度、低度四级，如表4-5所示。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s15风险等级标准后果等级

概率等级灾难性的很严重的严重的极大的轻微的54321频繁发生极高极高极高高度高度可能发生极高极高高度高度中度偶然发生极高高度高度中度中度很少发生高度高度中度中度低度极不可能发生中度中度中度低度低度铁路建设工程风险管理针对不同等级的风险，采用不同的风险接受准则，各等级风险的接受准则与控制原则可按表4-6确定。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s16风险接受准则风险等级接受准则风险控制原则极高不可接受必须高度重视并规避，否则必须采取有效措施处理高度不期望应重视并采取有效措施处理，加强风险监测中度可接受宜采取有效措施处理，并进行风险监测低度接受可不采取措施，但需关注，防止风险等级上升1.2.4地震风险下边坡系统可靠性设计服役期内地震风险下长区段路基边坡系统可靠性分析的一般步骤为：（1）根据边坡最可能发生失效的临界长度将长区段路基边坡划分为若干相互独立的子单元边坡。（2）根据地震危险性分析，确定场地在边坡设计服役期内不同地震烈度的超越概率、发生概率及相应峰值加速度。（3）将抗剪强度指标（黏聚力、内摩擦角）和地震峰值加速度作为随机变量，确定它们的概率分布形式及参数值，建立边坡模型，计算各烈度地震作用下的各子单元边坡的平均安全系数、可靠指标和失效概率。（4）通过，求得设计服役期内基于地震风险的边坡失效概率。（5）将长区段路基边坡系统视为k/n系统，根据其系统可靠性原理，得到边坡系统失效概率并对其进行风险评价。1.3地震风险下长区段边坡系统可靠性算例分析1.3.1工程概况以某铁路5km连续路基边坡为例，开展地震作用下边坡系统可靠性分析。沿线路方向每50m取一计算断面，共200个边坡断面（左右边坡各100个），路基未设置防护支挡结构，均为放坡处理，边坡高度7~14m，坡率1:2~1:2.39。边坡土体为人工填筑压实粉质黏土，天然重度=19kN/m3，黏聚力c、内摩擦角φ根据统计结果，近似服从正态分布，=11.56kPa，=1.62kPa，，。铁路服役期为100年，边坡重要性系数为1.0，路段场地类型为Ⅱ类，地震基本烈度为8度，峰值加速度0.2g，地震危险性特征区划为Ⅱ类，形状参数k=10。1.3.2设计基准期50年设防三水准下长边坡系统可靠性设计基准期为50年条件下的不同超越概率地震烈度已前文推导汇总于表3-4，由地震烈度与峰值加速度关系式（3-24）可得其对应加速度，如表4-7所示。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s17设计基准期50年的不同超越概率地震烈度及峰值加速度抗震设计三水准50年超越概率63%50年超越概率10%50年超越概率2~3%地震烈度6.998.008.53峰值加速度(g)0.0990.2000.289采用Slide软件对边坡进行可靠度评价，基于拟静力法对各里程断面边坡进行稳定性计算，将土体抗剪强度指标和地震峰值加速度作为随机变量，采用Monte-Carlo模拟方法计算不同超越概率地震作用下各里程断面边坡的可靠性。计算结果按照里程由小至大顺序编号，如图4-4所示。(a)子单元边坡平均安全系数(b)子单元边坡可靠指标(c)子单元边坡失效概率图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s14子单元边坡稳定可靠性计算天然工况、50年超越概率为63%、10%、2~3%地震作用下系统各子单元边坡平均安全系数范围分别为1.739~2.338、1.639~2.189、1.544~2.052、1.482~1.963；可靠指标范围分别为3.438~1.202、3.081~3.878、2.675~3.497、2.324~3.160；相应失效概率范围分别为0.001%~0.029%、0.005%~0.103%、0.024%~0.373%、0.079%~1.006%。由k/n系统失效概率计算式（4-9）、式（4-10），得出各地震烈度下不同失稳边坡个数的发生概率如表4-8所示，对应系统失效概率如表4-9所示。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s18子单元边坡失效发生概率(%)失稳边坡个数天然工况50年超越概率63%50年超越概率10%50年超越概率2~3%098.35491.79582.88858.22411.6325.06915.56631.54620.0130.1351.4528.49137.33E-050.0020.0901.51442.98E-073.10E-050.0040.20159.60E-103.22E-071.51E-040.021表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s19边坡系统失效概率(%)系统容许失稳个数天然工况50年超越概率63%100年超越概率10%50年超越概率2~3%01.6465.20517.11241.77610.0140.1371.54610.23027.36E-050.0020.0941.73832.99E-073.13E-050.0040.22449.63E-103.25E-071.56E-040.02352.70E-122.80E-091.69E-060.002图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s15设计基准期50年不同超越概率水平地震条件下边坡系统失效概率系统容许失稳个数不同，失效概率有显著变化，如图4-5所示。针对不同容许失稳个数条件下的系统失效概率，根据风险事件发生概率表4-2对边坡系统失效这一风险事件风险评价。若系统容许边坡失稳个数为0，天然工况、50年超越概率为63%的地震作用下系统失效概率分别为0.007%、5.205%，对应风险概率等级均为“发生可能性很小”；50年超越概率为10%、2~3%地震作用下相应失效概率17.112%、41.776%，对应风险概率等级均为“发生或不发生都可能”。若系统容许边坡失稳个数为1，相应系统失效概率分别为0.014%、0.137%、1.546%、10.230%，对应系统失效的概率等级分别为“绝不可能发生”、“不可能发生”、“发生可能性很小”、“发生或不发生都可能”。若系统容许边坡失稳个数为2，50年超越概率为63%、10%地震作用下系统失效概率分别为0.002%、0.094%，对应系统失效的概率等级为“绝不可能发生”；50年超越概率为2~3%地震作用下失效概率为1.738%，对应系统失效的概率等级为“发生或不发生都可能”。若系统容许边坡失稳个数为3，50年超越概率为2~3%地震作用下失效概率为0.224%，对应系统失效的概率等级为“不可能发生”。若系统容许边坡失稳个数为4，相应失效概率为0.023%，对应系统失效的概率等级为“绝不可能发生”。1.3.3设计基准期100年设防三水准下长边坡系统可靠性设计基准期为100年条件下的不同超越概率地震烈度及对应峰值加速度已前文推导汇总于表3-7、表3-8。由此可得该场地设计基准期为100年的设防三水准对应地震烈度及峰值加速度，如表4-10所示。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s110设计基准期100年不同超越概率地震烈度及峰值加速度抗震设计三水准100年超越概率63%100年超越概率10%100年超越概率2~3%地震烈度7.338.278.76峰值加速度(g)0.1260.2410.339采用Slide软件计算不同超越概率地震作用下各里程断面边坡的稳定安全系数、可靠指标及失效概率。计算结果按照里程由小至大顺序编号，如图4-6所示。(a)子单元边坡平均安全系数(b)子单元边坡可靠指标(c)子单元边坡失效概率图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s16子单元边坡稳定可靠性计算100年超越概率为63%、10%、2~3%地震作用下系统各子单元边坡平均安全系数范围分别为1.616~2.157、1.514~2.009、1.457~1.927；可靠指标范围分别为2.985~3.785、2.511~3.337、2.206~3.055；相应失效概率范围分别为0.007%~0.142%、0.042%~0.602%、0.112%~1.367%。由式k/n系统失效概率计算式（4-9）、式（4-10）得出各地震烈度下不同失稳边坡个数的发生概率，如表4-11所示。对应系统失效概率如表4-12所示。系统失效概率随容许失稳个数不同的变化情况如图4-7所示。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s111子单元边坡失效发生概率(%)失稳边坡个数天然工况100年超越概率63%100年超越概率10%100年超越概率2~3%098.35492.99273.25547.51111.6326.75822.82235.44220.0130.2443.53213.13537.33E-050.0060.3623.22542.98E-071.04E-040.0280.59059.60E-101.47E-060.0020.086表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s112边坡系统失效概率(%)系统容许失稳个数天然工况100年超越概率63%100年超越概率10%100年超越概率2~3%01.6467.00826.74552.48910.0140.2503.92317.04827.36E-050.0060.3913.91232.99E-071.05E-040.0290.68749.63E-101.49E-060.0020.09752.70E-121.74E-088.81E-050.011图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s17设计基准期100年不同超越概率水平地震条件下边坡系统失效概率若系统容许边坡失稳个数为0，50年超越概率为63%、10%、2~3%的地震作用下系统失效概率分别为7.008%、26.745%、52.489%，对应风险概率等级均为“发生可能性很小”、“发生或不发生都可能”“可能发生”。若系统容许边坡失稳个数为1，相应地震作用下系统失效概率分别为0.250%、3.923%、17.048%，对应风险概率等级均为“不可能发生”、“发生可能性很小”、“发生或不发生都可能”。若系统容许边坡失稳个数为2，相应地震作用下系统失效概率分别为0.006%、0.391%、3.912%，对应风险概率等级分别为“绝对不可能发生”、“不可能发生”、“发生可能性很小”。若系统容许边坡失稳个数为3，50年超越概率为10%、2~3%的地震作用下失效概率分别为0.002%、0.687%，对应系统失效的概率等级分别为“绝对不可能”、“不可能发生”。若系统容许边坡失稳个数为4，50年超越概率为2~3%的地震作用下失效概率为相应失效概率为0.097%，对应系统失效的概率等级为“绝不可能发生”。与50年设计基准期下边坡系统可靠性进行对比，如图4-8所示。由图可知，系统容许失稳子单元数量为0或1时，100年基准期设防条件下的失效概率显著大于50年相应值；容许失稳子单元数量大于1时，两种基准期条件下的系统失效概率均趋近于0。其中，若系统容许失稳个数为0，50年和100年基准期内超越概率63%、10%、2~3%地震条件下，系统失效概率分别由5.205%、17.112%、41.776%提高至7.008%、26.745%、52.489%。系统失效水平较高，若要使边坡系统的容许失稳个数为0，应对系统中失效概率较大的边坡采取有效措施处理，以提高边坡系统整体可靠性。(a)不同基准期超越概率63%地震条件下边坡系统失效概率(b)不同基准期超越概率10%地震条件下边坡系统失效概率(c)不同基准期超越概率2~3%地震条件下边坡系统失效概率图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s18不同基准期设防三水准条件下边坡系统失效概率1.3.4设计服役期100年的长边坡系统可靠性由不同基本烈度的地区任一烈度对应100年发生概率表3-10，可知该场地100年服役期内年各地震烈度的发生概率，由不同烈度下地震峰值加速度统计参数表3-14、可知各烈度i对应的地震峰值加速度，由于缺少i=9统计数据，根据地震烈度与峰值加速度关系式（3-24）取Ai=9=0.56g，如表4-13所示。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s113服役期100年条件下不同地震烈度对应峰值加速度及发生概率地震烈度≤5678≥9地震峰值加速度(g)00.080.150.280.56发生概率(%)013.81567.03817.9571.190采用Slide软件计算不同烈度地震作用下各里程断面边坡的稳定可靠性。计算结果按照里程由小至大顺序编号，如图4-9所示。(a)子单元边坡平均安全系数(b)子单元边坡可靠指标(c)子单元边坡失效概率图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s19不同地震烈度下子单元边坡稳定可靠性计算当场地遭遇地震烈度i=6、7、8、9时，系统各子单元边坡平均安全系数范围分别为1.649~2.204、1.600~2.133、1.489~1.927、1.359~1.787；可靠指标范围分别为3.089~3.873、2.908~3.711、2.355~3.187、1.882~2.844；相应失效概率范围分别为0.005%~0.101%、0.010%~0.182%、0.072%~0.926%、0.504%~6.176%。由k/n系统失效概率计算式（4-9）、式（4-10）可得该路段路基边坡在不同烈度地震条件下失稳边坡个数的发生概率，如表4-14所示。对应系统失效概率如表4-15所示。系统失效概率随容许失稳个数不同的变化情况如图4-10所示。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s114不同烈度地震条件下系统可靠度单元失稳个数发生概率(%)失稳边坡个数6789091.87891.19060.9183.21811.9908.41230.24111.18320.1300.3857.45919.30332.25E-030.0121.21922.06842.90E-052.64E-040.14818.79852.97E-071.75E-060.01412.726表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s115不同烈度地震条件下边坡系统失效概率(%)系统容许失稳个数678905.1228.81039.08296.78210.1330.3978.84185.59922.28E-030.0121.38266.29632.93E-052.69E-040.16441.22843.00E-071.82E-061.56E-0225.43052.53E-097.15E-081.23E-0312.704图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s110不同烈度地震条件下系统失效概率地震作用对边坡的系统可靠性有明显影响。在无地震作用时，系统发生边坡失稳的概率为1.646%，当遭遇地震作用时，随着地震烈度的增加，地震峰值加速度增大，边坡系统的失效概率随之增大。当地震烈度由i=6增大到i=9时，边坡系统发生1处及以上边坡失稳的概率由2.685%陡增至78.612%，即边坡系统失效可能性非常大。根据不同烈度地震作用下的各里程断面边坡的失效概率，由边坡的地震风险失效概率计算式（3-33），可得各子单元边坡100年地震风险下的边坡失效概率，失效概率范围为0.027%~0.371%，如图4-11所示。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s111服役期100年地震风险下的子单元边坡失效概率由k/n系统失效概率计算式（4-10）可得该路段路基边坡在不同烈度地震条件下失稳边坡个数的发生概率及系统失效概率如表4-16所示。对应失稳边坡个数的发生概率和系统失效概率如表4-16所示。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s116服役期100年地震风险下系统失效概率失稳边坡个数发生概率(%)系统容许失稳个数失效概率(%)083.904016.096111.73311.36321.28520.07830.07433.31E-0340.00341.13E-0451.09E-0453.18E-06综合国内外资料对风险事件的评估标准，考虑边坡失效这一风险事件发生后对人员伤亡、稳定影响、环境影响、经济损失、工期延误和功能缺失等方面影响，路堤系统失效后果等级取为2。系统失效概率随容许失稳个数的增大呈非线性递减。根据可靠性评价标准表4-3~表4-6，对边坡系统发生失效这一事件进行风险评估。若边坡系统容许失稳个数为0，系统失效概率为16.096%，对应风险事件的概率等级为“可能发生”，风险等级为高度，应重视并采取有效