考慮土體不均勻性的巖土工程可靠度分析

1、考慮土體不均勻性的巖土工程可靠度分析水利水電巖土工程包含多種不確定性因素 , 如巖土體參數(shù)不確定性、測(cè)量誤 差導(dǎo)致的認(rèn)知不確定性和模型不確定性等 , 其中巖土體固有的不均勻性對(duì)巖土工 程可靠度分析有重要的影響。由于土體普遍經(jīng)歷不同的地質(zhì)、環(huán)境和化學(xué)作用 , 這導(dǎo)致不同深度的土體特性參數(shù)如抗剪強(qiáng)度參數(shù)往往呈現(xiàn)隨深度變化的趨勢(shì) , 然 而,目前大多數(shù)巖土工程可靠度分析雖然考慮了土性參數(shù)空間變異性的影響, 但是土性參數(shù)隨深度變化趨勢(shì)對(duì)巖土結(jié)構(gòu)物可靠度的影響還缺少深入的研究 , 如抗 剪強(qiáng)度參數(shù)均值或標(biāo)準(zhǔn)差隨深度變化對(duì)巖土結(jié)構(gòu)物可靠度的影響規(guī)律等。另一方面, 實(shí)際巖土工程中還存在另一種形式的巖土體不均

2、勻性 , 即地層變 異性。它表現(xiàn)為不同類型巖土材料的互相嵌套或一種類型土體材料在另一種較均 質(zhì)土體材料中不規(guī)則出現(xiàn)。這種地層變異性在其他領(lǐng)域如石油勘探、 地下水及污染物運(yùn)移研究中得到了 足夠的重視。巖土工程領(lǐng)域雖然很早就意識(shí)到地層變異性對(duì)巖土工程安全的影響 如有研究表明地層變異性對(duì)滑坡分布和方向有重要影響。然而,地層變異性對(duì)于巖土工程可靠度的影響還未見(jiàn)研究。此外 , 石油勘探 , 地下水污染物運(yùn)移中都是采用基于大尺度分析的地層變異性模擬方法。對(duì)于大多數(shù)巖土結(jié)構(gòu)物來(lái)說(shuō) , 這種地層變異性模擬方法不一定適用。因此 , 亟需發(fā)展適用于巖土結(jié)構(gòu)物尺度的地層變異性模擬方法 , 在此基礎(chǔ)上探討地層變 異性

3、對(duì)巖土結(jié)構(gòu)物可靠度的影響規(guī)律。此外, 現(xiàn)有的考慮空間變異性的邊坡可靠度分析大多關(guān)注邊坡失效概率的計(jì) 算,對(duì)于空間變異性對(duì)邊坡失效模式的影響研究不夠深入 , 而邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面 直接決定著邊坡失穩(wěn)的規(guī)模和尺寸 , 直接影響邊坡失效后果評(píng)估。非常有必要深 入研究土體參數(shù)空間變異性對(duì)邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面分布規(guī)律的影響。針對(duì)上述 3 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 , 本文重點(diǎn)研究土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨深度變化的 空間變異性和地層變異性模擬方法 , 在此基礎(chǔ)上探討這兩種土體不均勻性對(duì)巖土 結(jié)構(gòu)物可靠度的影響規(guī)律 , 同時(shí)研究土體參數(shù)空間變異性對(duì)邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的 影響。主要研究?jī)?nèi)容包括： 基于非平穩(wěn)隨機(jī)場(chǎng)的土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)空

4、間變異性建 模方法、土體空間變異性對(duì)邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的影響、 考慮土體參數(shù)空間變異性 的巖土結(jié)構(gòu)物可靠度分析方法、 基于鉆孔資料的耦合馬爾可夫鏈水平方向轉(zhuǎn)移概 率矩陣估計(jì)、考慮地層變異性的邊坡穩(wěn)定性分析方法。主要工作及結(jié)論如下： (1) 闡述了考慮土體不均勻性的巖土工程可靠度分析 的研究背景及意義 ,回顧了巖土參數(shù)不確定性的建模方法 , 指出了存在的問(wèn)題和 需要改進(jìn)的方向。歸納了考慮參數(shù)空間變異性的巖土工程可靠度分析方法及研究 對(duì)象。簡(jiǎn)要概述了地層變異性在巖土工程領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 , 分析了考慮地層變異性 的巖土工程可靠度關(guān)鍵問(wèn)題 , 介紹了馬爾可夫鏈模型在工程領(lǐng)域的應(yīng)用情況。 (2) 為了研究

5、抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨深度變化趨勢(shì)對(duì)巖土結(jié)構(gòu)物可靠度的影響 , 提出了表征 抗剪強(qiáng)度參數(shù)空間變異性的非平穩(wěn)隨機(jī)場(chǎng)模型及其模擬方法。從經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)兩方面驗(yàn)證了不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)和有效內(nèi)摩擦角 隨土體深度變化的趨勢(shì) , 指出了兩者非平穩(wěn)隨機(jī)場(chǎng)模型的差異 , 建立了不排水抗 剪強(qiáng)度參數(shù)和有效內(nèi)摩擦角的非平穩(wěn)隨機(jī)場(chǎng)模型 , 為利用總應(yīng)力和有效應(yīng)力方法 考慮參數(shù)隨深度變化趨勢(shì)的空間變異性奠定了一定的理論基礎(chǔ)。 (3) 針對(duì)考慮巖 土體參數(shù)空間變異性的邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面分布特征問(wèn)題 , 提出了考慮土體抗剪強(qiáng) 度參數(shù)空間變異性的邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面確定方法 , 探討了土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的波 動(dòng)范圍和變異系數(shù)對(duì)邊坡最危

6、險(xiǎn)滑動(dòng)面分布規(guī)律的影響 , 揭示了抗剪強(qiáng)度參數(shù)空 間變異性對(duì)邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置、規(guī)模和分布范圍的影響規(guī)律 , 為考慮土體參 數(shù)空間變異性的邊坡破壞模式確定提供了有效的分析工具。(4) 提出了考慮土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)均值隨深度變化的無(wú)限長(zhǎng)邊坡穩(wěn)定性概率 分析方法 , 建立了表征土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)空間變異性的非平穩(wěn)隨機(jī)場(chǎng)模型 , 探討 了考慮土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)空間變異性時(shí)邊坡失效概率和最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的變化規(guī) 律, 以無(wú)限長(zhǎng)不排水黏性土坡和摩擦 / 黏性土坡為例驗(yàn)證了所提方法的有效性 , 搜 集了現(xiàn)實(shí)中實(shí)際滑坡案例驗(yàn)證了數(shù)值分析結(jié)果的正確性。 研究成果為實(shí)際工程中 大多數(shù)滑坡發(fā)生淺層破壞現(xiàn)象提供了有效依據(jù)。

7、(5) 提出了考慮土體不排水抗剪強(qiáng)度均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨深度變化的地基穩(wěn)定性 概率分析方法 , 闡明了土體不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)空間變異性對(duì)地基極限承載力的 影響規(guī)律 , 系統(tǒng)地比較了不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)平穩(wěn)和非平穩(wěn)隨機(jī)場(chǎng)模型對(duì)地基極 限承載力的影響。得出了忽略不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨深度變化趨勢(shì)將會(huì)明顯低估 不排水條件下地基可靠度的重要結(jié)論 , 為改進(jìn)地基可靠度設(shè)計(jì)提供了方向。(6) 針對(duì)巖土結(jié)構(gòu)物中地層變異性模擬問(wèn)題 , 提出了一種新的耦合馬爾可夫 鏈水平方向轉(zhuǎn)移概率矩陣估計(jì)方法 , 實(shí)現(xiàn)了巖土結(jié)構(gòu)物地層變異性的精細(xì)模擬。 搜集了不同地區(qū)的鉆孔資料 ,檢驗(yàn)了土體狀態(tài)轉(zhuǎn)移的一階馬爾可夫性 , 驗(yàn)證了所 提方法的有效性。在此基礎(chǔ)上 , 研究了土體狀態(tài)轉(zhuǎn)移馬爾可夫鏈水平方向轉(zhuǎn)移概率矩陣和豎直 方向轉(zhuǎn)移概率矩陣的一般規(guī)律 , 實(shí)現(xiàn)了土體狀態(tài)轉(zhuǎn)移水平方向轉(zhuǎn)移概率矩陣的有 效估計(jì),為巖土工程中地層變異性的模擬奠定了理論基礎(chǔ)。 (7) 提出了考慮地層變 異性時(shí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分析方法 , 建立了基于鉆孔資料和耦合馬爾可夫鏈的地 層變異性模型 , 基于有限元應(yīng)力法建立了考慮地層變異性時(shí)邊坡穩(wěn)定性概