黄土边坡可靠度的随机有限元分析

为了研究黄土边坡的可靠度,在对黄土强度参数进行变异性统计、概率分布检验及垂直向自相关距离计算的基础上,将黄土强度参数黏聚力和内摩擦角作为随机变量,将其在二维边坡剖面的空间变化作为随机场,用局部平均细分法将符合一定均值和标准差的强度参数按随机场分布在边坡剖面的有限元网格上,再采用弹-理想塑性有限元计算边坡稳定系数,用Monte-Carlo法计算其失效概率。结果表明:黄土黏聚力的变异系数多在0.30以上,内摩擦角的变异系数多在0.20以下,且黄土高原从西向东两个参数的变异性都增大;黏聚力和内摩擦角的概率分布类型对边坡失效概率计算结果影响显著,统计检验发现黏聚力采用对数正态分布、内摩擦角采用正态分布为宜;黄土地层的垂直向自相关距离多在0.7 m以内,与计算厚度的比值多小于0.2;在大部分黄土的变异系数与自相关距离水平下,采用确定场进行可靠度分析,多数情况将极大地高估了黄土边坡的失效概率,而在极端高变异系数水平下,采用确定场进行可靠度分析,又将极大地低估其失效概率。     

黄土高原边坡特征与破坏规律的分区研究

为了研究黄土高原自然边坡的特征及破坏规律,按山系与水系或水系的分水岭、地貌单元、地层岩性特征等条件,将黄土高原划分为8个区：临洮—永靖区、天水—通渭区、兰州—会宁区、陇东区、靖边—安塞区、隰县—离石区、甘泉—吉县区和汾渭区。根据极限状态边坡的4个野外判别标准,测量了8个区510个自然极限状态黄土边坡断面,分区采用指数模型回归边坡坡高与坡宽的相关关系,计算各区20、50、100m坡高的边坡稳定系数和失效概率。结果表明：黄土高原的边坡特征与破坏形式具有分区特征,且南北差异性明显。临洮—永靖区边坡坡高与坡宽呈线性关系,表明该区边坡坡度不随坡高变化,边坡稳定性受内摩擦角控制;兰州—会宁区和靖边—安塞区高坡陡,低坡缓,高坡不稳定,易发生错落式滑坡;天水—通渭区、甘泉—吉县区和汾渭区高坡缓,低坡陡,稳定性计算结果显示高坡和低坡都较为稳定,但由于地层结构和地貌的特点,高边坡易发生低速蠕变型滑坡或高速远程滑坡;陇东区边坡整体上较为稳定;隰县—离石区受黏粒含量较高的Q1地层控制,高边坡稳定性较差;50m左右坡高的黄土边坡稳定性对强度指标内聚力、内摩擦角的敏感度都高,易于失稳。     

考虑土体参数非平稳特性下开挖边坡稳定性可靠度分析

基于极限分析上限法和随机场理论,采用蒙特卡洛模拟针对不排水条件下开挖边坡的稳定性开展可靠度分析。黏土不排水抗剪强度被模拟为非平稳随机场,并在参数敏感性分析中重点研究了非平稳程度和变异系数对边坡可靠度指标的影响。其中,将随机场中边坡的失效模式分为三类,研究了不同随机参数输入组合下每种失效模式的发生概率。结果表明边坡的可靠度指标随着非平稳程度的增加而增加,随着变异系数的增大而减小。结果显示,土体的空间变异性对边坡的失效模式影响显著。在考虑的随机参数组合下,失效模式以深部破坏模式为主,并且随着非平稳程度和变异系数的增加,深部破坏模式的发生概率逐渐降低,但坡趾破坏和深部坡趾破坏模式的发生概率增加。     

西安白鹿塬北缘黄土边坡稳定的可靠度分析

在西安白鹿塬北缘实测了14个黄土自然边坡断面,建立了地质模型,通过采样测试并收集已有的测试资料,获得了各时代黄土地层的物理力学参数,将Morgenstern-Price法稳定性计算公式作为极限状态方程,分别采用Monte-Carlo法和Duncan法进行了边坡稳定的可靠度分析。结果表明:采用Monte-Carlo法和Duncan法得到的14个边坡稳定系数分别为1.11～1.41和1.09～1.33,显示这些边坡处于基本稳定—稳定状态; 采用上述两种方法得到的边坡可靠指标分别为0.56～1.79和0.39～1.60,得到的失效概率分别为3.4%～29.0%和5.5%～34.8%,并且共有75%的边坡失效概率大于10%,失效可能性较大。统计结果表明:白鹿塬区边坡的坡高和坡度存在负相关性。低而陡的边坡潜在最危险滑面剪出口较高,失效概率较小; 坡高达到50 m及以上时,边坡高而缓,剪出口较低,失效概率较大,其中河流下切深,有N₂泥岩出露的极高边坡,稳定性最差。Duncan法求解的稳定系数略小于Monte-Carlo法求得的结果,而前者求解的失效概率略大于后者,两种方法计算结果较为接近。由于Duncan法理论简单,计算量小,更宜于在实际工程中应用。     

甘肃天水地区黄土极限状态边坡的统计分析

在实际工程边坡设计中,往往参考临近自然边坡的坡率设计来进行人工开挖边坡。基于这种工程类比法,现场实测甘肃天水地区51个坡高40～150 m的黄土极限状态边坡断面,获得其坡高、坡宽及坡度参数,统计发现坡高与坡宽符合双对数线性关系,建立二者的相关方程;再将坡高按10m间距分段,每个坡高段取3个极限坡高,利用Morgenstern-Price法反演了不同坡高段的强度参数(内聚力和内摩擦角)。由反演结果发现,随着坡高的增大,黄土的综合内聚力增大,内摩擦角减小,此特点与黄土强度参数值随所处深度的变化规律基本一致。基于反演的强度参数和极限状态边坡坡高与坡宽的回归方程,进一步计算获得不同稳定系数下的坡高与坡宽的关系曲线,将该曲线制成图,可用来直接判定一个已知边坡的稳定系数,也可以用来确定拟设计边坡的坡度。     

基于Hsich-Ting-Chen混凝土强度准则的可靠度判据研究

视混凝土强度参数为随机变量,以Hsich-Ting-Chen强度准则作为混凝土单元失效的极限状态函数,用验算点法计算出单元屈服的可靠指标和相应的失效概率,建立了单元屈服的可靠度判据.通过算例分析了混凝土强度参数均值与变异系数对屈服准则判别结果的影响.结果表明,当变异系数较大时,对单元失效概率的影响显著.     

基于Bootstrap方法的堆石坝坝坡稳定可靠度分析

基于Bootstrap方法提出了一种堆石坝坝坡稳定可靠度分析方法.首先,介绍了一种堆石坝坝坡稳定可靠度分析方法;其次,运用Bootstrap方法对抗剪强度参数的边缘分布函数及表征相关性的Copula函数的统计不确定性进行了度量;最后,以糯扎渡水电站心墙堆石坝为例研究了边缘分布函数与Copula函数的统计不确定性对堆石坝坝坡稳定可靠度分析结果的影响规律.结果表明:基于抗剪强度参数试验数据估计的边缘分布函数与Copula函数具有较大统计不确定性;Bootstrap方法可以有效地模拟边缘分布函数和Copula函数的统计不确定性并将坝坡稳定失效概率表征为具有一定置信水平的置信区间;同时考虑边缘分布参数、边缘分布类型、相关系数与相关结构统计不确定性与仅考虑边缘分布参数与相关系数的统计不确定性相比将使失效概率具有更大变异性,且失效概率均值更大,忽略分布类型和相关结构的统计不确定性将高估堆石坝坝坡的实际稳定状况.     

基于Python语言和Abaqus平台的边坡可靠度计算自动化算法开发

可靠度方法因其更符合边坡岩土体的非均匀性及失稳破坏的不确定性特征,受到科研及工程设计人员的重视。然而,目前没有成熟且能够用于可靠度分析的随机有限元软件,而跨平台的随机场生成和稳定性分析增加了可靠度分析的难度,从而限制了其推广应用。基于Python语言和Abaqus平台,开发了一套能自动计算边坡可靠度的随机有限元算法。在给定边坡几何参数及土体抗剪强度参数的均值、相关距离和变异系数前提下,利用该算法可自动实现非平稳随机场的离散及边坡失效概率的计算;该程序有效地解决了多种软件交互使用的稳定对接和子程序编写等难题;与经典的边坡算例进行对比,计算结果验证了该方法的可靠性。     

边坡失效概率分布特性影响因素研究

受诸多因素的影响,边坡失效概率不是定值,实际上是具有一定置信度水平的置信区间分布的.以无限边坡为例,借助Bootstrap法判定抗剪强度参数最优边缘分布函数,采用Copula函数描述抗剪强度参数间互相关性,构建抗剪强度参数的联合分布函数,并从分布特性的角度研究了抗剪强度参数联合分布函数、边坡稳定性设计控制标准及参数变异水平对边坡失效概率的影响.研究表明:针对本算例,五类联合分布函数所得失效概率相近,其中No.16函数所得失效概率相对较大,Gaussian函数所得结果相对较小, Copula加权组合函数所得失效概率精确度相对较高;随着边坡设计控制标准的提高,则边坡稳定安全系数取值不断增加,边坡失效概率逐渐减小且趋近于0;边坡失效概率均随δ_φ的增加而增加,随δ_c的增加呈"增加-减小-增加"的趋势,并且边坡失效概率对内摩擦角φ的变异水平较黏聚力c更为敏感.     

强度参数统计特性对边坡稳定可靠性的影响

由于对边坡强度参数统计特性考虑不全面,使得边坡可靠性指标计算值偏小,对应的失效概率偏大,常常超过10%,设计中难以采纳,造成地基可靠度规范的制定和执行进展缓慢。以某高速公路全风化花岗岩土质高边坡为工程背景,在分析土质参数统计特性的基础上,采用极限平衡理论和蒙特卡罗模拟法,系统地分析了土质强度参数的均值不定性、变异性、相关性、区间特性和空间变化性等对边坡稳定可靠性的影响。结果表明：土性参数的各种统计特性对边坡稳定可靠性均具有不同程度的影响。可靠性指标计算值随抽样距离的减小而增加,随c或φ均值的增大而增加,随c和φ的变异系数的增大而减小,随c和φ相关系数绝对值的增大而增加,考虑区间性后可靠性指标计算值也明显变大。即变异性对边坡稳定不利,而相关性、区间性和空间变化性对边坡稳定有利。因此,准确而全面地考虑土质参数的统计特性,尤其是在参数变异性和相关性的基础上加以考虑土性参数空间变化性和区间性会更加符合工程实际,且计算结果趋于安全,有利于地基可靠度规范的推广运用和边坡工程的安全评价。     

Stability and reliability of pit slopes in surface mining combined with underground mining in Tonglushan mine

Slope stability is of critical importance in the process of surface-underground mining combination. The influence of underground mining on pit slope stability was mainly discussed, and the self-stabilization of underground stopes was also studied. The random finite element method was used to analyze the probability of the rock mass stability degree of both pit slopes and underground stopes. Meanwhile, 3D elasto-plastic finite element method was used to research into the stress, strain and rock mass failure resulting from mining. The results of numerical simulation indicate that the mining of the underground test stope has certain influence on the stability of the pit slope, but the influence is not great. The safety factor of pit slope is decreased by 0.06, and the failure probability of the pit slope is increased by 1.84%. In addition, the strata yielding zone exists around the underground test stope. The results basically conform to the information coming from the field monitoring.     

一种考虑波动效应的拟动力地震边坡稳定性分析方法

考虑地震波在坡体内的传播特征,基于拟动力法,结合传统静力边坡稳定性分析极限平衡法(瑞典条分法),推导了边坡地震力公式和地震边坡稳定性安全系数公式。在此基础上,借助MATLAB软件开发了最危险滑面搜索和安全系数求解程序,实现了一种考虑波动效应的拟动力地震边坡稳定性分析方法。通过探讨地震动特性对地震边坡稳定性的影响,得到了地震边坡稳定性安全系数随地震动参数的变化规律。对于既定边坡,其安全系数随地震波初始相位呈现周期性波动变化,存在最小安全系数; 并且此安全系数随地震系数和地震波波长与边坡坡高比的增大而减小。此外,从波动理论角度揭示了拟动力法与拟静力法的区别与联系,给出了两类方法的适用范围:当地震波波长与边坡坡高比大于10时,两类方法所得结果基本一致,均适用; 而当地震波波长与边坡坡高比小于10时,拟静力法所得结果较拟动力法相对保守,仅拟动力法适用。     

Time-variant reliability analysis of three-dimensional slopes based on Support Vector Machine method

In the reliability analysis of slope, the performance functions derived from the most available stability analysis procedures of slopes are usually implicit and cannot be solved by first-order second-moment approach. A new reliability analysis approach was presented based on three-dimensional Morgenstern-Price method to investigate three-dimensional effect of landslide in stability analyses. To obtain the reliability index, Support Vector Machine (SVM) was applied to approximate the performance function. The time-consuming of this approach is only 0.028% of that using Monte-Carlo method at the same computation accuracy. Also, the influence of time effect of shearing strength parameters of slope soils on the long-term reliability of three-dimensional slopes was investigated by this new approach. It is found that the reliability index of the slope would decrease by 52.54% and the failure probability would increase from 0.000 705% to 1.966%. In the end, the impact of variation coefficients of c and f on reliability index of slopes was taken into discussion and the changing trend was observed.     

鲸鱼沟水库蓄水对泥岩-黄土岸坡稳定性的影响评价

库水位上升对库岸边坡的影响程度与水敏性地层位置、水位、滑面倾角等多个因素有关。为了研究白鹿塬鲸鱼沟水库蓄水过程中库水位升高对边坡稳定性的影响,依据水库区的边坡演化、地层结构、库水位与地层的关系等因素,对库区内的51个边坡剖面进行统计和分类,可将鲸鱼沟内的边坡分为第三系砂泥岩边坡、黄土-砂泥岩陡坡、黄土-砂泥岩陡坡和残坡积土-砂泥岩缓坡等四种类型,并选取4个典型的边坡类型建立起地质模型,采用Morgenstern-Price法计算了库水位升高过程中不同边坡类型的稳定系数。结果表明,任何库水位条件下,鲸鱼沟内的第三系砂泥岩陡坡、黄土-砂泥岩陡坡和残坡积土-砂泥岩缓坡的稳定系数均高于水利水电工程边坡的设计安全系数。黄土-砂泥岩缓坡由于Q_2-3黄土披覆于整个坡面,导致其稳定性差,在库水位上升过程中,稳定系数下降率大,易形成滑坡和库区塌方,经计算可知危险水位下黄土-砂泥岩缓坡滑移方量约占库区总滑移方量的13%。     

吉贾尔-帕坦喀喇昆仑公路沿线落石和边坡稳定性数值研究

在中巴经济走廊的重要通道喀喇昆仑公路（KKH）沿线，由于构造运动和降雨渗透对破碎岩石和边坡稳定性的不利作用，造成了大量落石和不稳定边坡。利用数值软件DIPS、GeoRock 2D和SLIDE对巴基斯坦北部吉贾尔-帕坦喀喇昆仑公路沿线的落石和边坡稳定性进行了数值研究；以喀喇昆仑公路沿线两个主要的易受落石影响的路段为例，研究落石和边坡的失稳机理。对4组节理进行的赤平投影分析表明：两处边坡断面均易发生平面破坏和楔形破坏。基于极限平衡理论，在静力条件下，边坡断面1的安全系数为0.917，处于不稳定状态，边坡断面2的安全系数为1.131，处于欠稳定状态；但在地震条件下，两处断面边坡的安全系数均小于1，处于不稳定状态。研究结果表明，边坡断面1和断面2的落石回弹高度分别为33 m和29 m。边坡断面1的落石速度在0.5~44 m/s，总动能达到1 135.099 kJ，而边坡断面2的落石具有0.5~40.901 m/s的速度和973.012 kJ的破坏能力。研究表明，KKH沿线的落石和滑坡具有极大的破坏潜力。