考虑地层变异性和土体参数变异性的边坡可靠度分析

现有边坡可靠度分析大多数只考虑土体参数的固有变异性,而忽略了地层变异性的影响。为此,提出了同时考虑地层变异性和土体参数固有变异性的边坡可靠度分析方法,利用耦合马尔可夫链模拟地层分布,采用基于乔列斯基分解的中点法离散土体参数随机场,采用有限元强度折减法计算边坡安全系数,通过蒙特卡洛法模拟进行边坡可靠度分析。利用澳大利亚珀斯市钻孔资料,以边坡可靠度问题为例阐明了同时考虑地层变异性和土体参数固有变异性的重要性,研究了钻孔布置方案对边坡可靠度的影响规律,结果表明:提出的方法能够有效地反映地层变异性和土体参数固有变异性对边坡可靠度的影响。当钻孔数目较少时,模拟的边坡土体类型分布与真实边坡土体类型分布相差较大,此时忽略地层变异性将导致边坡可靠度不精确的估计结果。钻孔布置方案对边坡失效概率和安全系数有明显的影响,钻孔应尽可能多的布置在边坡关键影响区域。边坡失效概率和安全系数统计量与钻孔数目并不呈单调关系,但是随着钻孔数目的增加,边坡失效概率和安全系数统计量逐渐收敛至"精确解"。     

考虑空间变异特性的边坡可靠度分析简化方法

介绍了一种衡量边坡稳定性的简化处理方法,采用蒙特卡洛法与极限平衡法,对某均质边坡进行了可靠度分析,并将简化方法的结果与已有结果进行了对比,结果表明:失效概率误差控制在20%以内,可以尝试采用简化方法对边坡进行可靠度分析。     

考虑参数空间变异性的边坡可靠度分析非侵入式 随机有限元法

提出了考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度分析的非侵入式随机有限元法。采用Karhunen-Loeve级数展开方法表征土体抗剪强度参数空间变异性,其中通过wavelet-Galerkin技术求解Fredholm积分方程得到相关函数的特征解。基于有限元滑面应力法计算边坡安全系数,采用随机多项式展开将隐式函数表达的安全系数替换为显式函数表达的安全系数,并编写了计算程序NISFEM。研究了所提方法在考虑土体参数空间变异性的边坡稳定可靠度分析中的应用。结果表明：提出的非侵入式随机有限元法极大地提高了考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度分析的计算效率,为解决复杂边坡稳定可靠度问题提供了一条有效的途径。考虑抗剪强度参数空间变异性的边坡可靠度分析存在临界变异系数,其随边坡安全系数的增加而增大。当抗剪强度参数的变异系数小于临界变异系数时,忽略土体参数空间变异性将会高估边坡失效概率。当边坡安全系数小于1时,边坡失效概率并不总是随着抗剪强度变异系数的增加而增大。此外,土体黏聚力和内摩擦角随机场间相关性对边坡失效概率具有十分明显的影响。     

考虑参数空间变异性的无限长边坡可靠度分析

目前有关土体参数空间变异性对边坡稳定性影响的研究没有考虑抗剪强度参数随深度变化的影响。为此,提出了考虑土体抗剪强度参数均值随深度变化的无限长边坡稳定性概率分析方法。采用Karhunen-Loeve展开建立了表征土体空间变异性的随机场模型。探讨了考虑土体抗剪强度参数空间变异性时边坡失效概率和最危险滑动面的变化规律。最后,以无限长边坡稳定性概率分析问题为例验证了所提方法的有效性。结果表明：土体抗剪强度参数的空间变异性对无限长边坡失效概率有明显的影响,边坡失效概率随土体抗剪强度参数相关距离的增加而减小。对于不排水黏性边坡来说,边坡不排水抗剪强度随深度变化越明显,边坡失效概率越小。边坡最危险滑动面大部分都位于边坡底部。对于摩擦/黏性边坡来说,随着边坡抗剪强度随深度变化的增强,边坡失效概率有先减后增的趋势。抗剪强度参数随深度变化不同趋势对最危险滑动面分布规律有明显的影响。不考虑抗剪强度参数均值随深度变化将会导致最危险滑动面最可能出现在边坡底部。     

考虑参数空间变异性的失稳边坡参数概率反分析

概率反分析能够有效地考虑岩土体参数不确定性并融合现场监测数据和观测信息等更新岩土体参数统计特征,进而使得边坡稳定性评价更为符合客观工程实际,然而目前参数概率反分析几乎没有考虑参数固有空间变异性的影响。结合多重响应面和子集模拟提出了考虑岩土体参数空间变异性的边坡参数概率反分析方法,并以芝加哥国会街切坡为例,融合边坡失稳和滑动面入滑点与出滑点的大致位置这两个现场观测信息,概率反分析得到边坡不排水抗剪强度参数的后验统计特征。结果表明:本文提出方法可以有效地解决考虑参数空间变异性的低概率水平边坡参数概率反分析问题,具有较高的计算效率。子集模拟中每层随机样本数目对计算结果具有重要的影响,常用的500组样本点难以获得满意的计算结果。此外,土体参数空间变异性对概率反分析计算结果具有重要的影响,考虑参数空间变异性边坡参数由平稳随机场更新为非平稳随机场,与工程实际相符,然而忽略参数空间变异性更新后的参数仍服从平稳分布。     

考虑概率分布影响的低概率水平边坡可靠度分析

目前考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度分析所研究的边坡几何尺寸相对较小。为有效地分析考虑参数空间变异性的几何尺寸相对较大的边坡可靠度问题,提出了基于多重响应面与子集模拟的边坡可靠度分析方法。以一个坡高为24 m的两层非均质黏土边坡为例验证了提出方法的有效性,并探讨了正态、对数正态、极值I型、Gamma和Beta这5种概率分布类型对边坡可靠度的影响。结果表明,提出方法具有以下优势:1可以有效地计算考虑多参数空间变异性的低概率水平边坡可靠度;2可以较好地解决几何尺寸相对较大的边坡可靠度问题;3有较高的参数敏感性分析计算效率,可为调查概率分布类型和波动范围等参数统计特征对边坡可靠度的影响提供技术支持。此外,参数概率分布类型对边坡可靠度具有重要的影响,常用的正态和对数正态分布分别用于表征参数概率分布特征时,可能会分别高估和低估边坡失效概率。     

基于有限差分方法的边坡可靠度分析方法

采用水平分层法在EXCEL中利用rand函数生成一系列的样本值,将每个样本值对应的强度参数输入有限差分程序中计算边坡的安全系数,统计安全系数小于1的样本数目与总体样本数目的比值,该比值即为边坡的失效概率,并通过算例分析验证了该方法的有效性。     

基于一阶逆可靠度方法的空间变异土坡坡角设计

边坡稳定性分析及设计是岩土工程中的经典问题,目前常用的确定性分析(单一安全系数)方法没有量化边坡工程中各种不确定性的影响,概率分析方法则需要进行多次可靠度试算,计算量较大.为此,提出了适合任意坡角的空间变异土坡模型重构方法,基于一阶逆可靠度方法对少量实际试验数据条件下空间变异土坡坡角进行可靠度设计.并以一个代表性的砂土...     

考虑自相关函数影响的边坡可靠度分析

自相关函数是表征岩土体参数空间变异性的重要参数,不同自相关函数对边坡可靠度影响程度还缺乏定量地评价。给出了基于乔列斯基分解中点法的相关非高斯随机场模拟步骤,统计了抗剪强度参数自相关长度的取值范围。在考虑土体抗剪强度参数间互相关性、变异性、黏聚力和内摩擦角取不同波动范围的基础上,以摩擦/黏性土坡可靠度问题为例研究了常用的5种自相关函数对边坡可靠度的影响。结果表明：基于乔列斯基分解中点法的相关非高斯随机场模拟计算过程简便,容易编程实现,可模拟任意几何形状的随机场分布,具有较高的计算精度和效率。在参数负相关性和垂直波动范围较大、变异性较小时,不同自相关函数得到的边坡可靠度结果差别较明显。当黏聚力和内摩擦角的垂直波动范围不同时,不同自相关函数对边坡可靠度的影响非常显著。高斯型、二阶自回归型和指数余弦型自相关函数产生的随机场分布光滑度和连续性较好,较为符合实际情况,它们能够有效地描述土体参数的空间自相关性。由这三种自相关函数计算得到的边坡可靠度结果偏小。基于指数型自相关函数的随机场分布波动性较大,连续性较差,计算的边坡可靠度偏大。     

土体参数概率分布函数对边坡系统可靠度影响

利用Monte Carlo法与极限平衡方法相结合,针对一典型土坡,比较分析了正态分布函数与对数正态分布函数对边坡系统可靠度的影响,研究得出:相同均值与标准差的前提下,假定土体材料符合对数正态分布函数得到的系统失效概率较之正态分布函数假定下的系统失效概率要大,另外,若仅在确定性临界滑动面上进行可靠度分析时,对数正态分布函数假定得到的失效概率同样较之正态分布函数假定下要大,但是,其增幅要大于边坡系统可靠度分析时的增幅。     

考虑土体空间变异性的边坡最危险滑动面随机分析方法

现有边坡可靠度研究均未考虑土体空间变异性对边坡最危险滑面的影响。为此,提出了考虑土体空间变异性的边坡最危险滑动面随机分析方法。首先,采用谱表现法建立了表征土体空间变异性的随机场模型。在此基础上,提出了基于SIGMA/W和SLOPE/W的自动定位搜索最危险滑动面方法。其次,采用非侵入式随机分析方法研究了抗剪强度参数空间变异性对边坡最危险滑动面空间分布的影响。最后,采用算例验证了所提方法的有效性。结果表明：提出的边坡最危险滑动面随机分析方法能够有效地确定边坡最危险滑动面空间分布特征。土体抗剪强度参数的空间变异性对边坡最危险滑动面的空间分布特征有重要的影响,它直接决定了边坡最危险滑动面的位置和滑体规模。土体抗剪强度参数波动范围越大,最危险滑动面的空间分布范围越大。随着土体抗剪强度参数水平向和竖直向波动范围比值的增大,边坡上部发生局部滑动的可能性增大。抗剪强度参数的变异系数越大,最危险滑动面的空间分布范围越大,边坡发生小规模局部滑动的可能性越大。     

Reliability analysis of slopes considering spatial variability of soil properties based on efficiently identified representative slip surfaces

Slope reliability analysis considering inherent spatial variability (ISV) of soil properties is time-consuming when response surface method (RSM) is used, because of the “curse of dimensionality”. This paper proposes an effective method for identification of representative slip surfaces (RSSs) of slopes with spatially varied soils within the framework of limit equilibrium method (LEM), which utilizes an adaptive K-means clustering approach. Then, an improved slope reliability analysis based on the RSSs and RSM considering soil spatial variability, in perspective of computation efficiency, is established. The detailed implementation procedure of the proposed method is well documented, and the ability of the method in identifying RSSs and estimating reliability is investigated via three slope examples. Results show that the proposed method can automatically identify the RSSs of slope with only one evaluation of the conventional deterministic slope stability model. The RSSs are invariant with the statistics of soil properties, which allows parametric studies that are often required in slope reliability analysis to be efficiently achieved with ease. It is also found that the proposed method provides comparable values of factor of safety (FS) and probability of failure (P_f) of slopes with those obtained from direct analysis and literature.     

考虑参数时空演化规律的黄土边坡极限平衡分析法研究

考虑黄土特殊力学性质的边坡稳定性分析方法研究对于保障国家"西部大开发"战略和"一带一路"倡议的实施具有重要的意义。利用渗流—软化—稳定性分析顺序耦合的研究思路,对地下水位上升条件下的黄土边坡稳定性进行分析。首先借助非饱和非稳定渗流分析理论进行地下水位上升条件下黄土边坡的渗流分析;其次基于渗流分析的计算成果借助水致结构性劣化方程动态更新土体强度参数的空间分布;基于总重度、黏聚力、内摩擦角和孔隙水压力的时空分布规律,采用面力法提出了考虑参数时空演化规律的黄土边坡极限平衡分析法。最后以地下水位上升条件下白鹿塬边某黄土边坡为例,通过考虑参数时空演化规律的黄土边坡稳定性Spencer法和M-P法计算成果之间的相互对比分析,同时将这些成果与现场勘察迹象进行对比,从而说明考虑参数时空演化规律的黄土边坡极限平衡分析法的合理性和可靠性。     

考虑参数空间变异性的隧道结构变形分析简化方法

土体参数具有空间变异性是被广泛接受的,而这种变异性对岩土中结构性能有着重要的影响.随机场理论是一种常用的用来模拟土体参数空间变异性的方法.基于随机场理论,以土体弹性模量的空间变异性为切入点,采用蒙特卡罗方法和有限差分模拟计算相结合的方法,开展隧道水平收敛的随机分析.在大量蒙特卡罗计算基础上,提出了3种简单易用的简化考虑...     

考虑岩土参数空间变异性的盾构隧道地表沉降分析

现有随机场理论能够较好地描述单一岩土参数的天然随机性、空间结构性和局部奇异性。当前面临的挑战是如何考虑多个土层、多元及统计相关的岩土参数空间变异性对岩土工程的影响。考虑岩土参数如黏聚力、内摩擦角和压缩模量等具有明显的空间变异性,将随机场理论引入盾构隧道地表沉降可靠指标分析。主要研究工作包括:(1)采用局部均值方法将多个非平稳土层同一岩土参数转化为平稳各向异性随机场变量,并给出随机场的统计特征;(2)简化岩土参数的空间变异性为一般变异性,直接采用响应面方法计算盾构隧道地表沉降可靠指标;(3)提出协同序贯高斯离散算法,在空间网格上实现多元岩土参数随机场的同步离散化,并基于经典Monte-Carlo随机模拟原理和盾构隧道数值计算,直接统计地表沉降的可靠指标;(4)引入子集Monte-Carlo随机模拟加速算法。将以上方法应用于天津~#5、~#6地铁环湖西路站—宾馆西路站区间盾构隧道四线交叠工程,结果表明,采用经典随机理论描述岩土参数的变异性,所得到的盾构隧道地表沉降可靠指标小于基于随机场理论的对应值。该结论为复杂盾构隧道的施工控制与设计优化提供了理论依据。