基于逆可靠度理论的边坡稳定分析方法研究

【摘要】边坡工程是岩土工程界的经典研究领域之一,其对象是经历了亿万年漫长地质史时期的岩土体,其赋存环境、组成成分、物理、力学特征等因素存在不同程度的非确定性。在边坡工程的分析和设计中,为刻画这些因素不确定性程度的影响,常采用安全系数或可靠度指标来进行表征。但安全系数侧重揭示平均抗力与平均荷载的相对数量关系,而可靠度指标提示的是在既定条件下存在需要被动承受失效风险的概率。对于存在不确定性影响因素的工程而言,完全消除失效风险是不可能的,重点在于明确相关因素对风险的影响程度,依据具有针对性的方法,通过相应的设计分析,为制订合理的工程处治措施指明方向,主动将风险控制在可接受的范围之内。而目前的相关分析方法基本上只着重地体现了其中的某个方面,没有达到完备地能同时实现上述功能的程度。为此,本文将在现有边坡稳定分析方法的研究基础上,结合边坡工程自身的特征开展一系列的研究工作,进而建立起一种基于风险主动控制理念的边坡稳定评估新方法。首先,根据边坡破坏时沿规则滑面滑动和任意滑面滑动的两类破坏形式,相应地从边坡极限平衡理论体系中挑选出毕肖普模式和简布模式作为代表,基于风险控制理念,利用一次逆可靠度原理,演绎了边坡稳定逆可靠度算法,导出了两类滑动模式的相关计算公式,形成了具有可靠度和安全系数双重控制指标的能完成简单情况边坡计算的边坡稳定逆可靠度分析方法框架。该方法基于事先可接受的失效风险(目标可靠度指标)设计影响边坡稳定的各类参数,使可靠度指标与稳定性系数相互对应,达到主动控制边坡失效风险的目的。其次,岩土参数的非确定性描述和边坡稳定状态的函数表达形式决定着逆可靠度设计分析方法的实用性及其计算结果的有效性,影响边坡稳定的众多参数在不确定特征上往往又体现为随机性、区间性、灰色性等多样化现象,同时还表现为各参数对边坡稳定状态影响程度的非均等性。因此,在建立基于充满空间、多水平、稳健性的均匀设计进行试验样本提取方法的基础上,将灰色关联理论嵌入到区间分析模型之中,求解各因素与响应值间的区间关联度,并通过结合相对优势度理论对区间关联度进行排序,构建出基于不确定性理论的边坡稳定影响因素显著性综合评估方法。这一方法既为建立边坡稳定力学状态描述函数时,合理剔除某些因素、约简边坡状态模型提供了筛选工具,同时为下一步提高风险控制评估方法的实用性准备了相应手段。结合边坡参数分布形态各异及参数间存在相关性的实际工程特征,从响应面函数模型自身构建条件入手,继续展开深入的研究与探讨。首先,通过引入Nataf变换把边坡结构中具有多种分布形态及有相关性的参数进行独立正态化,然后,利用独立正态化的参数来拟合响应面函数模型,据此构造的响应面模型能适用于实际边坡工程中参数分布形式的多样性及参数间的相关性特征,最后,将前述拟合出的响应面模型和一次逆可靠度理论结合,构建出更具合理性和有效性的边坡失稳风险主动控制评估方法。再次,为进一步完善并丰富边坡失稳风险主动控制评估方法的研究内容,提高响应面建模手段在处理边坡工程隐式功能函数中的适用性,结合边坡工程极限状态功能函数复杂、高度非线性的特征,综合考虑了响应面模型中函数表达形式及抽样方式。在响应面模型的选择上,针对多项式模型适用范围的局限性,采用理论上更为严谨、操作上更具灵活性、对复杂非线性问题处理更为有效的Kriging代理模型；对于试验样本点的采样方式,则将对复杂非线性模型分析效率更高、适应性更强的拉丁超立方试验设计方法与具有主动搜索最佳训练样本的主动学习法相结合。上述响应面模型与抽样方式的融合将建立起一种更为完善的边坡稳定逆可靠度响应面技术,拓宽了解决边坡复杂隐式功能函数失效风险评估方法的适用范围。最后,利用本文所构建出的一套较为完善、适合不同状况下的边坡稳定影响因素显著性辨识方法及失稳风险主动控制评估方法指导了连接湘北与鄂东的山区高速公路一通平高速公路沿线大量边坡的稳定性分析及设计。在第六章中展示了基于上述方法指导的其中两个路段边坡的稳定性分析过程及主要结论。工作成果为通平高速公路沿线边坡提供了实用有效的处治方案,同时验证了本文所建立的边坡失稳风险主动控制评估方法的合理性与适用性。
【作者】罗正东；
【导师】苏永华；
【作者基本信息】湖南大学，岩土工程，2014，博士
【关键词】边坡工程；逆可靠度；隐式函数；响应面模型；Nataf变换；Kriging模型；试验设计；主动学习；

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