边坡岩土体空间变异性表征及协同式风险评估方法

发布时间：2020-06-08 20:38

【摘要】：治理边坡失稳导致的滑坡灾害是我国地质灾害防治的重中之重,滑坡灾害风险评估和控制对社会经济发展具有重要意义。影响滑坡风险的不确定性因素很多,其中岩土体固有的空间变异性是重要的不确定性因素之一,它对边坡的失效模式、可靠性和风险具有重要的影响。岩土体空间变异性呈现出显著的三维各向异性,需要通过概率化场地勘察方法进行量化。然而受到技术经济条件限制,岩土工程场地勘察数据往往非常有限,使得三维岩土体空间变异性量化极具挑战性。此外,为了更加有效地评估复杂边坡风险,二维边坡稳定性概率分析已经不能满足实际工程边坡的需求,如何在三维边坡定量风险评估中考虑岩土体空间变异性是一个挑战性难题。最后,边坡可靠性分析成果大部分停留在理论研究阶段,离实际工程应用还有差距,非常有必要开发相关软件拓展边坡可靠性分析成果的具体应用。本论文围绕上述三个关键问题开展研究,以边坡岩土体不确定性分析为基础,以岩土工程场地勘察中的不确定性量化为主要研究内容,以边坡高效可靠性分析及定量风险评估为目标。主要工作和结论如下:(1)针对岩土体地层变异性定量表征问题,建立了有机整合边界地层模型和类别地层模型优势的混合地层模型,该模型既能模拟任意复杂的地层形态,又能考虑岩土材料空间分布趋势和工程判断;构建了考虑地层变异性的概率化地层建模框架,为岩土工程可靠性分析和设计中考虑地层变异性的影响提供了一条有效途径。(2)针对岩土体三维空间变异性定量表征问题,提出了解决极大似然估计中高维难题的矩阵分解技术,发展了基于极大似然估计的岩土体三维空间变异性量化方法,揭示了勘察方案对概率化场地勘察的影响规律,为有限岩土勘察数据条件下的空间变异性量化问题提供了技术支撑;提出了岩土体三维空间变异性模拟的逐步分解法,从理论上证明了其与传统方法的等价性,实现了多变量、大尺度三维空间变异性的高效模拟,从而搭建了概率化场地勘察和风险评估之间的桥梁。(3)针对二维边坡风险评估问题,发展了基于子集模拟的边坡风险评估高效随机有限元法,解决了高维不确定性、多失效模式、低失效概率的边坡风险评估难题,为考虑空间变异性的边坡风险评估奠定了基础;建立了基于极限平衡分析和有限元分析的边坡协同式可靠性分析方法,有机地整合了两种分析方法的优势,实现了既准确又高效的边坡可靠性分析,为随机有限元法在实际工程边坡风险评估中应用创造了条件。(4)针对三维边坡风险评估问题,提出了三维边坡协同式风险评估方法,推导了初步分析和精细分析中失效概率和风险之间的统一形式计算表达式,实现了不同尺度有限元分析模型的协同利用,阐明了在三维边坡稳定性分析中考虑岩土体三维空间变异性的重要性,揭示了三维空间变异性对边坡失效模式、可靠性和风险的影响规律,丰富了边坡定量风险评估理论,为实际复杂工程边坡风险评估提供了有效的分析工具。(5)从边坡可靠性设计及概率分析软件开发两方面探索边坡可靠性与风险评估在实际工程中的应用。提出了考虑岩土体空间变异性的边坡全概率可靠性设计方法,阐明了岩土体空间变异性对边坡可靠性设计的影响,为边坡可靠性设计标准的制定奠定了一定的理论基础;开发了简单实用的非侵入式岩土工程概率分析软件NIGPA,为拓展边坡可靠性与风险评估理论的实际应用迈出了坚实的一步。
【图文】：

图】．２邋２０００－２０１６年全国滑坡发生及防治情况统计逡逑塌、泥石流）占比约为８５％。按此比例估计，我国在２０００－２０１６年间对滑坡灾害防治逡逑的投入情况如图１．２（ｂ）所示（数据来源于《中国统计年鉴－２０１７》（国家统计局，２０１７））。逡逑无论是滑坡防治项目的数目还是滑坡防治投资的力度，在２００８年后都有显著地跃升。逡逑从２００８年起，滑坡防治投资开始超过滑坡造成的直接经济损失；到２０１３年后，各年滑逡逑坡防治投资均超过１００亿元。经过这么多投入，我国在“十一五”到“十二五”期间，逡逑因地质灾害（以滑坡为主）造成的人员伤亡减少了邋６４％，所避免的人员伤亡和直接经逡逑济损失分别增加了邋６７％和１７８％邋（见《全国地质灾害防治“十三五”规划》）。逡逑虽然我国在滑坡灾害防治方面己经取得了一定的成果，然而由于各种不确定性因逡逑素的存在，无论何种手段都无法彻底避免滑坡的发生。只要有发生滑坡的可能性，滑逡逑２逡逑

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本文编号：2703615