边坡及其抗滑桩加固工程可靠性分析方法研究

论文摘要

科学评价边坡稳定性、合理设计边坡抗滑桩加固工程已成为我国基础设施建设中的一个热点和难点问题。本文在分析评价现有的边坡稳定性分析方法的基础上,将智能响应面法应用于边坡稳定性分析中,结合蒙特卡罗模拟法对边坡可靠性进行科学评价和预报；抗滑桩作为一种有效的支挡工程措施已在边坡加固工程中得到了广泛应用,然而,其理论研究却滞后于工程应用,因此本文对抗滑桩设计计算方法展开研究,以优化工程设计。主要研究成果与结论如下：（1）基于可靠度敏感性的智能响应面法分析边坡可靠度：针对边坡工程中的非线性功能函数及非线性计算量大的问题,研究边坡可靠度敏感性,提出参数的相对敏感性分析方法,并基于可靠度敏感性分析提出两种智能响应面法分析边坡稳定性。研究表明：智能响应面法分析边坡稳定性是准确的且具有较高的计算效率,并可以有效解决传统响应面法可靠度计算不收敛问题；且两种智能响应面法计算结果几乎相同,可以互为验证,确保计算结果的准确性。（2）对常用的几种滑坡推力计算方法进行系统改进,改进后的滑坡推力计算方法概念清晰、应用方便。（3）系统推导抗滑桩内力分析计算的悬臂桩法的计算公式；建立抗滑桩内力计算的弹塑性有限元模型,系统推导给出非线性有限元方程组的求解方法,并根据迭代算法编制了相应的计算程序。研究表明：有限元法在做桩身内力计算时无须对滑坡推力分布作任何假定,可以充分考虑岩土材料的非线性力学特征、复杂的几何边界条件等,其计算结果较符合工程实际。（4）建立较为合理的桩间距计算模型；基于强度折减得出相应的桩间距计算公式,以考虑边坡工程等级及其他相关影响因素；在桩间距的计算模型和计算方法的基础上,建立桩间距的极限状态方程,分析岩土体的物理力学性质参数的变异性对抗滑桩间距可靠度的影响。研究表明：岩土体参数变异性对抗滑桩间距可靠度有显著的影响,因此,在确定抗滑桩间距时应考虑参数变异性的影响。（5）基于可靠性分析研究刚性抗滑桩锚固深度：建立锚固深度的可靠性分析模型,基于强度折减有限元法进行可靠度分析。研究表明：可靠指标的选取应考虑边坡工程等级；抗滑桩锚固深度计算参数应视为随机变量,计算参数的变异性对抗滑桩锚固深度可靠指标有显著的影响,在抗滑桩设计中不可忽视。（6）本文提出位移迭代有限元法,分析桩-土相互作用的动态变形协调过程,建立二维平面应变位移迭代有限元模型,对抗滑桩的内力及位移进行计算以进行抗滑桩设计；对影响位移迭代有限元模型计算结果的主要设计参数进行了敏感性分析,为桩身结构设计的优化提供了依据。（7）基于强度折减法设计边坡抗滑桩加固工程。采用强度折减有限元法对抗滑桩最佳桩位设置进行研究,研究表明：最佳桩位介于边坡中部和未加固边坡临界滑面中部之间且更接近于边坡中部。采用强度折减的位移迭代有限元法对加固后边坡的可靠性进行分析,以目标可靠度为控制指标逐步调整桩长,使加固后边坡的整体可靠度满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 边坡稳定分析研究概况
• 1.2.2 可靠度分析方法研究概况
• 1.2.3 抗滑桩设计计算研究概况
• 1.3 论文的研究目的、意义和内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究意义
• 1.3.3 研究内容
• 第二章 边坡稳定的可靠度分析法
• 2.1 概述
• 2.2 可靠度分析的基本原理
• 2.3 可靠度分析的一次二阶矩法
• 2.3.1 中心点法
• 2.3.2 验算点法
• 2.4 可靠度分析的蒙特卡罗模拟法
• 2.5 可靠度分析的响应面法
• 2.6 边坡稳定的可靠度分析
• 2.6.1 功能函数的确定
• 2.6.2 边坡稳定可靠度分析的程序结构
• 2.6.3 算例
• 2.7 结论
• 第三章 基于可靠度敏感性的智能响应面法分析边坡可靠度
• 3.1 结构可靠度敏感性分析
• 3.1.1 可靠指标对随机变量分布参数的敏感性分析
• 3.1.2 可靠指标对极限状态方程参数的敏感性分析
• 3.1.3 可靠指标对随机变量分布参数的相对敏感性分析
• 3.1.4 算例分析
• 3.2 两种智能响应面法
• 3.2.1 神经网络法的基本结构和模型
• 3.2.2 BP神经网络及算法的理论基础
• 3.2.3 RBF神经网络及常用的学习算法
• 3.3 基于可靠度敏感性的智能响应面法分析边坡稳定性
• 3.3.1 基于可靠度敏感性分析确定边坡参数
• 3.3.2 智能响应面法可靠度分析基本原理
• 3.3.3 智能响应面的蒙特卡罗模拟法计算步骤
• 3.4 算例分析
• 3.5 结论
• 第四章 滑坡推力及抗滑桩内力计算方法
• 4.1 滑坡推力计算概述
• 4.2 滑坡推力计算方法
• 4.2.1 滑面为单一平面时的滑坡推力计算
• 4.2.2 滑坡推力计算的改进
• 4.3 抗滑桩内力计算
• 4.3.1 抗滑桩计算模型
• 4.3.2 抗滑桩计算方法
• 4.3.3 刚性桩与弹性桩的判别
• 4.3.4 抗滑桩内力和位移计算
• 4.4 抗滑桩内力计算的杆系有限元法
• 4.5 抗滑桩内力分析的弹塑性有限元法
• 4.5.1 有限元模型的建立
• 4.5.2 非线性有限元方程组的求解
• 4.6 工程算例
• 4.7 结论
• 第五章 边坡加固工程中桩间土拱效应与合理桩间距
• 5.1 概述
• 5.2 土拱效应分析
• 5.3 莫尔-库仑破坏准则几种形式的推导
• 5.4 抗滑桩合理间距及其公式推导
• 5.4.1 抗滑桩间距研究概况
• 5.4.2 本文方法
• 5.5 基于强度折减的抗滑桩合理间距
• 5.6 工程实例
• 5.7 参数变异性对抗滑桩间距可靠度的影响
• 5.7.1 桩间距极限状态方程的建立
• 5.7.2 桩间距可靠度分析
• 5.7.3 工程实例
• 5.8 结论
• 第六章 可靠度分析确定刚性抗滑桩锚固深度
• 6.1 概述
• 6.2 抗滑桩锚固深度可靠度分析模型
• 6.2.1 土体单元主应力计算公式的推导
• 6.2.2 地层横向应力容许值的确定
• 6.2.3 常规设计锚固深度的确定
• 6.2.4 可靠度功能函数的建立
• 6.3 基于可靠度分析确定锚固深度
• 6.4 工程算例
• 6.5 结论
• 第七章 抗滑桩位移和内力计算的位移迭代有限元法
• 7.1 概述
• 7.2 抗滑桩传统设计计算方法分析和评价
• 7.2.1 传统抗滑桩设计计算方法
• 7.2.2 传统抗滑桩设计计算方法存在的问题
• 7.3 位移迭代有限元法
• 7.3.1 位移迭代有限元法的基本思想
• 7.3.2 单排抗滑桩位移迭代有限元法
• 7.3.3 双排抗滑桩位移迭代有限元法
• 7.4 工程实例
• 7.5 参数对位移迭代有限元模型计算结果的影响
• 7.6 结论
• 第八章 基于强度折减法设计边坡抗滑桩加固工程
• 8.1 基于强度折减的有限元法
• 8.2 单排边坡抗滑桩加固工程最佳桩位设计
• 8.3 单排及多排边坡抗滑桩加固工程可靠性设计
• 8.4 结论
• 第九章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文