黄土边坡可靠性研究

论文摘要

通过对黄土地区自然边坡的大量野外调查，深入分析了黄土边坡的坡型和坡度特点，提出黄土“极限状态坡”的概念和野外判定标准。以穿越黄土高原中部的陕北至关中为研究区域，实地测量了16个滑坡，79个极限状态坡的断面。根据区域地形特点和土质条件的差异，将研究区分为三个地段，即铜黄段(富县以南至关中)，甘泉段(富县到洛河、延河分水岭)和靖安段(分水岭以北)。利用三个区段中的极限状态坡实测断面，分别建立了坡高与坡度的线性和对数线性两种相关分析模型，并作了不同置信度下的统计分析，统计结果与工程边坡对比表明在自然“极限状态坡”的框架下进行可靠性分析和工程设计是可行的。 对二维简化Bishop法作了改进，将条分法改为积分法，避免了条分的烦琐过程，并提高了计算精度，当条分法的分条足够小时，其结果逼近积分解计算结果。结合计算模型提出一种最危险滑面搜索方法，与已有方法相比，该算法严谨，不出现遗漏，便于编程。利用该稳定性计算模型实现了可靠性分析中的大量计算。地下水是影响边坡稳定性的重要因素，详细分析了地下水在边坡稳定性计算中的处理方法及在理论计算中存在的问题，讨论了工程计算中常用的“替代法”的误差来源和工程可行性。论文进一步建立了考虑黄土后缘拉裂和底部有软弱下卧层的边坡稳定性计算模型。 收集了铜川至黄陵高速公路、黄陵至延安高速公路和靖边至安塞高速公路沿线共1635组黄土物理力学性质指标试验结果，并在野外测量的边坡体上取样22组，测定了其物理指标、颗粒组成、直剪强度指标和三轴强度指标。详细分析了黄土钻孔土样的物理力学指标的变化特点，以探井原状土样的试验结果为依据，对钻孔土样干密度和天然密度作了修正。对直快剪、固快剪、饱和固快剪、不固结不排水剪、固结不排水剪、饱和固结不排水剪六种剪切试验结果进行了比较分析。将现有滑坡恢复的初始边坡的稳定系数给定为1，进行参数反分析，结果表明按直快剪试验强度参数计算的黄土边坡稳定性与其稳定性现状较为吻合，为此边坡的可靠度计算采用了直快剪试验指标。将钻孔、探井采取土样的强度参数指标和反分析指标对比，表明铜黄段可直接采用收集到的钻探直剪试验结果，甘泉段和靖安段由于土质特殊，对直剪试验结果做了必要的修正。 对黄土强度指标的检验分析表明，黄土强度指标概型既服从正态分布，也服从对数正态分布。甘泉段和靖安段的c值还服从Weibull分布，φ服从β分布，对比分析表明黄土强度指标c、φ的概型，都采用正态分布较为合适。 系统构建了蒙特卡罗模拟模型，模拟结果表明黄土边坡的研究应分三个坡高段，即

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 边坡稳定性计算方法研究现状
• 1.2.1 基于安全系数的极限平衡法
• 1.2.2 基于数理统计的可靠性分析法
• 1.2.3 基于塑性力学的极限分析法
• 1.2.4 基于弹塑性理论的数值分析法
• 1.2.5 基于模糊数学理论的综合评判法
• 1.2.6 神经网络、遗传算法在边坡工程中的应用
• 1.3 本文研究内容及技术路线
• 2 黄土极限状态坡的测量与统计分析
• 2.1 黄土工程地质特征
• 2.1.1 地形地貌特征
• 2.1.2 结构构造特征
• 2.1.3 地层岩性特征
• 2.1.4 粒度组成特征
• 2.1.5 抗剪强度特征
• 2.2 黄土“极限状态坡”的判别
• 2.3 滑坡的原始地形恢复
• 2.4 极限状态坡的分段研究
• 2.5 极限状态坡坡高与坡度按不同置信度的统计分析
• 2.6 本章小结
• 3 黄土边坡稳定性计算模型研究
• 3.1 对二维极限平衡法的改进
• 3.1.1 简化Bishop法的积分形式
• 3.1.2 最危险滑动面搜索方法
• 3.2 地下水渗流作用下的边坡稳定性计算
• 3.3 黄土边坡的稳定性计算模型
• 3.3.1 有后缘拉裂缝的边坡稳定性计算
• 3.3.2 具有软弱下卧层的边坡稳定性计算模型
• 3.4 程序实现与算例检验
• 3.4.1 程序流程
• 3.4.2 算例检验
• 3.4.3 实例计算
• 3.5 本章小结
• 4 黄土强度参数统计及反分析
• 4.1 土强度参数的变异性
• 4.2 黄土物理力学指标的来源与统计分析
• 4.3 钻孔试样天然密度的修正
• 4.4 强度指标的统计分析
• 4.4.1 钻孔试样c、φ值统计分析
• 4.4.2 探井试样c、φ值统计分析
• 4.5 强度指标的反分析
• 4.6 强度指标的修正
• 4.7 钻孔试样直剪c、φ值的概型研究
• 4.7.1 直方图
• 4.7.2 强度指标的概型估计与假设检验
• 4.8 本章小结
• 5 边坡可靠性的蒙特卡罗模拟
• 5.1 极限状态方程的建立
• 5.2 边坡统计模型、参数及稳定系数计算模型的选择
• 5.2.1 边坡统计模型的选择
• 5.2.2 参数及概型的选择
• 5.2.3 稳定系数计算模型的选择
• 5.3 随机数的抽取
• 5.4 蒙特卡罗模拟结果分析研究
• 5.4.1 稳定系数概型分布
• 5.4.2 失效概率变化趋势分析
• 5.4.3 稳定系数变化趋势分析
• 5.4.4 可靠度指标β变化趋势分析
• 5.4.5 失效概率与稳定系数的关系分析
• 5.5 本章小结
• 6 可靠度影响因素分析及设计指标的确定
• 6.1 可靠度计算影响因素分析
• 6.1.1 误差分析
• 6.1.2 参数概型分布对可靠度的影响分析
• 6.1.3 计算方法对可靠度的影响分析
• 6.2 参数相关性对可靠度的影响分析及处理方法
• 6.3 黄土边坡可靠度设计指标的确定
• 6.4 边坡可靠度设计指标应用实例
• 6.5 本章小结
• 7 结论、创新点及进一步研究方向
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 进一步研究方向
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 极限状态坡测量数据表
• 附录2 蒙特卡罗模拟可靠度指标计算结果
• 攻读博士学位期间所做工作