考虑岩土体参数空间变异特征的复杂边坡系统可靠度分析

Geo-materials are formed by complicated geological processes over very long time, hence they mostly involve significant uncertainties such as heterogeneity, randomness, and spatial variability. Slope stability depends largely on the shear strength of geo-material, which provides sliding resistance. As a result, characterization of the uncertainties of shear strength is very significant to the slope stability assessment. In the context of engineering reliability theory, this research project attempts to discuss the influence of different uncertainties on the stability of slopes from a systematic point of view. Firstly, an efficient recursive algorithm for first-order reliability method (FORM) is developed, of which the advantages are the ability of dealing with implicit performance functions involving correlated non-Normal random variables, and most importantly the manipulability of the numerical procedure in the space of original random variables so that the solution of design point can be largely simplified. Then, the improved recursive algorithm will be coupled with various existing deterministic numerical packages in terms of factor-of-safety (FoS), which makes the slope reliability analysis practically implementable. By introducing random field models and spatial autocorrelations, the effects of spatial variability, and in particular the heterogeneity of spatial variation existing in 2D and/or 3D random fields on slope reliability are discussed in details. In addition, system reliability of complex slopes containing multiple failure modes is investigated by probabilistic sensitivity analysis, and the procedure for identifying the likely failure modes is proposed. Last but not least, it is hoped that this research project will advance the application of reliability based design (RBD) in slope engineering.

岩土体材料的形成经历了复杂的地质演化过程，其成分具有非均质性、随机性、以及空间变异性等不确定性特征。岩土体材料的剪切强度是边坡稳定的主要抗力，因此对强度参数不确定性的合理量化对边坡稳定性的评估具有重要的意义。本项目基于工程可靠度理论，从系统的角度探讨各种不确定因素对边坡稳定性的影响。提出可以在参量原始空间直接处理隐式功能函数及非标准正态变量的一阶可靠度迭代算法，简化求解参数设计点值的计算过程。把改进后的可靠度迭代算法同定值安全系数法进行数值耦合，使复杂边坡的可靠度分析得以实用化。通过引入土体随机场模型及自相关距离，分析空间变异特性对边坡失稳的影响。在分析二维和三维随机场过程中考察空间变异各项异性对边坡失稳模式的影响。针对复杂边坡的多模式失稳现象进行系统可靠度分析，对主要设计参量进行概率敏感性分析，提出复杂边坡多模式失稳滑动面（带）的位置确认准则。本研究对边坡工程的可靠度设计具有推进作用。

作为工程地质和岩土工程学科的主要研究对象，岩土体材料的形成经历了复杂的地质演化过程，其成分具有非均质性、随机性、以及空间变异性等不确定性特征。对岩土体材料参数不确定性的合理量化对边坡稳定性的评估具有重要的意义。本项目基于工程可靠度理论，从系统的角度探讨了各种不确定因素对边坡稳定性的影响。在过去三年研究执行期内，主要工作体现在：（1）提出了一种简化的HLRF-FORM可靠度算法（iHLRF-x），可以在随机变量的参量原始空间直接处理具有隐式功能函数及非标准正态变量的一阶可靠度迭代计算问题，简化了求解随机参数设计点值的计算过程。针对不确定性因素下的设计参数反演问题，提出了改进的逆可靠度求解算式，可实现边坡工程可靠度优化设计（RBD）。（2）通过引入土体随机场模型及自相关距离，分析了空间变异特性对二维/三维边坡失稳模式的影响，基于点离散法（Point Discretization），空间局部平均离散法（Spatial Averaging）进行了参数研究，对比分析了两类重要随机场模型，即Exponential Model和Squared Root Exponential Model，在土体空间变异自相关距离拟合方面的差异，探讨了级数展开法如Karhunen-Loeve Expansion方法处理土体随机场的可行性，并进行了基于MS-EXCEL平台的实用化程序开发以及基于ABAQUS有限元计算平台的KL随机场离散程序开发。（3）针对复杂边坡系统失效概率分析，开发了基于MS-EXCEL计算平台的最小二乘支持向量机（LS-SVM）机器学习计算程序。本项目还考虑地震荷载，进行了地震荷载下边坡永久位移的机理分析以及与之相关的概率分析。本研究对边坡工程的可靠度优化设计具有推动作用。