基于模糊理论和随机有限元的顺层边坡安全评价方法

Bedding slope is a special kind of rock slope, of which landslides are often large scale, fast, destructive. The security analysis and evaluation of bedding slope is one of the keys to ensure the rational design, construction and operational safety. The conventional safety coefficient method couldn't fully reflect the security of bedding slope under special conditions, which may lead to a great risk. Based on the large bedding slopes engineering of the expressway in the mountainous regions of central and western China, the influence factor of slope safty and its characteristic distribution law would be revealed by means of field testing and data analysis. A stochastic -finite element-fuzzy coupled slope analysis method would be proposed on the basis of stochastic theory, finite element method and fuzzy mathematical theory. The stochastic finite element analysis model and the reliability of the fuzzy random analysis model would be created. A new kind of security evaluation system taking fuzzy random reliability and safety factor as evaluation index, would be formated based on parameter sensitivity analysis and engineering verification, which provides significance guides and application prospects on disaster prevention and mitigation of bedding slope projects.

顺层边坡是一种特殊的岩质边坡，其滑坡往往规模大、速度快、破坏力强，因而其安全性分析评价是保证设计合理、施工和运营安全的关键之一。传统的安全系数评价法无法完整地反映顺层边坡在各种特殊条件下的安全性，故其结果易造成工程的较大风险。本课题同时考虑顺层边坡安全问题的模糊性及影响因子的随机性特点，以我国中西部山区高速公路大型顺层边坡工程为背景，在现场测试和数据处理分析的基础上，揭示影响边坡安全的重要因子及其特征分布规律；将随机理论、有限元法和模糊数学理论相结合，探索一种随机分析-有限元-模糊分析耦合的边坡分析新方法；建立顺层边坡安全系数的随机有限元分析模型和可靠度的模糊随机分析模型；在参数敏感性分析和工程验证分析的基础上，形成一种新的以模糊随机可靠度指标和安全系数为评价指标的顺层边坡安全综合评价体系，对顺层边坡工程的防灾减灾具有重要指导意义和应用前景。

本项目以顺层边坡为对象，开展了顺层边坡结构面的现场原位试验和室内试验研究，研究了顺层边坡的变形特征和破坏机制；利用极限平衡理论推导出了顺层边坡的极限坡高和极限坡角，提出了边坡安全系数求解的双系数强度折减法、盲数安全系数法和基于支持向量机的分析法；确定并实现了适合与有限元法、极限平衡法、SVM法等结合的随机场离散方法，提出了基于蒙特卡罗法的边坡随机可靠度分析法和基于干涉模型的边坡随机可靠度分析法，研究了随机场类型对边坡随机可靠度的影响，提出了改进的边坡随机可靠度分析的神经网络响应面法、简单且具有较高的精度的基于SVM的边坡随机可靠度分析方法；提出了基于隶属函数和 截集的模糊可靠度分析法、基于等价变换的模糊可靠度分析法、基于模糊集合论的模糊可靠度分析法、以及同时考虑基本变量模糊性和边坡失稳状态模糊性的边坡模糊可靠度分析方法；提出了可考虑多种不确定性的基于盲数理论的边坡模糊可靠度分析法、计算量小且精度高的人工神经网络改进模糊点估计法、基于SVM的边坡模糊可靠度分析法；提出了基于随机有限元法的边坡模糊随机可靠度分析法、基于极限平衡法和模糊集合论的边坡模糊随机可靠度分析法、可同时考虑随机场下基本变量和失稳状态的模糊性的边坡可靠度分析法、基于SVM和改进的乔列斯基分解的中心点法的边坡模糊随机可靠度分析法；提出了基于最大熵原理的地震作用下顺层边坡模糊可靠度分析方法，研究了各种因素及其变化对顺层边坡安全性的影响，形成了基于安全系数和各类可靠度指标的顺层边坡安全性的联合评价方法体系。参加国际国内会议21人次，发表论文16篇，培养4名博士生和10名硕士生。