基于分布式信息的填土边坡应变场重构及稳定性评价研究

Due to the complexity in the mechanical and water physical properties of fill soil, the conventional analysis methods cannot meet the requirement of stability evaluation of fill slope. Therefore, the deformation and failure mechanism of fill slope, together with the stability evaluation problem, is an important theoretical and methodological issue in geological engineering. From the view of strain field, this project will conduct a series of large-scale physical model tests of slopes, and obtain the distributed strain information within loose fill and compacted slopes under the triggering effect of loading and rainfall, respectively. The reconstruction algorithm of slope strain field will be studied based on it. Combined random finite element numerical simulation with Bayesian back-analysis technique, the correlation model between the stability condition of fill slope and the characteristic information of strain field will be established. The progress of fill slope instability from initial stage to developing stage, and finally to failure stage, will be mastered and the critical threshold or criterion of soil failure will be determined. This project can provide theoretical basis for scientific stability evluation of fill slope.

由于填土力学和水理特性的复杂性，传统分析方法常常不能满足填土边坡稳定性评价的要求，因此填土边坡的变形破坏机理和稳定性评价是地质工程中一个重要的理论和方法问题。本项目从应变场的角度出发，开展多组室内大型边坡物理模型试验，通过构建填土边坡的光纤传感网络，获取坡顶加载和降雨两种孕灾模式下松堆边坡和夯填边坡的分布式应变信息。在此基础上，研究边坡应变场的重构算法，结合随机有限元数值模拟和贝叶斯反演方法，建立填土边坡稳定性和应变场特征信息的关联模型，掌握填土滑坡从孕育、发展到破坏的过程，确定土体破坏临界阈值或判据，为填土边坡稳定性的科学评价提供理论依据。

本项目围绕填土边坡的变形破坏机理及稳定性评价方法开展了系统的研究工作，结合弹塑性力学理论、物理模型试验方法和数值模拟技术，对填土边坡体在多种典型孕灾模式下的应变分布及其发展规律进行了量化分析，对各类边坡加筋技术的机理和效果进行了验证和评价，在此基础上，进一步探索了边坡稳定性的实时光纤监测和稳定性评估的可行性。主要的学术成绩可归纳为以下四个方面：（1）系统分析了分布式感测光纤（缆）和填土之间的变形耦合性及应力传递规律，建立了可精确描述纤-土界面渐进性破坏的理论模型，并提出了分布式光纤数据可靠性的判据；（2）建立了边坡智能分布式感测系统，实现了数据去噪处理、自动识别、应变场插值和重构、二维和三维可视化等功能；（3）分析了填土边坡和加筋体的相互作用规律，针对FRP土钉、纤维加筋等新型加筋技术的工作性能提出了力学分析模型；（4）研究了坡顶加载、分布开挖等条件下分布式应变信息在边坡稳定性演化过程中的动态响应。通过对数值模拟结果的分析，辨识了边坡在不同孕灾模式下的变形模式和破坏机理；指出边坡不同高程处的最大平均线应变可作为反映填土边坡稳定性演化的应变特征信息，并初步验证了模型试验获得的应变特征信息—边坡安全系数经验型关系。