考虑参数空间变异特性及非平稳性的土坡可靠度研究

Due to complex geological processess, soil parameters usually exhibit spatial variability. Meanwhile, many actually measured data demonstrate that the mean undrained shear strength usually displays a varying trend with depth (non-stationary feature). Soil slope stability depends largely on the shear strength which provides sliding resistance. Therefore, considering spatial variability and non-stationary feature is very significant to soil slope stability assessment. In the context of random finite element method, this research project firstly attempts to simulate the random field, in which the spatial variability and non-stationary feature of soil parameters can be taken into account. Thus the non-stationary random field with mean soil parameter increasing linearly with depth is obtained. Then the generated non-stationary random field model is applied into reliability analyses of infinte slopes, normally consolidated clay slopes and three-dimensional slopes, to systematically investigate the influence of spatial variability and non-stationary feature of soil parameters on soil slope reliability. Based on the non-stationary random field model, the reliability approach to soil slope stability will be established and the soil slope stability theory will be enriched. Last but not least, the proposed non-stationary random field model can also be extended to the settlement and bearing capacity problems in foundation engineering, which will promote the application of reliability analysis and design in geotechnical engineering.

由于复杂的地质演化过程的影响，土体参数往往具有一定的空间变异特性。同时，大量实测资料显示土体不排水抗剪强度均值通常随深度变化，又具有一定的非平稳特征。土坡稳定的主要抗力是土体的抗剪强度，因此考虑土体参数的空间变异特性及非平稳性对土坡稳定的可靠度评估具有重要的意义。本项目基于随机有限单元法，首先对表征土体参数空间变异特性及非平稳性的随机场进行模拟，得到土体参数均值随深度线性增长的非平稳随机场模型。再而将生成的非平稳随机场模型应用于无限长边坡、正常固结粘土边坡和三维边坡的可靠度分析，系统地研究土体参数的空间变异特性及非平稳性对土坡可靠度的影响。基于非平稳随机场模型建立土坡可靠度的分析方法，从而完善土坡稳定可靠度分析理论。本研究提出的非平稳随机场建模方法，还可拓展用于基础工程的沉降和承载力问题，对岩土工程的可靠度分析和设计具有推进作用。

由于地质作用的影响，边坡土体参数具有空间变异性，同时实测资料表明土体的不排水强度又具有一定的非平稳特征。本项目基于概率和统计理论，构建了表征无限长边坡不排水强度均值随深度线性增长的非平稳随机场模型，建立了不排水强度均值随深度变化的无限长边坡可靠度分析方法，发现无限长边坡的失效概率随着不排水强度均值增长率的增大而降低，最危险滑动面出现在无限长边坡底部的频率随着不排水强度变异系数的增大而降低。存在一个最危险坡度使得无限长边坡失效概率最大，静力条件下该最危险坡度为45度，水平地震力作用下，最危险坡度从45度随着水平地震力系数的增大而减小；项目同时提出了适用于正常固结黏土边坡的非平稳随机场模型，建立了正常固结黏土边坡可靠度的随机有限元分析方法，发现边坡安全系数较小时，采用不排水强度参数的正态分布假设会低估边坡的失效概率，得到不保守的结果，这时须采用对数正态分布假设。当边坡安全系数为1.2时，存在一个最危险的相关距离，这时的边坡失效概率最大，该相关距离可用于基于可靠度设计理念的正常固结黏土边坡的保守设计。当不排水强度的变异系数较大时，使用随机有限元分析得到的正常固结黏土边坡的滑动面比通过确定性分析得到的滑动面更深；此外，项目基于随机有限单元法，分析不排水强度各向异性对黏土边坡可靠度的影响，发现当黏土边坡安全系数均值大于或等于1.3时，忽略不排水强度各向异性的影响会低估实际边坡的失效概率，黏土边坡坡度越小，越不能忽略各向异性的影响。在各向异性条件下，黏土边坡的滑动面会出现部分的“线性”形状。项目同时分析了相关距离对开挖边坡可靠度的影响规律，研究最危险相关距离产生的条件，发现当开挖边坡安全系数均值较小且不排水强度变异系数较大时，得到的最危险相关距离最为明显。在其他参数保持不变的情况下，边坡坡度大约为60度时，计算得到的开挖边坡失效概率最大。