基于广义相对安全率的空间变异土坡稳定可靠度设计控制标准与方法

Geotechnical reliability-based design (RBD) has been officially coded in the new version of “General Principles on Reliability for Structures ISO 2394: 2015”. This indicates that it is a mandatory trend that RBD will be adopted in the next generation of geotechnical design codes. However, soil slope stability design in China has been using deterministic design methods, for which various uncertainties in slope engineering (particularly spatial variability of soils) cannot be, rationally, taken into account. Spatial variability of soils affects the reliability and failure modes of slope stability, and it is one of the major difficulties in developing effective reliability control criterion and RBD methods for soil slope stability design. This project focuses on target reliability calibration and design methods of soil slope stability considering spatial variability. It proposes a unified measure of the safety and reliability of soil slope stability, namely generalized ratio of safety margin, which allows the ratio of safety margin to be calculated using any types of probability distributions and calculation methods. Based on the generalized ratio of safety margin, a target reliability calibration method is proposed with consideration of spatial variability. Then, design response surface is used to develop an efficient full probabilistic design method and semi-probabilistic limit state design method for soil slope stability design, and an efficient RBD updating method is also proposed for various design situations. Research outcomes of this project not only lead to further theoretical advances in geotechnical RBD, but also lay out solid grounds and technical supports to RBD codification for soil slope stability design in China.

岩土工程可靠度设计方法已被正式纳入国际标准《结构可靠性总原则ISO2394：2015》，成为下一代岩土工程设计规范发展的必然趋势。我国土坡稳定设计规范仍以确定性设计方法为主，无法合理地考虑土体空间变异性等不确定性因素。土体空间变异性显著影响土坡稳定可靠度和破坏模式，是建立有效的土坡稳定可靠度控制标准和设计方法的关键难点。本项目拟开展考虑空间变异性的土坡稳定可靠度控制标准和设计方法研究，提出具有普适性的土坡稳定安全性和可靠性二元控制指标—广义相对安全率，突破传统相对安全率在概率分布类型和计算方法上的局限。在此基础上，提出考虑空间变异性的土坡稳定性目标可靠度校准方法，建立基于设计响应面的土坡稳定高效全概率设计方法和近似概率极限状态设计方法，发展变化设计条件下土坡稳定可靠度设计高效更新方法。研究成果将推动岩土工程可靠度设计理论的进一步发展，为制定我国土坡稳定可靠度设计规范提供理论依据和技术支撑。

土质边坡稳定设计受到多种不确定性因素的影响，如土体空间变异性和模型不确定性等。基于可靠度理论的岩土工程设计方法为科学、定量地考虑上述不确定性因素提供了一条有效途径。近年来，多个国家和地区陆续发布了基于可靠度理论的岩土工程设计规范，岩土工程可靠度设计方法已被正式纳入国际标准《结构可靠性总原则ISO2394：2015》，成为下一代岩土工程设计规范发展的必然趋势。我国边坡稳定设计规范仍以确定性设计方法为主，无法定量地考虑土体空间变异性等不确定性因素。为了促进我国岩土工程设计规范与国际接轨，顺利实现从边坡稳定确定性设计向可靠度设计发展，亟需开展边坡稳定可靠度设计理论与方法研究。为此，本项目围绕考虑空间变异性的土坡稳定可靠度设计控制标准与方法开展研究，提出了具有普适性的岩土工程安全性与可靠性控制指标（即广义可靠指标相对安全率）及其高效计算方法，证明了相对安全率准则的理论有效性，建立了基于广义可靠指标相对安全率的岩土工程设计安全判据，提出了确定性设计和可靠度设计安全判据等价性的充分条件及其验证方法，发展了基于广义可靠指标相对安全率的土坡稳定可靠度设计方法，建立了变化设计条件下岩土工程可靠度设计更新方法，开发了基于随机模拟的岩土工程全概率可靠度设计软件GeoRBD/S2.0。. 在项目的支持下，发表学术论文17篇，其中SCI论文9篇（中科院大类2区及以上论文7篇）、EI论文4篇；获批发明专利2项、软件著作权1项；培养博士后2人、博士研究生7人。研究成果将推动岩土工程可靠度设计理论的进一步发展，为制定我国边坡稳定可靠度设计规范提供理论依据和技术支撑。