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原文传递黄土边坡可靠性研究

论文题名：	黄土边坡可靠性研究
关键词：	公路工程;黄土边坡;滑坡;极限状态坡;极限平衡法;可靠性;失效概率
摘要：	通过对黄土地区自然边坡的大量野外调查，深入分析了黄土边坡的坡型和坡度特点，提出黄土“极限状态坡”的概念和野外判定标准。以穿越黄土高原中部的陕北至关中为研究区域，实地测量了16个滑坡，79个极限状态坡的断面。根据区域地形特点和土质条件的差异，将研究区分为三个地段，即铜黄段(富县以南至关中)，甘泉段(富县到洛河、延河分水岭)和靖安段(分水岭以北)。利用三个区段中的极限状态坡实测断面，分别建立了坡高与坡度的线性和对数线性两种相关分析模型，并作了不同置信度下的统计分析，统计结果与工程边坡对比表明在自然“极限状态坡”的框架下进行可靠性分析和工程设计是可行的。对二维简化Bishop法作了改进，将条分法改为积分法，避免了条分的烦琐过程，并提高了计算精度，当条分法的分条足够小时，其结果逼近积分解计算结果。结合计算模型提出一种最危险滑面搜索方法，与已有方法相比，该算法严谨，不出现遗漏，便于编程。利用该稳定性计算模型实现了可靠性分析中的大量计算。地下水是影响边坡稳定性的重要因素，详细分析了地下水在边坡稳定性计算中的处理方法及在理论计算中存在的问题，讨论了工程计算中常用的“替代法”的误差来源和工程可行性。论文进一步建立了考虑黄土后缘拉裂和底部有软弱下卧层的边坡稳定性计算模型。收集了铜川至黄陵高速公路、黄陵至延安高速公路和靖边至安塞高速公路沿线共1635组黄土物理力学性质指标试验结果，并在野外测量的边坡体上取样22组，测定了其物理指标、颗粒组成、直剪强度指标和三轴强度指标。详细分析了黄土钻孔土样的物理力学指标的变化特点，以探井原状土样的试验结果为依据，对钻孔土样干密度和天然密度作了修正。对直快剪、固快剪、饱和固快剪、不固结不排水剪、固结不排水剪、饱和固结不排水剪六种剪切试验结果进行了比较分析。将现有滑坡恢复的初始边坡的稳定系数给定为1，进行参数反分析，结果表明按直快剪试验强度参数计算的黄土边坡稳定性与其稳定性现状较为吻合，为此边坡的可靠度计算采用了直快剪试验指标。将钻孔、探井采取土样的强度参数指标和反分析指标对比，表明铜黄段可直接采用收集到的钻探直剪试验结果，甘泉段和靖安段由于土质特殊，对直剪试验结果做了必要的修正。对黄土强度指标的检验分析表明，黄土强度指标概型既服从正态分布，也服从对数正态分布。甘泉段和靖安段的c值还服从Weibull分布，Ψ值服从β分布，对比分析表明黄土强度指标c、Ψ值的概型，都采用正态分布较为合适。系统构建了蒙特卡罗模拟模型，模拟结果表明黄土边坡的研究应分三个坡高段，即低坡、高坡(过渡坡)和极高坡，其具体分界点与c、ψ值的大小有关。c值对低坡稳定性具有控制作用；ψ值对极高坡稳定性具有控制作用；在过渡坡高段，c、Ψ值对稳定性都起重要作用。各地段在一定坡高范围内失效概率出现高值，稳定系数和可靠度指标β出现低值，该范围与过渡坡高段范围相近，也与本次测量的极限状态坡范围相近。参数变异系数对边坡失效概率和可靠度指标影响极大，且δc对低坡影响较大，δΨ对高坡影响较大。当坡型确定，强度均值确定，稳定系数期望值是一个定值，与强度指标的变异性无关。当变异系数组合确定，相同的稳定系数值对应的失效概率非常接近，与坡率变化和强度均值相关性小，也与地域关系不大。抽样次数、参数概型和可靠性分析方法对可靠度计算结果存在不同程度的影响。通过一系列的抽样试验表明，超过5000次后，抽样次数对失效概率的影响减小，误差趋于稳定，可达到工程应用的要求；参数概型对失效概率计算结果的影响显著，对数正态分布比正态分布的失效概率大3％左右，Weibull分布和β分布，与正态分布相比，失效概率降低很多，有的降低达10％以上；不同的可靠度计算方法对失效概率计算结果的影响也很明显，常用的一次二阶矩法与蒙特卡罗法相比，前者计算的可靠度指标β值整体大于后者计算的β值，并对δc极不敏感，只对δΨ敏感，且随着δΨ的增大，两种可靠度计算结果趋于一致。 c、Ψ值之间存在很大的负相关性，采用正交变换法处理这种负相关性，会过高地降低失效概率。在处理负相关性时不应过量地提高参数的均值，而应降低其变异性，为此以反分析为基础，提出了一种负相关性的均衡处理方法。以0.05置信度下的极限状态坡为设计依据，通过分析黄土强度参数变异性的特点和工程承担风险的程度，提出黄土边坡的设计可靠度指标值，即：高速公路和一级公路失效概率不得大于7～10％，二级和二级以下公路失效概率不得大于14～16％，并结合变异系数对坡高的影响，给出具体可靠度取值方法。通过工程实例验证，认为该失效概率设计值可作为黄土边坡设计的参考。
作者：	李萍
专业：	道路与铁道工程
导师：	王秉纲
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文