三峽庫區(qū)堆積層滑坡穩(wěn)定的可靠性研究

1、三峽庫區(qū)堆積層滑坡穩(wěn)定的可靠度研究重慶市建筑科學(xué)研究院2主要內(nèi)容n 本文以三峽庫區(qū)堆積層滑坡為研究對象，嘗試將概率極限狀態(tài)設(shè)計原則應(yīng)用于滑坡治理的實用設(shè)計。首先以三峽庫區(qū)部分先驗分布統(tǒng)計資料為基礎(chǔ)，利用Bayes方法對巖土抗剪強度參數(shù)的后驗分布進行了優(yōu)化估計。然后選擇三峽庫區(qū)50個有代表性的堆積層滑坡作為“校準(zhǔn)法”的計算對象，采用JC法按最不利設(shè)計工況計算每個堆積層滑坡治理前、后滑坡穩(wěn)定的可靠度指標(biāo)，并提出了三峽庫區(qū)堆積層滑坡治理設(shè)計的目標(biāo)可靠度指標(biāo)。最后根據(jù)概率極限狀態(tài)設(shè)計準(zhǔn)則，應(yīng)用基本變量標(biāo)準(zhǔn)值和分項系數(shù)的設(shè)計表達式，以目標(biāo)可靠度指標(biāo)為約束條件，采用不完全可靠度分析方法綜合確定滑帶土抗剪強

2、度參數(shù)的設(shè)計分項系數(shù)，并對其適用性進行了評價。 3目目 錄錄n一、緒論緒論 n二、可靠度分析的基本原理二、可靠度分析的基本原理n三、用于建立功能函數(shù)的滑坡穩(wěn)定分析方法三、用于建立功能函數(shù)的滑坡穩(wěn)定分析方法n四、三峽庫區(qū)巖土抗剪強度參數(shù)的概率統(tǒng)計分析四、三峽庫區(qū)巖土抗剪強度參數(shù)的概率統(tǒng)計分析 n五、三峽庫區(qū)堆積層滑坡治理設(shè)計的可靠度分析五、三峽庫區(qū)堆積層滑坡治理設(shè)計的可靠度分析 n六、三峽庫區(qū)堆積層滑坡治理設(shè)計的分項系數(shù)研究六、三峽庫區(qū)堆積層滑坡治理設(shè)計的分項系數(shù)研究n七、結(jié)論與建議七、結(jié)論與建議4第一章第一章 緒緒 論論 n三峽庫區(qū)是一個地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)。與危巖、塌岸和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害相比，滑

3、坡造成的社會影響、經(jīng)濟損失最大。n滑坡按滑坡體的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)形式大致可分為三類：土質(zhì)滑坡、堆積層滑坡和巖質(zhì)滑坡。其中堆積層滑坡在三峽庫區(qū)滑坡中占有相當(dāng)高的比例。n邊坡穩(wěn)定分析方法可以分為兩大類:確定性分析方法和不確定性分析方法。 5第二章 可靠度分析的基本原理n2.1 極限狀態(tài)的概念n 如結(jié)構(gòu)的某一功能可用n個隨機變量表示，則該功能函數(shù)可表示為n n 結(jié)構(gòu)在其使用過程中，能夠完成要求的功能，則結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài);如果結(jié)構(gòu)不能完成要求的功能，則結(jié)構(gòu)處于不可靠狀態(tài)，或失效狀態(tài)。結(jié)構(gòu)由可靠狀態(tài)到不可靠狀態(tài)需有一個界限，這一界限稱為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。n Z0:表示結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài);n Z1 滑坡失穩(wěn)，F(xiàn)

4、 1 滑坡穩(wěn)定的情況。究其原因，除了各種方法本身所作的簡化假設(shè)理論上的缺陷外，主要原因是滑面力學(xué)參數(shù)指標(biāo)c、的準(zhǔn)確取值影響計算安全系數(shù)F的可靠性。國內(nèi)外的研究表明，不同的計算方法所得的結(jié)果之間的差別較小，一般為 15%左右，而確定滑面力學(xué)參數(shù)指標(biāo)c、的差別對計算結(jié)果的影響程度遠遠超過方法的選擇，達到 85%。n鑒于工程界普遍采用極限平衡法，本文對三峽庫區(qū)堆積層滑坡穩(wěn)定分析仍采用規(guī)范的傳遞系數(shù)法來建立可靠度分析的功能函數(shù)。14堆積層滑坡 15第四章第四章 三峽庫區(qū)巖土抗剪強度參數(shù)的概率三峽庫區(qū)巖土抗剪強度參數(shù)的概率統(tǒng)計分析統(tǒng)計分析n現(xiàn)場原位試驗確定巖土抗剪強度參數(shù)是目前較為成熟可靠的方法，但受時

5、間、資金、現(xiàn)場條件等限制，不可能大量實施，因此，尋求其他途徑確定巖土抗剪強度的概率統(tǒng)計參數(shù)成為滑坡穩(wěn)定可靠度分析的關(guān)鍵。n根據(jù)三峽庫區(qū)堆積層滑帶土的性質(zhì)，可把該區(qū)域內(nèi)的滑帶土分為 3 個區(qū)段：壩址廟河(以結(jié)晶巖為主)、廟河奉節(jié)(秭歸盆地除外，以碳酸巖為主)和奉節(jié)重慶以及秭歸盆地(以層狀碎屑巖為主)。 16n三峽庫區(qū)滑帶土抗剪強度參數(shù)的概率分布 壩址廟河段共收集到滑坡滑帶土抗剪強度參數(shù) 58 組，廟河奉節(jié)段共收集到 104組，奉節(jié)重慶段以及秭歸盆地共收集到 229 組。參數(shù)值皆為飽和峰值，具體統(tǒng)計特征如下表 所示。17n下圖給出了奉節(jié)重慶段滑坡抗剪強度參數(shù) c的頻率直方圖。由圖可得， ，所以，奉

6、節(jié)重慶段抗剪強度參數(shù) c 服從對數(shù)正態(tài)分布，概率密度函數(shù)為: 1 .15501. 022464. 0)926. 2(lnexp24815. 01)(2xxxf18n下圖給出了奉節(jié)重慶段滑坡抗剪強度參數(shù)的頻率直方圖。由圖可得， ，所以，奉節(jié)重慶段抗剪強度參數(shù)服從對數(shù)正態(tài)分布，概率密度函數(shù)為:4603. 0)482. 2(lnexp2479. 01)(2xxxf 341.113201. 0219滑帶土抗剪強度參數(shù)的概率確定方法滑帶土抗剪強度參數(shù)的概率確定方法 nBayes 估計是統(tǒng)計學(xué)的兩大流派之一，近年來在巖土工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 。n針對某一個具體工程，由于經(jīng)濟或技術(shù)原因，許多指標(biāo)試驗資料(特

7、別是現(xiàn)場原位試驗資料)不足以單獨進行統(tǒng)計分析，基于以往相同或相近的地質(zhì)條件，人們積累了許多資料，這些資料可以用來對參數(shù)進行一般性估算(先驗分布)，同時得到小樣本的概率分布特征(似然函數(shù))，就可以得到該工程的試驗指標(biāo)的概率分布(后驗分布)，這就是 Bayes 估計的基本思想。Bayes 公式可表示為：)(),()(),()(),()()(xhxfdxfxfx20 若以某一個滑坡的試驗數(shù)據(jù)為似然函數(shù)，則根據(jù)Bayes 估計可以得到其后驗的概率密度函數(shù)，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別如下 ： 式中： ， 分別為后驗分布的標(biāo)準(zhǔn)差和均值； ， 分別為先驗分布的標(biāo)準(zhǔn)差和均值；，分別為似然函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差和均值。 對于試驗

8、參數(shù)未知的新生型滑坡，可以選擇滑坡附近土性相近的多個滑坡點參數(shù)作為似然函數(shù)來推求該新生型滑坡的參數(shù)；對于滑坡點試驗數(shù)據(jù)較少的新生型滑坡，可以利用已知的試驗數(shù)據(jù)作為滑坡點似然函數(shù)來對該新生型滑坡點參數(shù)進行優(yōu)化。 22222222 )()()()()(21第五章第五章 三峽庫區(qū)堆積層滑坡治理設(shè)計的三峽庫區(qū)堆積層滑坡治理設(shè)計的 可靠度分析可靠度分析n傳統(tǒng)的邊坡安全度評價多采用基于極限平衡理論的中值安全系數(shù)法，該方法計算簡便、直觀，并經(jīng)工程實踐證明是一種有效的方法。然而以巖土體為工程材料的邊坡，其組成和構(gòu)造都存在不均勻性，表現(xiàn)出的工程性質(zhì)差異很大，這就決定了邊坡工程必然具有不確定性。傳統(tǒng)的中值安全系數(shù)

9、法，在一定程度上難以準(zhǔn)確地對較復(fù)雜邊坡的穩(wěn)定性作出客觀的評價，采用以概率統(tǒng)計為基礎(chǔ)的可靠性評價方法，可能更符合實際。 22隨機變量的確定隨機變量的確定 n堆積層滑坡的功能函數(shù)式中，參數(shù)可分為以下三類： (1)幾何尺寸：如邊坡幾何形狀、條塊的滑面長度、傾角等；由于幾何尺寸一般可通過測量和勘察手段較準(zhǔn)確地獲得，可視為確定量。 (2)巖土體的物理力學(xué)參數(shù)：如重度、內(nèi)摩擦角c、粘聚力等。考慮到重度的變異性較小，在可靠度計算時可忽略其變異性的影響；而內(nèi)摩擦角c、粘聚力，由于受地質(zhì)條件和周圍環(huán)境等的影響較大，具有較強的不確定性，故本文選取抗剪強度指標(biāo)c、作為隨機變量。 (3)環(huán)境影響參數(shù)：如地震荷載、地下

10、水活動引起的荷載等。在邊坡穩(wěn)定可靠度計算時，這些參數(shù)一般都事先假定為確定量，故不作為隨機變量考慮。 (4)結(jié)構(gòu)抗力R：作為隨機變量考慮，并假定服從正態(tài)分布，其均值由設(shè)計表達式確定，變異系數(shù)由結(jié)構(gòu)材料強度的變異性、施工偏差等因素綜合確定。n這樣，以這些隨機變量表示的功能函數(shù)可寫成如下形式： RcgZ,2324實例計算及一些規(guī)律性的研究實例計算及一些規(guī)律性的研究 n工程概況工程概況 某滑坡位于萬州新城內(nèi)，平面形態(tài)為縱長式木履形，長112m，寬40m，東北向傾斜，滑動主軸方向為北東50度，滑坡平均厚度811.4m，面積5000m2，體積為40000m3?；鎯A角1118?；w土為碎塊石，土石比7:3

11、?；灿少_系中統(tǒng)上少溪廟組砂泥巖組成，巖層產(chǎn)狀30035?；路乐喂こ淘O(shè)計安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。治理方案采用懸臂式抗滑樁對滑坡進行支擋，懸臂樁設(shè)計截面為15002500，樁心距取4m，嵌入中風(fēng)化基巖不少于7m，樁總高度24m。樁長邊與主滑面方向平行，治理位置詳見圖5.3-1。n滑坡設(shè)計工況滑坡設(shè)計工況 根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范(DB50/5029-2004）,工況如下： 工況一：滑體重+建筑荷重+暴雨 工況二：滑體重+建筑荷重+地震 根據(jù)計算結(jié)果，第二剪出口的工況一為最不利工況，作為設(shè)計控制工況。25圖圖5.3-1 5.3-1 望江路滑坡斷面示意圖望江路滑坡斷面示意圖2

12、6滑帶土抗剪強度參數(shù)的概率統(tǒng)計滑帶土抗剪強度參數(shù)的概率統(tǒng)計 n根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范（DB50/143-2003），望江路滑坡處于弱變形階段，按暴雨設(shè)計工況控制，滑帶土抗剪強度指標(biāo)c、應(yīng)取飽和峰值強度指標(biāo)。 n因為試驗數(shù)據(jù)不足，本文利用第四章介紹的Bayes方法進行參數(shù)估計。由于地質(zhì)成因類似，可以認為這6組數(shù)據(jù)與前面統(tǒng)計的奉節(jié)重慶段滑帶土抗剪強度參數(shù)c、 來自同一分布總體， 即似然函數(shù)服從對數(shù)正態(tài)分布，其c、 的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為13.34，1.71；6.35，1.27。第四章奉節(jié)重慶段滑帶土抗剪強度參數(shù)的分布密度函數(shù)可認為是先驗的概率密度函數(shù)，其c、 的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：20.9，1

13、1.32；13.41，8.54。將、 和 代入式( 4.2.8)可得后驗的概率密度函數(shù)，其c、 的均值 和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：13.51，1.69；6.5，1.26。 n結(jié)果表明，采用Bayes方法優(yōu)化后該場地抗剪強度參數(shù)均值介于樣本均值和先驗均值之間，優(yōu)化后的標(biāo)準(zhǔn)差較樣本標(biāo)準(zhǔn)差和先驗標(biāo)準(zhǔn)差都要小，各參數(shù)的變異系數(shù)都有不同程度的降低。 27極限狀態(tài)方程與可靠指標(biāo)的計算極限狀態(tài)方程與可靠指標(biāo)的計算 2829一些規(guī)律性的研究一些規(guī)律性的研究 nc c、分布類型對分布類型對的影響的影響 30c c、均值對均值對的影響的影響31c c、變異系數(shù)對變異系數(shù)對的影響的影響32c c、的相關(guān)性對的相關(guān)性對的影響的

14、影響33三峽庫區(qū)堆積層滑坡目標(biāo)可靠度指標(biāo)三峽庫區(qū)堆積層滑坡目標(biāo)可靠度指標(biāo)的研究的研究 n目標(biāo)可靠度指標(biāo)目標(biāo)可靠度指標(biāo)的概念和確定方法的概念和確定方法 如果一個國家的各種設(shè)計規(guī)范的安全度理論都是基于概率的,那么各類結(jié)構(gòu)的安全度就可以通過可靠度指標(biāo)進行比較,同時,也就可以規(guī)定一個或幾個值,使絕大多數(shù)所設(shè)計的結(jié)構(gòu)都保證在這個水平之上。這個值,稱為目標(biāo)可靠度指標(biāo)。 目標(biāo)可靠度指標(biāo),即設(shè)計所預(yù)期的可靠度指標(biāo),理論上應(yīng)該根據(jù)各種結(jié)構(gòu)的重要性、失效后果、破壞性質(zhì)、經(jīng)濟指標(biāo)等因素以優(yōu)化方法分析確定,比如風(fēng)險水平類比法、最佳經(jīng)濟效益法等。目前限于統(tǒng)計資料不夠,且考慮到設(shè)計規(guī)范的現(xiàn)實繼承性。因而采用“校準(zhǔn)法”來確

15、定目標(biāo)可靠度指標(biāo)。 所謂校準(zhǔn)法,就是通過對現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的反演分析,搞清現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計總體的可靠度水準(zhǔn),并據(jù)此確定今后設(shè)計時取用的統(tǒng)一的可靠度指標(biāo)。這種做法,實質(zhì)上是從總體上繼承了現(xiàn)有的可靠度水準(zhǔn),因而是一種比較穩(wěn)妥可行的辦法。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)就是采用“校準(zhǔn)法”,根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范的平均可靠度指標(biāo)來確定今后設(shè)計時所采用的可靠度指標(biāo),即目標(biāo)可靠度指標(biāo)。34 35計算結(jié)果的整理與分析計算結(jié)果的整理與分析 36373839第六章第六章 三峽庫區(qū)堆積層滑坡治理設(shè)計的三峽庫區(qū)堆積層滑坡治理設(shè)計的 分項系數(shù)研究分項系數(shù)研究n滑坡治理設(shè)計時，直接以目標(biāo)可靠度指標(biāo)作為能否完成預(yù)定功能的度量指標(biāo)，這是比較合理的設(shè)

16、計準(zhǔn)則。但是這種以概率論為基礎(chǔ)的二階矩設(shè)計模式，要求每個工程的巖土指標(biāo)統(tǒng)計參數(shù)都必須預(yù)先給定。這給地質(zhì)勘察帶來了困難，對一般工程而言，目前尚不現(xiàn)實?？紤]到概率極限狀態(tài)的實用設(shè)計準(zhǔn)則，本課題將應(yīng)用基本變量標(biāo)準(zhǔn)值和分項系數(shù)表達的形式，所不同的是設(shè)計表達式中各分項系數(shù)不是根據(jù)經(jīng)驗，而是按概率的方法經(jīng)優(yōu)選確定的，體現(xiàn)了目標(biāo)可靠度指標(biāo)的要求。這樣，設(shè)計人員在進行滑坡穩(wěn)定分析時，無需進行概率方面的運算，就能使滑坡治理設(shè)計的可靠度指標(biāo)盡可能接近預(yù)定的目標(biāo)可靠度指標(biāo)。40c c、標(biāo)準(zhǔn)值的確定標(biāo)準(zhǔn)值的確定 41極限狀態(tài)設(shè)計表達式和分項系數(shù)的確定方法極限狀態(tài)設(shè)計表達式和分項系數(shù)的確定方法 n極限狀態(tài)設(shè)計表達式極限狀態(tài)設(shè)計表達式 42幾種常用的分項系數(shù)確定方法幾種常用的分項系數(shù)確定方法 n1.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GBJ6884）推薦的方法 不適合多個抗力基本變量分項系數(shù)的優(yōu)選。n2. 一般分離法 一般分離法雖然適合于多個基本變量分項系數(shù)的優(yōu)選，但要求極限狀態(tài)方程為線性，否則將無法分離。 n3. 設(shè)計驗算點法 設(shè)計驗算點法是一種以“理論分項系數(shù)”為中間媒介選定分項系