考虑参数空间变异结构的结构化交叉约束随机场模拟方法研究

斜坡岩土体抗剪强度参数的空间变异性具有一定的结构性。为研究岩土体参数空间变异结构对边坡失效概率的影响,依据变异函数的内涵推导出变程与相关距离的数学变换关系,并在此基础上提出了结构化交叉约束随机场模拟方法,用以模拟具有互相关性的参数随机场。建立了结构化交叉约束随机场计算模型,研究不同空间变异结构的抗剪强度参数对边坡失效概率的影响。研究结果表明:结构化交叉约束随机场可用于生成模拟具有复杂各向异性空间变异结构的参数随机场,由于考虑了随机偏差、条件数据和空间变异结构,能较为真实地反映地层实际参数,数据波动较条件参数插值场小。可靠性分析结果表明:不考虑抗剪强度参数空间结构分析易高估边坡的失效概率;考虑c′和φ′互相关性时,失效概率随着相关系数的增加而增加,当参数间呈负相关性时更容易高估边坡的失效概率。     

浅基础沉降可靠性的Neumann随机有限元分析

将随机土性分布参数模拟为随机场，用矩形和任意四边形局部平均随机场单元来离散随机场，对随机场离散技术和自协方差矩阵的组集方法进行了研究，提出了多维相关正态分布随机数的计算机模拟方法，同摄动随机有限元和直接Monte-Carlo随机有限元相比，Neumann随机有限元具有较好的计算精度和计算效率，研制了Neumann随机有限元的程度，考虑荷载变异性和土性分布参数的变异性，用Neumann随机有限元法进行地基沉降和非均沉降的概率分析。     

渗流场随机性的随机有限元分析

基于一阶Taylor随机有限元法,推导出相应的渗流场随机分析中渗流响应量（水头和水力梯度）的随机响应公式,进而实现三维稳定渗流场随机有限元分析,并编制了相应的程序。在分析中,将渗流区域材料的渗透张量视为三维各向异性随机场,利用三维可分离向量随机场的局部平均法对随机场进行离散,根据参数选取的不同,可以离散出不同数量的随机变量。最后,给出一个算例,对离散出随机变量数量不同的情况分别进行随机分析,将分析结果和仅仅将渗透张量视为三维随机变量得到的结果对比,验证了所提方法的可行性。     

约束随机场下的边坡可靠度随机有限元分析方法

目前边坡可靠度中常用的简化分析方法,不考虑边坡土体的空间变异性,每次计算整个边坡都取用相同的强度参数,由离散点试样试验得到的土体参数统计特性只能反映点特性,而边坡的稳定性受滑面上平均抗剪强度特性控制,因此,需要考虑空间范围内的平均特性。描述空间变异性的随机场理论对变异性较高的土体,实际上高估了其空间变异性。把随机场理论和地质统计中的区域化变量理论结合起来,建立约束随机场,并在此基础上进行Monte-Carlo随机有限元分析。计算实例表明,在高变异性条件下约束随机场能有效降低完全随机场的模拟方差,得到更低的破坏概率。对比了随机有限元和简化法的计算结果表明,简化法在土体强度变异性很高时其结果并非偏于保守。另外也指出了可靠度分析中存在的边坡尺度效应和简化法的适用条件。     

库水升降条件下考虑饱和渗透系数空间变异性的白水河滑坡渗流变形分析

堆积层滑坡的岩土体渗透系数具有一定的不确定性,且渗透系数是饱和-非饱和渗流分析的重要参数,开展考虑其空间变异性的库岸堆积层滑坡渗流变形分析具有重要意义。以三峡库区中的白水河滑坡为研究对象,基于地面核磁共振技术获取的岩土体渗透系数,分析滑坡体渗透系数的空间变异特征,采用半变异函数方法求得滑坡体渗透系数的竖直波动范围,在此基础上建立渗透系数的非平稳随机场模型。以非侵入式随机有限元的方式开展库水升降两种工况下不确定模型与确定模型的流固耦合模拟,分析两种模型的渗流场、位移变形特征及其差异。结果表明：相比于确定模型,不确定模型孔压改变的滞后性更为明显,且库水下降工况下整体的变形更大,若忽略滑体渗透系数的非平稳空间变异特征将会低估滑坡的实际变形。     

Bayes约束随机场下坝基溶蚀区随机模拟方法及其影响分析

基于完全随机场模拟溶蚀岩体可能会高估其空间变异性和不能有效地利用溶蚀以外的地质信息和实践经验,提出用Bayes约束参数随机场模型描述坝基溶蚀区的随机模拟方法。引入Bayes公式,对溶蚀区域岩土参数的统计特性进行修正,反映出地质勘测的新增地质信息和试验参数信息,建立约束随机场,并在此基础上进行随机有限元分析,研究坝基溶蚀对大坝结构性态的作用效应。计算结果表明,相对于完全随机场模型,Bayes约束随机场模型更为客观地考虑了溶蚀岩体的空间变异性,有效地降低了溶蚀参数完全随机场下结构响应的模拟方差。在概率分析过程中,推荐蒙特卡洛响应面耦合方法（MC-RSM）作为适用于复杂工程的随机模拟方法,该方法能够代替直接MC法对同样力学机制的不断重复,减小计算时间成本。     

库水升降条件下考虑饱和渗透系数空间变异性的白水河滑坡渗流变形分析

堆积层滑坡的岩土体渗透系数具有一定的不确定性,且渗透系数是饱和-非饱和渗流分析的重要参数,开展考虑其空间变异性的库岸堆积层滑坡渗流变形分析具有重要意义。以三峡库区中的白水河滑坡为研究对象,基于地面核磁共振技术获取的岩土体渗透系数,分析滑坡体渗透系数的空间变异特征,采用半变异函数方法求得滑坡体渗透系数的竖直波动范围,在此基础上建立渗透系数的非平稳随机场模型。以非侵入式随机有限元的方式开展库水升降两种工况下不确定模型与确定模型的流固耦合模拟,分析两种模型的渗流场、位移变形特征及其差异。结果表明：相比于确定模型,不确定模型孔压改变的滞后性更为明显,且库水下降工况下整体的位移变形更大,若忽略滑体渗透系数的非平稳空间变异特征将会低估滑坡的实际变形。     

苏中腹地湖相软土土性参数变异性统计描述

基于江苏中部某高速公路工程地质勘察所提供的大量室内试验测试数据,运用随机场理论,将土层剖面模拟为随机场而非传统意义上的随机变量,提出了基于随机场理论、考虑空间趋势分量的土性参数变异性统计方法,系统地统计分析了苏中腹地湖相软土土性参数的变异特性,对比了实验室物理性质指标参数、变形参数和强度参数变异性特征。统计结果表明,该地区软土实验室物理性质指标参数变异性较小,不存在明显的趋势分量,可用传统方法进行统计估计;实验室变形和强度参数存在明显的趋势分量,统计前需对数据进行回归分析和去趋势化处理,从而基于随机场理论进行统计分析。研究不仅提供了土性参数变异性统计的新方法,而且能对苏中地区工程建设提供必要的参考,为区域性软土土性参数随机场模型的建立打下了坚实的基础。     

GeoStudio软件在土坡饱和—非饱和渗流分析中的应用

在对饱和-非饱和渗流数学模型简要分析的基础上,对影响渗流有限元计算分析结果的一些参数选取方法进行讨论,如非饱和土的水土特征曲线、渗透系数及毛细水头等。利用GeoStud io软件对降雨条件下的土质边坡内部渗流场进行模拟,分析地下水位线、坡体饱和度、压力水头随降雨时间的变化规律。模拟结果与实际情况比较吻合,可为土质边坡稳定性的分析提供参考依据。     

甘肃永靖黑方台灌区潜水渗流场与斜坡稳定性耦合分析

渗流场与斜坡稳定性的耦合分析是揭示灌溉诱发型黄土滑坡机理的重要途径,也是后续开展基于水位的滑坡灾害风险控制的基础.在综合分析研究区地质结构和水文地质条件的基础上,以调查、钻探、测量、三维激光扫描和监测资料为依据,联合应用Visual Modflow和FLAC3D数值模拟软件,开展潜水渗流场与斜坡稳定性的耦合分析,模型计算结果与监测及野外调查结果吻合较好,潜水渗流场的演化对斜坡稳定性具有控制作用,随着潜水位的升高,台塬周边不稳定区域逐年增加,1990、2000和2010年焦家崖头附近最大位移值分别为0.85、1.19和1.80m.     

黄土高原北部坡面尺度土壤饱和导水率分布与模拟

为探明黄土高原北部坡面土壤饱和导水率(K_s)空间分布特征,为土壤水文过程模拟与预测提供理论依据,采用经典统计学和地统计学的空间变异分析方法,分析了坡面尺度土壤K_s的空间变异特征,并用一阶自回归状态空间模型对K_s的空间分布进行了模拟.研究区坡面尺度K_s的变异为中等程度变异,具有中等程度空间依赖性,变程为42 m.K_s与容重、砂粒、粉粒和黏粒含量在不同滞后距离下均具有自相关关系和交互相关关系.容重和土壤颗粒是影响坡面K_s空间分布的主要因素.状态空间模拟结果表明,基于容重和土壤颗粒的状态空间方程可以很好地解释坡面K_s的变异状况(R2>0.9).一阶自回归状态空间模型可用于田间条件下坡面尺度K_s分布特征的预测.     

考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元程序研制

探索考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元技术,并研制成功一个考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元程序,通过与传统极限平衡法分析结果对比研究,对抗剪强度折减有限元法分析边坡稳定问题的适用性进行了评价,得出采用三维强度折减有限元法确定考虑饱和-非饱和渗流场的边坡稳定性安全系数是可行的结论.     

Conditional random field reliability analysis of a cohesion-frictional slope

Discarding known data from cored samples in the reliability analysis of a slope in spatially variable soils is a waste of site investigation effort. The traditional unconditional random field simulation, which neglects these known data, may overestimate the simulation variance of the underlying random fields of the soil properties. This paper attempts to evaluate the reliability of a slope in spatially variable soils while considering the known data at particular locations. Conditional random fields are simulated based on the Kriging method and the Cholesky decomposition technique to match the known data at measured locations. Subset simulation (SS) is then performed to calculate the probability of slope failure. A hypothetical homogeneous cohesion-frictional slope is taken as an example to investigate its reliability conditioned on several virtual samples. Various parametric studies are performed to explore the effect of different layouts of the virtual samples on the factor of safety (FS), the spatial variation of the critical slip surface and the probability of slope failure. The results suggest that whether the conditional random fields can be accurately simulated depends highly on the ratio of the sample distance and the autocorrelation distance. Better simulation results are obtained with smaller ratios. Additionally, compared with unconditional random field simulations, conditional random field simulations can significantly reduce the simulation variance, which leads to a narrower variation range of the FS and its location and a much lower probability of failure. The results also highlight the great significance of the conditional random field simulation at relatively large autocorrelation distances.     

考虑参数空间变异性的非饱和土坡可靠度分析

在考虑多个土体参数空间变异性的基础上,提出了基于拉丁超立方抽样的非饱和土坡稳定可靠度分析的非侵入式随机有限元法。利用Hermite随机多项式展开拟合边坡安全系数与输入参数间的隐式函数关系,采用拉丁超立方抽样技术产生输入参数样本点,通过Karhunen-Loève展开方法离散土体渗透系数、有效黏聚力和内摩擦角随机场,并编写了计算程序NISFEM-KL-LHS。研究了该方法在稳定渗流条件下非饱和土坡可靠度分析中的应用。结果表明：非侵入式随机有限元法为考虑多个土体参数空间变异性的非饱和土坡可靠度问题提供了一种有效的分析工具。土体渗透系数空间变异性和坡面降雨强度对边坡地下水位和最危险滑动面位置均有明显的影响。当降雨强度与饱和渗透系数的比值大于0.01时,边坡失效概率急剧增加。当土体参数变异性或者参数间负相关性较大时,忽略土体参数空间变异性会明显高估边坡失效概率。     

降雨作用下煤系土路堑边坡稳定分析

基于掌握的降雨气象资料,利用非饱和瞬态渗流有限元程序对开挖后和风化后两种情况下的煤系土路堑边坡进行了降雨入渗坡体渗流场数值计算和分析。依据非饱和土力学强度理论,基于Morgenstern-Price方法,调用不同降雨时间的渗流计算结果,对两种情况下煤系土路堑边坡的瞬态稳定性进行了计算和分析。研究结果表明,水分在风化煤系土路堑边坡体内的渗透迁移对路堑边坡稳定性和最危险滑动面有时空影响;在煤系土路堑边坡降雨入渗和稳定性分析中考虑风化层较为合理。     

二维随机场下边坡稳定性的径向基函数神经网络分析法

岩土参数的随机性会直接影响边坡稳定性评价结果的精度。首先,依据边坡参数的常用分布特征,利用拉丁超立方抽样法生成若干组边坡土性参数和几何参数的随机样本,用有限元强度折减法求解各组样本对应的边坡安全系数。再考虑土性参数的空间变异性,在二维随机场模型下将蒙特卡罗模拟和有限元强度折减法相结合求解各组样本对应的边坡失效概率。然后,利用样本数据及其安全系数和失效概率对径向基函数（RBF）神经网络进行训练和测试,从而建立边坡安全系数和失效概率的预测模型。算例表明,二维随机场模型能相对精确地考虑参数的空间变异性;在此基础上建立的神经网络模型对边坡的安全系数和失效概率具有较高的预测精度,且能极大地节省边坡稳定性分析的时间。     

山区公路开挖边坡的稳定性研究及其工程治理──以大甘坪路堑边坡为例

针对山区修筑公路常遇开挖自然斜坡坡脚而诱发边坡失稳的情况,以大甘坪路堑边坡为例,对大甘坪粘土进行卸荷路径下的三轴试验,以获得边坡稳定分析的计算参数。对边坡开挖作非线性有限元分析,探讨边坡塑性区形态和确定滑移面位置。现场监测边坡在渗流期的地下水位变化,采用极限平衡法计算边坡的安全系数,并对其稳定性进行评价。根据有限元分析结果,提出了利用抗滑挡土墙支挡和树枝笼排水沟构成排水系统的边坡治理方法。     

Influence of spatial variability of permeability property on steady state seepage flow and slope stability analysis

In recent years, spatial variability modeling of soil parameters using random field theory has gained distinct importance in geotechnical analysis. In the present study, commercially available finite difference numerical code FLAC 5.0 is used for modeling the permeability parameter as spatially correlated log-normally distributed random variable and its influence on the steady state seepage flow and on the slope stability analysis are studied. Considering the case of a 5.0 m high cohesive–frictional soil slope of 30°, a range of coefficients of variation (CoV%) from 60 to 90% in the permeability values, and taking different values of correlation distance in the range of 0.5–15 m, parametric studies, using Monte Carlo simulations, are performed to study the following three aspects, i.e., (i) effect of stochastic soil permeability on the statistics of seepage flow in comparison to the analytic (Dupuit′s) solution available for the uniformly constant permeability property; (ii) strain and deformation pattern, and (iii) stability of the given slope assessed in terms of factor of safety (FS). The results obtained in this study are useful to understand the role of permeability variations in slope stability analysis under different slope conditions and material properties.     

泄洪雾雨作用下边坡饱和非饱和非稳定渗流研究

泄洪雾雨作用下的边坡岩体饱和非饱和渗流问题是目前我国西南地区在建和已建高坝所面临的一个共同问题。从理论上分析了雾雨作用下饱和非饱和介质中水分运动特征;根据饱和渗流和非饱和渗流的数学模型,建立起统一的岩体饱和非饱和非稳定渗流数学模型;编制了有地表入渗作用的饱和非饱和非稳定渗流三维有限元计算程序;对有限元求解中的容水度问题、非饱和水力参数问题以及初始水头场问题作了相应的优化处理;以实际工程为例进行了饱和非饱和渗流分析,计算结果表明,比天然降雨雨强大很多的雾雨入渗会形成对边坡稳定不利的暂态饱和区,并引起地下水位的抬高;暂态饱和区的大小和地下水位的增幅取决于边坡表面的护坡效应和排水、防渗帷幕等措施,因此应该加强边坡表面的保护以及合理的设置排水、帷幕等措施,以减少入渗和地下水位的抬高。