考虑地层变异的边坡稳定不确定性分析

目前涉及岩土体不均匀性的岩土问题可靠度分析大多只考虑岩土体的固有变异,即岩土体特性参数的不均匀性,未考虑涉及不同岩土体材料的地层变异。地层变异在实际滑坡中广泛存在,其表现为不同类型岩土材料(如黏土、粉土、砂土)的互相嵌套,或一种类型岩土体在另一种较均质岩土体中的随机分布。为此,提出了利用钻孔资料评估考虑地层变异时边坡稳定不确定性的分析方法。根据已有钻孔资料设计了不同的钻孔布置方案,建立了表征地层变异的马尔可夫链模型,采用有限元强度折减法进行边坡稳定性分析,探讨了钻孔布置方案对评估边坡稳定安全系数和失效概率不确定性的影响。以澳大利亚珀斯市钻孔资料为例,分析了所提方法的有效性。结果表明,钻孔布置方案对边坡稳定安全系数和失效概率的不确定性评估有重要影响。考虑地层变异时,边坡稳定安全系数可以用Johnson分布来描述;边坡稳定安全系数统计量和失效概率不一定随钻孔数量增加而单调变化,边坡影响区域以内钻孔对评估边坡稳定安全系数的不确定性最为有效;当钻孔数目逐渐增加时,边坡安全系数均值逐渐收敛至精确值。     

考虑计算参数不确定性的边坡稳定分析

岩土体当中存在大量的不确定因素,给边坡的稳定性分析判断带来了困难。在分析了计算参数的不确定性是影响分析可靠性的主要原因的基础上,运用模糊集理论考虑计算参数的不确定性,提出了模糊参数的具体构造方法和边坡稳定的不确定性分析思路。该方法可以根据不同隶属度下的参数截集区间,计算出相应隶属度下的安全系数区间,并可由此得到边坡的可靠性指标和安全系数建议值。通过不同算例研究表明,使用此方法能充分考虑计算参数的不确定性,得到的安全系数更加科学可靠。     

深厚软土地区基坑墙底抗隆起稳定性Prandlt计算式的讨论

深厚软土地区采用Prandlt公式计算基坑抗隆起稳定性常常不满足规范要求,给基坑支护设计带来较大困惑。本文在分析基坑开挖与Prandlt公式计算地基极限承载力的力学边界条件差异的基础上,指出采用Prandlt计算式、临界宽度法和计入基坑内侧土体抗剪强度等改进计算方法的不足,提出同时考虑基坑支护体内外两侧土体抗剪作用的改进计算公式。通过对4个计算公式各参数的敏感度分析,发现内摩擦角是影响基坑墙底抗隆起稳定性的首要因素,基坑挖深和支护体插入深度是主要影响因素,土体黏聚力是次要影响因素,土体重度的影响可以忽略。软土内摩擦角较小,在基坑挖深一定的条件下,只有通过加大支护体插入深度才能保证基坑墙底抗隆起稳定性,因此,考虑基坑支护体内外两侧土体抗剪强度的有利作用可合理优化基坑支护设计。本文通过工程实例研究,验证了计入基坑支护体内外两侧土体抗剪强度作用的合理性;同时,根据浙江软土地区多项工程墙底抗隆起稳定安全系数计算结果的统计分析,指出目前规范取值标准偏高,在软土地区不尽合理,建议在积累工程经验的基础上,适当降低规范计算方法的标准限值。     

滨海软基上膜袋围堰稳定性分析及沉降预测研究

根据软土地基上膜袋围堰自身特性,考虑土工膜袋纵向抗拉强度的影响,建立了膜袋围堰整体稳定性分析模型,定量研究了土工织物膜袋抗拉力、袋内填充土体强度参数以及膜袋充填厚度对围堰整体安全系数的影响。对膜袋围堰场地进行了现场沉降观测,根据室内软土的固结试验和渗透性试验,结合观测数据对常值参数灰色模型预测方法进行修正,利用修正模型对围堰的长期沉降进行了预测。研究结果表明：围堰整体安全系数随着土工织物膜袋抗拉强度及袋内填充土体强度参数的增大显著增加;随着膜袋充填厚度增大,围堰整体安全系数先迅速降低,后趋于稳定。软土地基的固结特性与其长期沉降有紧密关系,实际预测时应根据不同软土的固结性质选取沉降预测模型,以提高预测精度。     

基于Terzaghi假定的基坑抗隆起稳定性计算方法研究

本文根据Terzaghi地基承载力理论,针对基坑隆起破坏时土体向基坑一侧滑移失稳的实际情况和地下水渗流对基坑稳定性影响,对Terzaghi法确定基坑抗隆起安全系数做了相应的改进,推导出新的计算抗隆起稳定安全系数方法。对影响基坑抗隆起稳定问题的因素进行了参数分析,并通过工程实例计算分析,证明新的计算方法提高了基坑抗隆起稳定设计的可靠性。     

参数变异性对围护结构稳定性影响分析

利用可靠度分析方法代替传统的安全系数法来分析基坑围护结构的整体稳定性,考虑岩土参数的不确定性和空间变异性,对土性参数进行空间折减可显著提高可靠度分析的精度。结合工程实例,分析了参数均值和变异系数对基坑整体稳定性可靠度指标的影响。分析表明,可靠度指标β对土体黏聚力c、内摩擦角φ、地面超载q及支护桩嵌固深度hd的均值变化的敏感性较安全系数K对上述参数的敏感性强;c、φ及hd值的变异性对β值影响较大,地面超载较大时,其变异性对β影响较为显著;采用可靠度指标β评价基坑整体稳定性较安全系数K更加合理。     

超前支护下隧道掌子面稳定性极限上限分析

软弱围岩隧道施工中,常采用超前支护确保隧道施工的安全。为了评价超前支护下隧道稳定性,建立了超前支护作用下截锥体、对数螺旋线共同破坏模型,基于极限分析上限法和综合强度折减法并考虑初期支护未支护段的影响,推导出了隧道稳定安全系数的目标函数,并利用Matlab编制程序求解该函数以此判断隧道稳定性。与模型试验结果和已有理论研究成果对比分析,验证了计算方法的合理性,同时分析了影响隧道稳定安全系数的各个因素。研究结果表明：围岩黏聚力、内摩擦角的增加,掌子面锚杆、拱部超前支护的施作对提高围岩稳定性有显著的作用,而初期支护未支护段长度、开挖高度的增加不利于围岩的稳定;在围岩内摩擦角较小时,分台阶开挖降低开挖高度提高隧道稳定性的效果更好;在围岩内摩擦角较大时,掌子面锚杆加固强度的增加对隧道稳定性提高的作用更显著。最后给出了超前支护的施工设计建议图,可为工程中初步确定超前支护参数和施工方法提供参考。     

路堤边坡稳定可靠度计算中的模型不确定性分析

基于均质路堤边坡Monte Carlo法的稳定可靠度计算,分析了临界滑面搜索策略和稳定分析方法两类模型不确定性对边坡可靠度的影响特性,讨论了边坡失效概率随土工参数变异性的变化规律。研究表明,选用不同的临界滑面搜索策略所得可靠度结果差异不大,参数滑面法（overall slope）的失效概率略大于均值滑面法（global minimum）,但差别对边坡稳定性分析没有实质性影响;土性参数变异水平是影响边坡可靠度的最重要因素,边坡在相同设计参数安全系数下的可靠度指标随参数变异性增大而急剧降低;不同稳定性分析方法对应的安全系数概率密度函数曲线形态基本一致,但失效概率差异明显,因此目标可靠度指标取值应与稳定性分析方法相适应。提出的考虑土工参数变异水平的安全系数取值修正原则,对改进确定性设计的边坡稳定分析技术有积极意义。     

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。     

基于贝叶斯方法的船坞双排钢板桩围堰整体稳定性可靠度分析

双排钢板桩围堰的整体稳定性具有较大的不确定性,同样安全系数情况下对应的失稳概率可能不同。为了更准确地分析双排钢板桩围堰的整体稳定性,降低稳定性分析中的不确定性,采用贝叶斯方法对船坞双排钢板桩围堰的整体稳定性进行可靠度分析。首先通过统计数据获取土体参数的先验分布,然后基于实测数据采用贝叶斯方法更新参数以得到后验分布,最后根据参数的后验分布采用一次二阶矩计算围堰结构的可靠度。贝叶斯方法从理论的角度解决了已有工程经验和实际案例数据两方面信息有效综合的问题,能在更接近实际情况的前提下进行可靠度分析。     

盾构高水位下施工开挖面稳定性分析

盾构在有地下水和无地下水地区开挖有很大的不同,特别是在高水位下施工时,因为渗透力的影响可能会引起工作面的不稳定,而在实际工程中,这种影响很少被考虑,从而低估了盾构施工的风险。本文根据渗流场和温度场的相似性,将ANSYS软件的温度场分析功能应用于渗流场的分析,并利用ANSYS软件自带的APDL参数化语言开发渗流力计算模块,渗透力首先在流场进行计算,然后将其作为应力边界条件施加于各节点进行应力和变形分析,探讨渗流力的存在对盾构隧道开挖面稳定的影响。基于此,作者提出一种考虑渗流的新的开挖面稳定性分析方法,使盾构水下掘进的设计施工更加合理。     

Probabilistic analysis of three-dimensional tunnel face stability in soft rock masses using Hoek–Brown failure criterion

This paper investigates tunnel face stability in soft rock masses via coupled limit and reliability analyses. Specifically, a 3D face collapse mechanism was first constructed. Then the Hoek–Brown failure criterion was introduced into the limit analysis via the tangential technique. Taking the variability of rock mass parameters and loads into consideration, a reliability model was established. The collapse pressure and failure range of tunnel faces were determined. In addition, the required factor of safety (FS) and supporting pressure under three safety levels were obtained, and the corresponding safety level graphs for support design were presented. Comparison of the obtained results with previous work demonstrates the rationality of the 3D collapse mechanism and the validity of the results. A decrease in the geological strength index, Hoek–Brown parameter m_i, and uniaxial compressive strength or an increase in the disturbance factor results in a nonlinear increase of the collapse pressure and an enlargement of the failure zone. Such changes also lead to a nonlinear increase of the required support pressure under a certain safety level. By contrast, the FS does not exhibit any obvious change when these parameters vary. Therefore, when a rock mass is of poor quality or heavily disturbed, the advance support should be enlarged from upper front to right above the tunnel face. Moreover, as the safety level increases, both the required FS and supporting pressure of the tunnel face increase nonlinearly at a higher rate.     

上覆流沙层隧道开挖面稳定性分析与数值试验研究

为解决上覆流沙层隧道开挖面极易发生坍塌破坏的技术难题,以典型该地质条件下的青岛地铁M2号线啤苗区间（啤酒城站至苗岭路站）为研究对象,基于开挖面的实际破坏特征建立了开挖面失稳破坏力学模型,从功能转化平衡角度,进行了隧道开挖面稳定性上限分析,并利用强度折减与重力加载两种方式,提出了隧道开挖面安全系数,得到了不同开挖面土体黏聚力、摩擦角、重度、隔水层厚度及隧道开挖高度下的临界土体破裂范围及破裂模式。理论研究表明：随着开挖面土体黏聚力、摩擦角、隔水层厚度等参数的增加,开挖面安全系数不断增大,稳定性不断提高;随着土体重度、隧道开挖高度增加,开挖面安全系数不断减小,稳定性不断降低。通过建立不同工况的数值模型验证了理论研究的正确性,得到了上覆流沙层地质条件下开挖面的典型破坏模式和临界参数,并提出了相应工程建议。研究成果为青岛地铁M2号线的顺利贯通及该类地质条件下的隧道施工提供了理论指导和科学对策。     

柱下独立基础稳健性设计与分析

岩土工程随机参数统计特征的不确定性,使得岩土工程可靠度设计存在一定风险。岩土工程稳健性设计能够充分考虑随机参数的不确定性结合结构安全性、稳健性和经济性实现最优设计。针对随机参数统计特征的不确定性对柱下独立基础设计的影响,基于可靠度理论和岩土工程稳健性设计方法,考虑岩土参数、混凝土和钢筋材料力学参数统计特征不确定性的影响,以独立基础几何尺寸作为可控设计参数进行设计分析。将独立基础地基承载力、地基变形、基础结构冲切破坏和基础弯曲破坏4种失效模式视为串联系统,进行多失效模式下的结构体系稳健性设计,分析了多失效模式下结构几何参数与结构体系可靠度的关系。结合稳健性和经济性,进行了独立基础多目标优化设计,确定柱下独立基础设计的最优解。     

考虑孔隙水压力及非线性Mohr-Coulomb破坏准则下浅埋土质隧道三维塌落机制的上限分析

浅埋土质隧道的稳定性研究一直是隧道工程的关键问题,而孔隙水压力的存在影响着浅埋土质隧道的安全。构建了隧道顶部为圆弧形的浅埋土质隧道的三维塌落机制,基于非线性Mohr-Coulomb破坏准则和极限分析上限法,并考虑孔隙水压力的作用,推导出浅埋土质隧道的塌落范围及支护力的最优上限解计算公式。通过与既有研究进行对比,验证了所提方法的合理性。分析了不同参数对塌落范围、塌落土体的重力及支护力的影响,结果表明:孔隙水压力对浅埋土质隧道的塌落范围、塌落土体的重力及支护力有着显著的影响;孔隙水压力对塌落范围、塌落土体重力的影响比较复杂,而支护力都随着孔隙水压力系数的增大而增大;不同参数对浅埋土质隧道的塌落范围、塌落土体的重力及支护力的影响规律不同。新方法可为浅埋土质隧道的设计优化提供理论支撑。     

Stability analysis of the slope around flood discharge tunnel under inner water exosmosis at Yangqu hydropower station

The stability of the slope around a flood discharge tunnel is influenced by the space topography, the geological structure, the seepage of the flood discharge tunnel, the rainfall and so on, which introduce complexity and uncertainty to the problem of slope engineering. For slope stability analysis at the outlet of a flood discharge tunnel affected by high interior hydraulic pressure, the inner water exosmosis (IWE) phenomenon will become obvious, the rock’s mechanical properties will be changed, and the seepage effects of the flood discharge tunnel should be focused on. In this paper, a complicated three-dimensional (3D) numerical simulation and safety assessment of the slope around the flood discharge tunnel at Yangqu hydropower station is implemented in FLAC^3D, and 3D slide arcs of good shape are obtained. When calculating the safety coefficient of slopes, the Shear Strength Reduction Technique (SSRT) is adopted, and a factor of safety (FOS) is then found. It is found that the FOS of the natural slope is 1.43 in its original condition, and in this case, the slope is in a stable state. The safety factor of the slope is 1.30 after the slope excavation without considering IWE. Under the condition of normal seepage from inside the tunnel to the outside, the safety factor is 1.29. For investigating the influence of IWE on the slope stability, we design three types of scenarios – minimal seepage, normal seepage and serious seepage – for the fluid–solid coupling calculation. Under the serious seepage condition, the safety factor of the slope is 1.26, and it is in a critical failure state. It should be pointed out that uncertainties in input parameters are not researched in this paper. There is not big difference among safety factors under different scenarios mainly because the maximum of inner water head of the flood discharge tunnel is only about 80 m. It still can be found that seepage action has an effect on the stability of the whole slope from calculation results. The stress concentrated region (SCR) near the surrounding rock grows from inside to outside as the seepage intensity increases. The surrounding rock will experience more water pressure and seepage pressure, and, at the same time, the area of the plastic zone grows. Suitable treatments and suggestions are discussed to eliminate the adverse effects of IWE. The research results in this paper can provide a reference for construction, reinforcement and drainage design of the slope in similar hydropower slope engineering scenarios.     

Confidence level-based robust design of cantilever retaining walls in sand

Reliability-based geotechnical design entails accurate sample statistics (i.e., mean and standard deviation or coefficient of variation, denoted herein as cov) of soil parameters. However, the cov values of soil parameters are difficult to determine with confidence due to the limited availability of high-quality data and inherent spatial variability. As a result, estimated cov values of soil parameters can vary within a wide range, which can result in overdesign or underdesign. In this paper, a confidence level (CL)-based method is proposed to address the problem of geotechnical design in the face of uncertainty. Here, CL is a measure of confidence that the target reliability index will be satisfied in the face of uncertainty in the estimated cov. The proposed method is demonstrated through the design of a cantilever retaining wall in sand. To ensure the practicality of the proposed method, a simplified approach was developed, which requires little extra effort over that required for traditional reliability-based design. To develop the CL-based method further, a metric called the “true reliability index” is proposed, which is the actual reliability index in the face of the uncertainty in the estimated parameter statistics (mainly cov).     

泥浆渗透对盾构开挖面稳定性的影响研究

泥水平衡盾构开挖时,泥浆与开挖面上的土体会形成一层不透水的泥膜,以便泥浆压力有效地作用在开挖面上。但由于刀盘的不断切削,泥膜并不能完全地阻止泥浆对前方土体的渗透,特别是在渗透性较大的砂性土体,或在特殊地质条件下出现泥浆与土体性质不匹配的时候。这种渗透将会减小泥浆对开挖面的支撑作用,过剩泥浆压力将以渗透力的形式作用于开挖面土体。为了定量考虑渗透对开挖面稳定性的削弱,提出了针对泥水平衡盾构开挖面稳定性的泥浆渗透模型。结合极限平衡法的村山公式,考虑泥水的渗透区域与滑动面之间的几何关系对泥水压力进行折减,得到了泥浆渗透模型的开挖面稳定性安全系数,并采用此渗透模型探讨了泥浆渗透对开挖面稳定性的影响。通过与工程算例对比分析表明,实际工程中所需的泥浆压力明显大于“薄膜模型”的计算结果。因此,采用渗透模型进行开挖面稳定性分析是合理、有效的。