[发明专利]一种高效边坡可靠度分析方法

说明书

本发明涉及边坡工程领域，特别涉及一种高效边坡可靠度分析方法。包括以下主要步骤：1、边坡稳定性确定性分析；2、岩土参数的空间变异性模拟；3、利用K‑均值聚类分析方法识别代表性滑面；4、建立代表性滑面的响应面函数关系式；5、计算边坡可靠度指标或边坡失效概率。相较于现有的边坡可靠度计算方法，该方法是一种简单、高效且对不同统计参数相对稳健的代表性滑面识别技术方法，不仅可以提高基于代表性滑面的边坡可靠度分析方法计算效率，而且可望有效促进可靠度分析方法在边坡设计中的应用，具有一定的理论创新意义与工程实际价值。

技术领域

本发明涉及边坡工程领域，特别涉及一种用于边坡可靠度高效分析的计算方法。

背景技术

边坡稳定性分析研究的对象是岩体或者土体，但岩土体在其形成的整个历史过程中，往往经受了各种复杂的地质作用，因此有着复杂的结构成分。然而，实际工程设计中，往往只有部分岩土体被用来进行原位试验或者室内试验，以确定岩土体的物理力学性能。显然，这种操作或过程会不可避免地导致获得的岩土体物理力学参数存在着不确定性(如认知不确定性、系统误差等)。进而，这些参数的不确定性会传播至边坡稳定性分析过程中，导致最终的边坡稳定性分析结果存在不确定性。

传统的边坡稳定性分析方法基于均值设计参数来计算边坡的安全系数，以衡量边坡的安全状态，显然低估了边坡稳定性分析结果的不确定性，从而影响工程师对边坡实际安全状态的评估。基于统计学与概率论的可靠度分析可以有效量化上述不确定性，因而具有重要的理论价值与现实意义。

基于极限平衡分析条分法的蒙特卡洛模拟法是目前理论上运用的比较成熟且稳健的边坡可靠度分析方法，但该方法计算效率十分低下：一方面是因为条分法计算边坡安全系数时需要事先假定大量的滑面，再从中优化搜索临界最危险滑面；另一方面是因为蒙特卡洛模拟次数通常较多，如成千上万次。因此，文献中近年来发展了许多提高边坡可靠度分析效率的计算方法，如响应面法、代表性滑面法和方差折减法。其中，以代表性滑面法原理最为简单、直观，同时兼顾计算效率与精度优势，因而在边坡可靠度分析方法研究领域具有一定的发展空间。通过文献调研，已有的基于代表性滑面选择的方法主要存在以下两个突出问题未能解决：其一，代表性滑面识别过程复杂繁琐，需要计算可靠度指标等中间辅助变量或者指定不同滑面间的相关系数阈值(参见文献1、2)或指定代表性滑面组数(参见文献3、4)，文献1(Li L,Wang Y,Cao Z.Probabilistic slope stability analysis by riskaggregation[J].Engineering Geology.2014,176:57-65.)；文献2(Zhang J,Zhang LM,Tang WH.New methods for system reliability analysis of soil slopes[J].Canadian Geotechnical Journal.2011,48(7):1138-1148.)；文献3(Li L,Wang Y,CaoZ,Chu X.Risk de-aggregation and system reliability analysis of slopestability using representative slip surfaces[J].Computers andGeotechnics.2013,53:95-105.)；文献4(Jiang SH,Huang J,Yao C,Yang J.Quantitativerisk assessment of slope failure in 2-D spatially variable soils by limitequilibrium method[J].Applied Mathematical Modelling.2017,47:710-725)；上述文献中报道的技术不够智能，难以广泛推广应用；其二，识别的代表性滑面不具有统计意义上的普适性，即可能会随参数的统计特性变化而变化，因而针对不同统计参数需要进行多次重复识别，进而造成计算资源的浪费，不利于进行工程中通常需要的参数分析(参见文献5)，文献5Jiang SH,Li DQ,Cao ZJ,Zhou CB,Phoon KK.Efficient system reliabilityanalysis of slope stability in spatially variable soils using Monte Carlosimulation[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering.2015,141(2):04014096。