万县市区土体物理力学参数统计分析及其在边坡可靠度中的应用.doc

《万县市区土体物理力学参数统计分析及其在边坡可靠度中的应用.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《万县市区土体物理力学参数统计分析及其在边坡可靠度中的应用.doc（13页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流万县市区土体物理力学参数统计分析及其在边坡可靠度中的应用.精品文档.万县市区土体物理力学参数统计分析及其在边坡可靠度中的应用第17卷第3期重庆变通学晓1998年9月Vo1.17No.3JOURNALOFCHONGQINGJIAOTONGINSrn兀ESep1998万县市区土体物理力学参数统计分布及其在边坡可靠度中的应用渠时勤杨成渝(重庆交通学院可海工程系,4oO昕4)摘要丁UTU从收集到的295组,五家地质勘察院所做的万县市区土工宴驻资料,试图找出土体各参敷的分布以及相关关系,并仅用于可靠度法分析边坡的稳定.边坡安全程度的算倒说明,用确定性方

2、法计算是稳定的边坡也可能失稳,可靠度的计算方法能更客观的反应出边墟的安全程度关键词:圭堑垄垄生垒布,正态分布,p分布,堕失效概率.前言圾土力土坡稳定是土力学中的一个重要课题.随着三峡工程的顺利进行,万县市区移民搬迁,公路和城市建设规模扩大以及等级的提高,土坡稳定问题具有特别重要的意义.确定性的土坡稳定验算方法已经发展得程多.计算方法虽已比较成熟,但实际工程中的失稳事故仍屡见不鲜,给经济建设带来了巨大损失.究其原因,主要不在于计算方法的精度如何,而在于设计时是否充分考虑了各种变化的园素及其对土的参数的影响.在计算土坡整体稳定性安全系数时,所包含的各种园素均作为确定性数值,实际上,土的矿物,结构,

3、状态等均随空间,时间而有所不同,极为复杂,非均质的现象,其所反映的一些参数如,7等都具有一定的随机性.因而将土,荷载与计算模式都视为确定性的现象所求得的安全系数Fl,就不能定量的,客观的反映土坡的真实安全程度.归纳起来确值安全系数至少有以下两点不足:(1)常规安全系数不能客观的,科学的,定量的反映结构物的安全程度.由于影响园素往往是随机性的,用确定性的方法难以反映这种随机性变化因素的影响.因此用确定性的安全系数无法提供土坡实际可能的安全储备量以及潜在的失效概率.例如安全系数1.2,并不意味着该结构具有120%的安全.(2)对于不同的同题,或同一问题但计算方法不同,由于要求不一,计算精度不同,故

4、各自要求满足的安全系数限值也不一样.例如土坡稳定分析安全系数限疽为1.3,而接太沙收稿日期:1997一u一20攥对蕾5,男.1943年生.剜教授(硬士)第3期果时勤等:万善市压土体耪理力学参数统计分布压其在迫坡可靠度中的应用113基的极限荷载的计算公式求得的极限荷载,须除以3后作为地基的承载力,但这并不表明后者具有3倍的安全度.也不意味着地基承载力的确定比土坡稳定更安全可靠.故姥乏同一的标准,不便互相比较.综上所述可知,虽欲以安全系数表征结柯物的安全度,但由于安全系数是对大量不确定的因素进行确值分析计算的,故不能作为定量表示结构安全程度的尺度,只是从工程经验上对结构安全的一种解释.为了考虑土性

5、状与荷载效应的随机性,计算模式的可选性所引起的随机性,就需要对这类问题进行概率分析.由于确定性方法的姥点,土坡稳定的概率分析方法得到了重视与发展,成为一个十分活跃的领域.近年来,有许多新的发展,如土坡稳定的运动单元法uj,土坡可靠性的响应面法2,两个潜在滑动面之间的连续破坏概率l3】,破坏从滑动面上一点向其他部位扩展的转移概率【,考虑末端影响来确定不稳定区的长度【,土坡稳定的局部安全系数l6等.土质边坡的稳定,除了受随机不确定因素(如土体物理力学参数)的影响外,还受模糊不确定因素的影响(如地质结构,地貌特征,水文气象,人为活动等).随着模糊数学的发展,近年来模糊数学方法被应用于岩土边坡的稳定性

6、分析,产生了模糊聚类分析法,模糊综合评判法和模糊概率分析法.毫无疑问,模糊数学方法具有广随的应用前景.1三峡库区土体物理力学参数统计分布以及相关关系在用可靠度理论或模糊数学方法对土坡稳定进行分析时,首先要知道土体的物理力学参数统计分布以及相关关系.本文根据所收集的万县市区的295组土工实验资料,试作分布分析及相关分析.1.1数据的整理和样本参数估计I.I.I样本分姐区闱数的确定岩土参数实际上是一种连续变量,实测数据是从连续分布中得出的,然后把它们分配到一系列区间而变成离散的值,从而得到离散的经验分布.区间数日根据样本数量来定.区间数日N可以用Sturges公式估计M=1十3.31gN(1)式中

7、,N是样本容量数.如果M太小,可根据样本容量再调整,本文一般分为1O组.1.1.2样本参数估计根据统计理论,本文用矩法估计样本的一阶中心距(平均值)和二阶中心矩(方差),其结果列于表1.表1样本参数的点估计值密度压缩棋量舍水量%孔隙比塑限%塑性指数内磨攘角内聚力平均值20.23388.041120.25260.587618.325012.611215.754049.8889二阶矩1.14576.765917.35460.012910.8836l8.557747.2290737.150在岩土工程性质指标中,它们是从实验中获得的,许多实验表明,各个参数井不是互相独立的变量,有时还是密切相关的.根据

8、所收集到的资料分析,各参数之间的相关系数,列于表2.114重庆交通学挠第17卷袭2相关系数相关系数相关系数相关系数相关系数r()0.37606曲一0.55836一D.222536E|)o.59463r(c)一0.00556r(一0.5c,一0.16193r(60.15250e)一0.7C$121r(I0.29腿6r(,EO.373881.2样本的经验分布和拟合优度检验为了进行概率运算,还需要把经验分布拟合成一个概率模型.在岩土工程中正态分布用得最为普遍,这不仅是为了数学上处理的方便,而且亦为许多拟合检验所证实1213】.文献14】建议,在下列情况下,采用变异的口分布是合适的:如经过拟合优度检验

9、,否定了正态分布假定;虽然经过拟合优度检验,说明在5%显着水平上,这些参数能作为正态分布变量,但它们的尾部与正态分布差别过大:设计参数具有明显的有限范围,用正态分布假定会对所计算的问题带来过大的误差;试验数据的分布具有明显的不对称性.p分布是一种适应性非常广泛的模型,适当调整它的两个参数,可以拟合各种有规律的连续型随机变量的分布.B分布的概率密度函数为,L一,一【1十叶)(一)(b)(2)B(a+1,)=(3)n口>一1,>一1式中,n和6分别为有限分布范围的下限和上限;a和为分布的尺度参数;B(十1,B十1)为beta函数;r()为Gamma函数;尺度参数和口是用实测数据来估计的

10、f1,可以由(4),(5)两式联立求解,分别计算各个统计量的和口值列于表3一星【兰=璺,n十8+26一口3=告(d十+2)(d+口十)一(b一)袭3p分布的a和值密度1压缩模量含水量孔隙比塑限塑指1内磨擦角内聚力2.6702f1.82992.14262.38812.08952,293J0.5950820.128591.935115.4110.4.29514.93055.84343.?/40l1+794991.79175现以同一组数据,对土体最重要的物理力学参数内磨擦角和内聚力分别按正态分布和0分布进行拟合优度检验.对于p分布,各区间的理论概率可以用下式计算.口=嵩踹(墨口(6一式中,N为样本分

11、组数.正态分布的各区间的理论概率可以用下式计算如(6)(7)第3期栗时勤等:万县市区土体物理力学参数统计分布厦其在迎坡可靠度中的应用115式中,u,分别是随机变量的平均值和标准差表4内磨擦角P分布拟台优度检验分组区间平均值衍(觑一衍)Prl38.00034.37036.12500.00560.003220.001971234.37030.74032.48570.02870.020250.003兜6330.74027.11029.30570.04750.042卯0.000477427.1l023.48025.13190.05420.078790.007674523.48019.85021.694

12、10.09150.109660.003007619.85016.2如18.26400.13560.138l10.000046716.2如12.59014.32080.16950.162920.000266812.5908.96010.68750.22030.17l990.01356398,96Q5,3307,2鹌80.16000.159700.000O06105.3301.7004.10000.08410.112490.007165台计0.99701.000000.037701统计量D=2950.037701=ii.122<菇.05:14.07表5内凝聚力分布拟台优度检验分组区间平均值A

13、(A一衍)/Prl113.5000102.1950113.50000.00340.0017890.001450712102.195090.890095.55560.01050.01,460.00033366390.890079.585085.190.02370.079910.00065781479.585068.280073.70180.02730.0500550.00325022568.280056.975064.14290.06370.0730180.00118910656.975045.670050.67540.10860.1091200.Oo082359745.670034.36503

14、9.51710.18640.14l6090.00082359834.365023.060030.23660.1490.1690060.01416741923.O600l1.755017.31190.26440.如34280.002321081011.75500.45005.75370.16270.2148400.01827469合计0.99991.0034000.04329186统计量D=2950.043291859=12.771<菇.=14.07表6内磨擦角正态分布拟台优度检验分组区间APr(一衍)VPr138.000034.3700o.00560.0037330.0009337502

15、34.370030.74000.02870.0127330.020022389330.740027.11000.04750.0345470.004856578427.110023.48000.0540.0745760.005567225523.4800l9.85000.09150.1280840.010449307619.850口16.22000.13560.1750360.008鹋50187l6.22O012.59000.16950.190330.0022880812.59008.96000.23030.16468400l878227098.96005.33000.16000.1433810

16、.00l926274105.33加1.70000.08410.073l090.00l652355合计0.99701.0000.075355249l16重庆变通学院第17卷统计量D=2950.075355=22.23>菇.os=14.07袭7内凝聚力正态分布拟台优度检验分组区闻A卸(A一抑)/Prlll3.5000102.19500.00340.00112460.0046038l2102.195090.89000.01050.00470000.00715744390.890079.58500.0拼0.015688l0.00409167479.585068.28000.02730.04136

17、760.00478387568.勰帅56.97500.06370.086238l0.00589027656.975045.67000.10860.14204800.00787599745.670034.36500.18640.18492l00.00001182_834.365023.06000.14920.19026900.00886462923.0600ii.75500.26440.15473300.0777264710l1.75500.45000.16270.050+l7723987合计0.99990.88086190.29824583统计量D=2950.29825=87.98>菇=

18、14.07由(表4表7)分布拟合优度检验可见,内磨擦角和内凝聚力满足口分布,而不满足正态分布.2土坡可靠度分析算例万县市沙龙路+420处,原始段面如图1所示,按Bishop法,圆弧滑动的定值安全系数:1.677,开挖后坡脚高度为4m(如图虚线所示),圆弧滑动的定值安全系数FI=1.185,边坡理应还是稳定的.事实是在暑旱季节边坡失稳,产生较大范围的圆弧滑动(如图1所示),滑面干燥,无水作用的迹象.现以上面分析所得的参数,按照国际结构安全度联合委员会(JCSs)采用的JC法(即R.F法),编写计算程序进行分析.对开挖后的边坡计算结果列于表8.表8圈1遗坡可靠度计算堵果分布类型参数一阶矩(FOPa

19、4)失效概率P,二阶矩(SORM)失效概率不相关0.7200.2356190.7430.228.703正杰分布相关O.7200.2356180.7280.233459不相关0.00.2677820.7跎0.217007B分布相关0.6030.2731770.7910.214472从以上计算结果可以看出:(1)边坡开挖后,按确定性方法计算=1.185,边坡还应是稳定的,但是,按可靠度理论计算,失稳概率高达20%以上,失稳可能性极大,这与事实相符合(事实是该边坡已产生圆弧滑动).(2)本算例中正态分布的失效概率和卢分布的失效概率相差不大,按正态分布计算的失效概率偏大.(3)当失效概率较大时,正态分

20、布和分布的失效概率相差不大.但当失效概率较小时,两种分布的失效概率差别增大.如图2所示的锲体滑动的情况,确定性方法计算F.=2.859,正态分布和口分布的失效概率列于表9.第3期果时勤等:万县市区土俸特理力学参数统计分布夏其在边坡可靠度中的应用117表9圈2边坡可靠鹰计算结果分布类型参数一阶矩(FORM)失效概率二阶矩(SORM)失效概率不相关148900681881.4950.067493正态分布相关1.4490.0736121.4540.073005不相关1.5010.0667埔1.6610.048312分布相关1.00.0.0667731.6610.048312从表9可以看出,正态分布的

21、失效概率偏大51%.田1+420横段面国3结论田2+480横段面囝(1)按确定性方法计算稳定的边坡仍然可能会失稳.将土,荷载与计算模式都视为确定性的现象所求得土体边坡的安全系数Fi1不能客观的反映土坡稳定性的真实安全程度.考虑到土性状与荷载效应的随机性,计算模式的可选性所引起的随机性,就需要对土体边坡这类问题进行概率分析.(2)作者根据所收集到的万县市区295组土工实验资料分析得出,最重要的土体力学参数内凝聚力和内磨擦角的分布不满足正态分布,与口分布符合较好.(3)在失效概率较大时,正态分布和p分布差异不大,但是,当失效概率较小时,失效概率差异增大,当小于10量级时,失效概率差别显着【15,按

22、正态分布计算的失效概率偏大.在条件许可时,应选用多种分布进行计算当边坡范围大而结构复杂时,应采用模糊数学分析法.(4)影响土体边坡稳定的土体本身曲主要因素是土体内凝聚力和内磨擦角,土体客重变化的影响不大.(5)l殖着三峡工程顺利进展,万县移民,城市建设,道路和码头建设已大规模展开,不可避免的是大挖大填.三峡库区土体物理力学参数变易较大,各个参数的分布也不容易获得或确定,最好能收集趸多的试验数据,统计分析,得出它们的分布,供设计使用.参考文献1G|娅煳P.曲ab出s如ry叻dKinomatJcs捌咖锄cMetho.Ptoceed/ng儿mntat/oadConiereneeS甜MandFound

23、ationsEreeagVol2.19852WongFSReliabilityandResponseSurkaeeMethod.AScE.GT1,Vd.111:.19853tuyRN.SativeFailm-A.b蛐cA弭忧achRocee曲幢iiIntentionalCbntemceSollMeehanandFoundatlo-aEngg.Vo1.2.19854ChowdhyRN.ProbcModel0fProgreasiveFaureofSl.pe.ASa.18.GT6.118重庆变通学院第17卷1982CalleEOF.PrdoabilisticAnalsoStability0fEart

24、hSlope.ProceedinglInternationalCon.fezeneeSoilMechanicsandFctmdatioasF.neenng.Vo1.2.1985DAleaRN.SMetyFact.sforPrdilisficSlopei匦.ASCEVo1.108,GT9,1982冯德益.模糊数学方塞与应用.北京:地震出版社.1983何广讷.土工的若干新理论研究与应用.北京:水利电力出版牡,1994李文秀.岩土边坡稳定性模糊测度分析.岩土工程.1996.18(2)冉恒谦等斜坡稳定性分析一模蝴综台评判中国地质灾害与防治,1997.8LeeIK.,WlRitW.Ingles0G.Ge

25、otechNcalEngin.1983UmhP.VariabilitydNatur1scd.oma出叽GetechnicalJxna1.1966,3(2)高大钊.岩土参数的变异性及其分布.岩土力学参数的分析与解释讨论会文集.1986高大钊.土力学可靠性原理.北京:中国建筑工业出版社.1989赵国藩.曹居易,张宽权.工程可靠度北京水力电力出版社.1988ProbabilisticAnalysisofSoilPropertiesandItsApplicationtoReliabilityofSlopStabilityQuShlqingYangChertgyu(DepartmentofRiver&a

26、mp;0唧nEngineering.a醐Lr】gJronghb血ute,4O0O74)Ahstrac1epaperpresentsprobabilityanalysis0fearthcharacteristicsinterritoryoftIIeThreeGorgesProjectththehelpof295groupdataandshowsthat口distributinonofcandmaybemoleappreciatedthantheNormalDistribution,TheexampleindicatestI】atthestableearthslop.determinedbyspe

27、cifiedsollpropertiesisallunstablewiththeaimofreliabilitytheory.DuetOtheT1reeGorgesproieetsmoothdevelopment.thereisaneed幻collectrnoresoilmechanicsdatatoachieveassessmentofsoilpropertiesandtheirdistributionsoas幻gsureear小slopstableforresidentrelocation,Nfilding,harborandhighwayreconstruction.Keyword:soilproperties,normaldistribution,distribution,reliabilhytheory,probabilityDffailure56789加uH巧