【摘要】：我國(guó)西南地區(qū)已建、在建和即將開(kāi)工建設(shè)一大批水電工程,這些水電工程的邊坡高達(dá)百米甚至上千米,邊坡失穩(wěn)將不僅會(huì)危及工程安全,而且會(huì)給人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失,因此,高陡邊坡的穩(wěn)定對(duì)于庫(kù)壩系統(tǒng)安全至關(guān)重要。盡管誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的因素十分復(fù)雜,但無(wú)不與巖土工程地質(zhì)條件不確定性、邊坡工程邊界條件、荷載作用和錨固體系和滲控系統(tǒng)性能退化等因素密切相關(guān)。邊坡工程不確定性主要來(lái)源之一的巖土體參數(shù)空間變異性和邊坡服役過(guò)程中錨固體系性能退化都是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的重要原因。然而,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)表征巖土體參數(shù)空間變異性的相關(guān)非高斯隨機(jī)場(chǎng)模擬研究不夠深入,考慮多參數(shù)空間變異性的非均質(zhì)多層土坡可靠度問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決；邊坡可靠度分析過(guò)程復(fù)雜且不能充分利用現(xiàn)有商業(yè)有限元軟件；考慮預(yù)應(yīng)力錨桿(索)腐蝕的錨固邊坡時(shí)變可靠度問(wèn)題研究較少；此外,復(fù)雜三維高邊坡可靠度研究幾乎是空白。論文針對(duì)上述5個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)地研究,主要工作和結(jié)論如下： (1)發(fā)展了邊坡可靠度非侵入式隨機(jī)分析理論 發(fā)展了各向異性相關(guān)非高斯隨機(jī)場(chǎng)模擬的Karhunen-Loeve (K-L)級(jí)數(shù)展開(kāi)方法和改進(jìn)喬列斯基分解技術(shù),提出了解決含相關(guān)非正態(tài)變量邊坡可靠度分析的隨機(jī)響應(yīng)面法,建立了4-6階高維Hermite隨機(jī)多項(xiàng)式展開(kāi)解析表達(dá)式。發(fā)展了基于線(xiàn)性無(wú)關(guān)原則概率配點(diǎn)法和拉丁超立方抽樣配點(diǎn)法的隨機(jī)多項(xiàng)式展開(kāi)方法,推導(dǎo)了輸出響應(yīng)量統(tǒng)計(jì)矩和輸入?yún)?shù)隨機(jī)變量和隨機(jī)場(chǎng)的Sobol指標(biāo)計(jì)算表達(dá)式,豐富了邊坡非侵入可靠度分析理論。 (2)提出了考慮參數(shù)空間變異性邊坡可靠度分析的非侵入式隨機(jī)有限元法 采用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)了基于ABAQUS和GEOSTUDIO軟件的邊坡有限元批處理程序,研究了考慮多參數(shù)空間變異性的飽和、非飽和土坡可靠度問(wèn)題�？紤]參數(shù)空間變異性的邊坡可靠度分析存在一個(gè)臨界不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)變異系數(shù),其數(shù)值大小與邊坡安全系數(shù)有關(guān)。非侵入式隨機(jī)有限元法無(wú)需修改有限元源代碼,實(shí)現(xiàn)了邊坡穩(wěn)定性有限元分析與可靠度分析一體化,而且計(jì)算效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直接蒙特卡洛模擬方法,有效地解決了考慮參數(shù)空間變異性的低失效概率水平(10-6～10-3量級(jí))邊坡可靠度問(wèn)題。 (3)提出了考慮自相關(guān)函數(shù)影響高效參數(shù)敏感性分析的多重二階響應(yīng)面法 系統(tǒng)地統(tǒng)計(jì)了土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)波動(dòng)范圍、自相關(guān)距離、變異系數(shù)和互相關(guān)系數(shù)的取值范圍,為定量地表征土體參數(shù)空間變異性提供了一定的參考依據(jù)。闡明了常用的5種表征土體參數(shù)空間自相關(guān)性的自相關(guān)函數(shù)對(duì)邊坡可靠度的影響規(guī)律：由指數(shù)型自相關(guān)函數(shù)計(jì)算的邊坡失效概率偏小,由高斯型、二階自回歸型、指數(shù)余弦型和三角型自相關(guān)函數(shù)得到的邊坡失效概率差別較小�；诔Ｓ玫闹笖�(shù)型自相關(guān)函數(shù)可能會(huì)明顯高估邊坡可靠度水平,導(dǎo)致偏危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)方案。由不同自相關(guān)函數(shù)計(jì)算的邊坡失效概率的差別與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的波動(dòng)范圍、變異系數(shù)和互相關(guān)系數(shù)大小有關(guān)�？傮w來(lái)說(shuō),自相關(guān)函數(shù)對(duì)非均質(zhì)多層土坡可靠度的影響大于均質(zhì)邊坡。 (4)提出了考慮參數(shù)空間變異性邊坡系統(tǒng)可靠度分析的多重隨機(jī)響應(yīng)面法 建立了一種新的考慮參數(shù)空間變異性的邊坡代表性滑動(dòng)面識(shí)別方法,研究了考慮土體參數(shù)空間變異性的多層土坡系統(tǒng)可靠度問(wèn)題,探討了基于邊坡有限元分析的單重響應(yīng)面法分析考慮參數(shù)空間變異性邊坡系統(tǒng)可靠度問(wèn)題的有效性。闡明了土體參數(shù)空間變異性、變異系數(shù)和參數(shù)間互相關(guān)性對(duì)邊坡系統(tǒng)可靠度的影響規(guī)律。單一代表性滑動(dòng)面失效概率對(duì)邊坡系統(tǒng)失效概率的影響權(quán)重大于代表性滑動(dòng)面數(shù)目,參數(shù)變異性和參數(shù)間互相關(guān)性對(duì)邊坡代表性滑動(dòng)面數(shù)目、單一滑動(dòng)面失效概率和邊坡系統(tǒng)失效概率的影響規(guī)律基本一致。多重隨機(jī)響應(yīng)面法較好地解決了考慮參數(shù)空間變異性邊坡系統(tǒng)可靠度分析的難題,而基于邊坡有限元分析的單重響應(yīng)面法不能有效地解決考慮參數(shù)空間變異性的邊坡系統(tǒng)可靠度問(wèn)題。 (5)揭示了腐蝕條件下錨固邊坡系統(tǒng)可靠度和變形可靠度的演化規(guī)律 建立了錨桿腐蝕條件下錨桿自由段屈服抗力和錨固段錨桿與注漿體界面黏結(jié)抗力時(shí)變模型,基于錨桿腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了錨桿腐蝕率模型的適用性,揭示了錨桿腐蝕條件下錨固邊坡穩(wěn)定可靠度的變化規(guī)律。建議了一種有效的邊坡最大允許變形量取值方法,揭示了邊坡變形可靠度的演化規(guī)律。邊坡服役前期錨桿腐蝕作用對(duì)錨固力和邊坡失效概率的影響較小,后期影響較為明顯。考慮時(shí)效特性的邊坡變形失效概率的常用對(duì)數(shù)log(pf)與邊坡最大允許變形量間存在近似的線(xiàn)性關(guān)系,而且隨著邊坡失效概率的減小,該線(xiàn)性關(guān)系表現(xiàn)的越明顯。 (6)提出了復(fù)雜三維高邊坡可靠度分析的非侵入式隨機(jī)有限差分法 依托錦屏一級(jí)水電站左岸壩肩邊坡工程,系統(tǒng)地研究了邊坡施工開(kāi)挖、預(yù)應(yīng)力錨索和深層混凝土抗剪洞加固措施對(duì)邊坡變形、穩(wěn)定及可靠度的影響規(guī)律。非侵入式隨機(jī)有限差分法極大地提高了邊坡可靠度計(jì)算效率,為解決復(fù)雜水電工程高邊坡可靠度問(wèn)題提供了一種有效的工具。參數(shù)敏感性分析表明邊坡在1810m高程以上開(kāi)挖時(shí),阻滑巖體材料抗剪強(qiáng)度對(duì)穩(wěn)定性起控制作用。邊坡在1810m高程以下開(kāi)挖時(shí),變形拉裂體滑裂面抗剪強(qiáng)度對(duì)穩(wěn)定性起控制作用�；炷量辜舳丛诳刂七吰伦冃魏吞岣哌吰路�(wěn)定性方面明顯優(yōu)于預(yù)應(yīng)力錨索。此外,邊坡施工開(kāi)挖擾動(dòng)作用也對(duì)邊坡可靠度有著重要的影響。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TV223

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2735191