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基于位移监测信息的岩石高边坡安全评价理论和方法研究

赵志峰  
【摘要】: 变形稳定是岩石高边坡安全稳定的一个重要方面,了解边坡在不同时期的变形状态对于评价边坡的安全稳定性具有重要的意义。安全监测作为正确评价边坡安全状态变化过程的手段,在岩石高边坡工程中逐步得到广泛的应用。由于边坡问题的复杂性,深入开展对边坡安全监控理论和方法的研究,系统的分析所获得的监测信息显得十分重要。本文在进行大量国内外文献阅读的基础上,基于实际高边坡工程的大量位移监测数据,对边坡安全控制理论和方法的一系列问题进行了系统研究,主要研究工作和成果如下: (1)对观测中的误差对结果分析和参数反演的影响进行了分析,结合边坡工程的特点,提出了位移监测点的布置原则。在实际工程中可以借助敏感性分析和数值计算来指导边坡位移监测点的布置。 (2)观测数据中的粗差对分析结果将造成不利的影响,传统的基于数理统计理论的误差处理方法很难有效的评定边坡位移数据中的异常信息。因此基于现代误差理论,将未确知数学引入到位移观测数据的误差分析中,使用改进的未确知滤波法对数据进行处理。实例研究表明,该方法能较准确的识别出粗差和变形异常值。 (3)边坡变形可以看作是岩土体流变特性和外界因素内外因共同作用的结果。在对大量外观变形数据进行分析的基础上,建立了描述岩质边坡自身的时效变形特性的统计模型,并使用置信区间法和小概率法对监测数据中的异常变形值进行了分析。针对某些波动较大的残差序列,采用周期函数提取残差中的趋势项,分析影响边坡变形的外界因素,并对统计模型进行了改进。 (4)对边坡的变形监控指标进行了研究。将位移观测数据看作由初始变形分量、时效变形分量和测量误差分量三部分组成,推导出当边坡处于不同阶段的位移标准差的门槛值,通过考察数据序列的标准差可以判断出边坡处于何种变形阶段。对时效变形明显的边坡,通过构造稳定系数r来考察位移均值的增长趋势,通过变异系数考察数据的离散性。若稳定系数较高,而变异系数较小,则说明边坡的位移变化比较正常。在对位移量进行分析的同时,综合考虑了位移变形的方向以及位移速率,使用多参数监控指标对实际工程中边坡的外观数据进行了分析。研究表明若几个指标同时出现异常,则应该对边坡变形进行密切关注。 (5)采用安全系数法对边坡的极限状态进行了研究。针对不同类型的边坡,使用强度折减法和极限平衡法计算其安全系数。针对边坡失稳属于大变形问题的特点,采用FLAC程序中的强度折减法计算边坡失稳时的强度储备安全系数和最危险滑动面的位置。此外,通过考察边坡局部水平位移灵敏度随折减系数的变化曲线来确定边坡的局部安全系数,从而更全面的了解岩质边坡从整体到局部的安全稳定性。针对极限平衡分析中计算参数不确定性的问题,将参数作为盲数处理,并对极限平衡方法进行了改进。 (6)针对现场监测数据样本的大小不同,使用不同的方法对大样本数据和小样本数据进行预测。当监测数据比较丰富时,采用多项式模型来描述不同时间观测值之间的函数关系,并使用算法进行模型的优化,寻找出最佳的多项式模型。当监测数据较少时,使用灰色预测方法针对非等时距的观测数据序列进行预测。当预测效果不理想时,使用改进的加权灰色预测方法提高预测精度。 (7)利用变形相应率对边坡失稳问题进行了研究。边坡的变形可以理解为广义荷载下的响应,通过研究边坡不同时期的变形响应对荷载变化的响应率可以判断出边坡何时发生失稳。将响应率同边坡位移观测资料相结合,选择稳定状况良好的测点为参考点。将其他测点的位移增量同参考点的位移增量进行比较,计算出各测点相对稳定点的变形响应率,然后根据响应率的变化情况来进行边坡的失稳预报。 (8)基于安全监测成果建立了边坡综合评价体系,根据监控分析结果提出了底层指标的评分准则。使用属性识别方法对边坡综合评价问题进行了研究,得到的结果能较全面的反映边坡状态的多样性。为了对同一边坡不同时期的状态进行定量比较,将突变数学理论引入到多准则综合评价中,以减少目前评价方法中由于权重确定带来的主观性。将不同时期的边坡的总突变值进行比较分析,可以得出边坡安全状态的发展趋势。


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