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土石坝抗滑稳定性与砂层地基液化的可靠度理论与应用

周江平  
【摘要】:本论文是在深入系统地研究了土石坝抗滑稳定的可靠度理论和地基砂层的地震液化的可靠度理论基础上,结合本人承担或参加的冶勒堆石坝抗滑稳定的可靠度研究、永乐水电站厂房地基处理及砂层液化研究、紫坪铺水库淹没区213国道改线工程石门坎滑坡稳定性研究等试验、科研和施工项目的进行而完成的。土石坝的可靠度分析因涉及坝基多种土层与坝体多种材料的岩土参数的统计特征,加上所受荷载复杂,进行可靠度稳定分析难度较高。在遭遇渗流和地震等动力荷载时,坝基砂土液化判别是很复杂的,其可靠度分析难度更高。本文旨在建立坝体和坝基抗滑稳定的可靠度、地基土液化稳定的可靠度模式,解决其可靠度计算问题。主要进行以下几方面的研究工作并取得了相应成果。 岩土的物理性质和力学参数为随机变量,在母体分布拟合优度检验中存存一组数据同时通过多个概率分布模型的可能。为解决选择母体分布类型问题,可用似然比检验来进行分布择优。论文以冶勒水库土石坝为例分别对坝基土体与坝体填筑材料的物理性质和力学参数概率特征与概率分布模型进行的分析研究。对于大致均匀的土层或性质差别不大的土层,其土工参数应具有相同或相近的自相关特性,表现为有相同的自相关函数形式及相关范围。 Cornell定义的结构可靠度指标β=(μ_M)/(σ_M),β的取值依赖于特定展开点的选择。Hasofer和Lind建议根据临界破坏面而不是极限状态方程定义失效模式的可靠度指标β。Rackwitz和Fiessler提出了推广的H-L算法,考虑到变量可能为正态分布,对数正态分布和极值I型分布等分布类型,R-F算法被国际结构安全性联合会(JCSS)所推荐,又叫JC法。Monte-Carlo模拟方法的基本思想是:若已知随机变量X_1,X_2,…,X_k的概率分布,根据随机变量X_1,X_2,…,X_k的分布利用Monte-Carlo方法产生相应分布的一组随机数X_1,X_2,…,X_k,代替试验值。将这组随机数代入极限状态方程Z=(X_1,X_2,…,X_k),便可得到随机变量Z的一个样本Z_1.Z_2,…,Z_n,其中Z_j=g(X_(1i),X_(2i),…,X_(ki)),若Z_1,Z_2,…,Z_n中有M个z<0,则破坏概率的 第V页 西南交通大学博士学位研究生论文 估计量、随机变量z的均值和均方差的估计量分别为弃一M‘N,户:= 土丫Z‘ N廿‘ 在估计失效概率的标准差时,可用其估计量弃来代替Pr。用Jacob‘数学变换方 法将互为相关的岩土参数r、。、f转换为相互独立的随机变量,使问题简化为按 独立空间计算失效概率Pf和可靠度指标p。 从材料的细观力学特性入手,到宏观的统计尺寸效应,讨论了岩土工程试 验中存在不同尺寸的试样,其试验成果有明显的差异。在岩土参数取值中引入 了纤维束理论解决试验的尺寸效应,用纤维束理论讨论了小尺寸、中尺寸、大 尺寸试样的尺寸效应关系,通过Monte一Carlo随机抽样的模拟验证,土体强度存 在尺寸效应,集团抽样方式反证了小尺寸试样强度的平均值不能代表中尺寸、 大尺寸试样的强度,中尺寸和大尺寸试样的强度代表性更好。并与工程中边坡 稳定性分析结合,岩土参数取值考虑尺寸效应,则土坡有一致的抗滑稳定安全 系数水平。文中用一实例示范了尺寸效应如何影响边坡稳定性计算结果。 推导了简化毕肖普法的极限状态方程,对边坡稳定的可靠度以1个工程实 例进行了示范,即冶勒土石坝的稳定性计算与稳定可靠性分析,以大尺寸的现 场原位试验数据为基础,在合理划分样本总体的情况下,岩土体物理性质指标 和力学参数作为随机变量的概率特征与概率分布模型合理,并可以得到变异系 数较小的土性参数统计值。考虑随机变量间的相关性,采用Jacobi正交变换法 将相关的随机变量转变为相互独立的随机变量。实例比较了常规稳定性分析与 可靠度稳定分析的差异性;在抗滑稳定分析中,考虑渗透压力的计算结果更精 确;对同一工况下安全系数k=1 .0时存在多个滑面,但各滑面稳定的可靠性指标 (p)不相同。 砂层地震液化的判别分为初判和复判两步,初步判别按土层的地质条件或 土层剪切波速度Vs与土层的上限剪切波速度Vs:的比值进行判别。当该砂层初判 为可能液化,则应进行复判。复判方法有两类:一类是依据现场试验的静力触 探强度和标准贯入试验的击数方法;二类是依据室内实验的三轴动强度的动剪 西南交通大学博士学位研究生论文 第Vl页 应力比法。对砂土液化评判的方法进行了系统总结,并以永乐水电站为例,用 砂土液化的综合判别指导了永乐水电站厂房地基处理。提出了旋喷桩施工过程 中高压水气产生的上体液化与基坑内的渗透液化的祸合问题,分析了液化的祸 合的机理,提出了防止液化的祸合的条件为:保持基坑内的水力坡降今义(浮 容重厂,水容重入,)。推导了基于动力三轴试验的动剪应力比的液化极限状态 方程。指出无量纲动强度:刹对液化判别的机理,编制了液化可靠度计算程序, 在Monte一Carlo随机模拟方法中,当抽样量MM达到1火1 04一1又l护次时,计算结 果收敛。以民治水电站闸坝地基液化为例进行了液化的可靠水准I与水准H的分 析:利用标准贯入试验液化判别,考虑到了土体的随机性,引进了具有概率意 义的液化指数,计算的场地液化指数和


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