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复杂高边坡的动力和静力稳定性分析及空间变异性研究

阮永芬  
【摘要】:边坡动力稳定的影响因素是复杂多变的。为了更好的了解动力稳定对各种影响因素的敏感度,进行了多参数影响下的动力稳定分析。同时对高路堤填土进行大量室内及现场试验,来研究环境、荷载、岩土结构特征等因素对岩土工程可靠度的影响。 应力和位移是描述物体变形形态的重要物理量,依据监测的应力和位移数据,分析岩土工程的演化规律,预测其发展趋势,及时掌握其稳定情况在工程上具有重要的意义。分析小湾饮水沟堆积体边坡的变形及其特殊的地质情况发现,研究其变形的发生和发展,就要考虑开挖和降雨的影响,即仔细分析堆积体边坡实际的监测资料,寻找出分析研究问题的着手点。要全面了解其地质情况的特殊性,应从空间变异方面着手。所以针对以上问题,本文的研究工作主要包括以下部分: (1)针对高填土路堤边坡,考虑路堤填土材料的物理力学指标、填土高度、坡比、路面宽度、路堤弹性模量、有无地下水以及不同的地震烈度等参数的变化,分别输入美国EL Centro也震波和按规范反应谱拟合的人工合成的地震波,采用静力分析法、拟静力分析法和动力有限元分析法,对高填土路堤边坡稳定性系数的变化规律、动力响应特征及地震荷载作用下边坡内孔压的分布规律进行分析;深入研究地震动峰值加速度沿路堤各高度放大系数的取值,为拟静力法分析计算公路路堤抗震稳定的作用效应和抗力时,如何计入其影响提供计算方法,为山区高填土路堤边坡的抗震稳定性分析提供理论计算依据。 (2)对高路堤边坡的填土进行大量的现场及室内试验,分析其抗剪强度指标的影响因素,以及抗剪强度与影响因素之间的相关关系。参数确定后,采用不平衡力传递法和分块极限平衡法,对同一工程边坡所处的三种状态进行稳定性计算,比较分析两种方法的适用特点及存在的问题。 (3)由于堆积体空间变异的特殊性,用加权多项式回归法进行球状模型的理论变异函数方法拟合,误差很大,有时甚至无法拟合出变异函数。针对这一问题,结合遗传算法原理,充分利用遗传算法在求解非线性问题时具有全局寻优的特点,拟合出球状模型的理论变异函数参数,并以小湾水电站左岸堆积体边坡的变形监测数据为例进行计算。结果表明用遗传算法来拟合变异函数是可行的,计算结果值与实验变异函数值比较接近,具有较高拟合精度,是非线性、不连续可微模型参数估计的好方法。 (4)克立格估值是地质统计学在空间变异上的主要应用,但长期以来,克立格估值权系数一直都没有很好的解决负权值问题,这不但影响着地质统计学的发展,还给实际估值带来非常大的误差,甚至是错误。针对这一问题,采用熵权理论从克立格方程组出发,解决负权值问题,并用小湾坝前堆积体边坡监测资料对其可行性进行了验证。对负权值进行改进时,即考虑了权值系数的修正也考虑了样品点距离的修正。 (5)为能充分的体现出堆积体边坡的方向变异性,对所研究堆积体的空间变异性做出定量评价,本文在区域化变量空间分析的基础上,构造出方向综合变异指标Ov来定量描述堆积体边坡的方向变异性。 (6)对小湾堆积体边坡进行空间分析后发现,可用克立格法来估计边坡待测点位移。这种方法在没有监测点布置或很难施工监测点时非常有用,不但可以节约建设成本,还可以少受地理位置的限制。可在工程中给予推广 (7)基于遗传算法,对改进的BP神经网络的结构参数进行优化,用实际监测的变形资料,对建立的遗传-改进BP神经网络预测模型进行学习训练,用训练好的模型对滑坡变形进行预测。此模型避免了仅用神经网络预测时易陷入局部极小值的缺陷,提高了预测的精度,并考虑了降雨对边坡变形的影响,编制了相应的计算程序,使边坡变形的研究在一定程度上达到智能化。用提出的计算模型对三峡永久船闸三闸首中隔墩岩体的开挖变形、小湾电站边坡变形以及新滩的滑坡变形的预测中进行应用,预测结果均与工程实际稳定性状况和变形实测值相符合,预测的相对误差基本小于5%,从而验证了所提理论方法的可靠性和有效性,能满足中长期的边坡变形预报。 (8)为了能很好的研究降雨对大型堆积体边坡变形的影响,应用信息熵理论,通过信息的传递性和相关性原理来分析降雨对边坡变形速率的影响。并以小湾电站左岸引水沟堆积体边坡变形详实丰富的表面监测数据为例进行计算分析,建立了降雨量、时间因子和变形速率之间的信息传递函数。实例分析表明,该方法简便适用,且信息熵在分析边坡变形这类多因素影响的复杂问题时有很大的优势,方法本身对问题的处理不作任何的假定。


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