降雨条件下高速公路路基边坡稳定的预警研究

摘要

目前我国经常会出现一些突发的公路路基边坡失稳事故，导致人员伤亡和财产损失。因此，进行公路路基边坡稳定性的安全评价，以及建立相应的预警系统，就显得尤为必要。
　　本文以极限平衡法为计算手段，研究了路基边坡土体参数空间变异场条件下的稳定性问题。然后，在此基础上进行了降雨条件下路基边坡稳定的预警研究。
　　首先，编制程序实现了土体强度参数空间变异场的生成，检验表明所生成的参数空间场能非常完好的覆盖给定的参数分布空间，并大大的减少了计算次数。然后，结合改进的Morgenstern-Price法和改进的边坡极限滑面扫描算法，进行了土体参数空间变异条件下的路基边坡极限平衡法求解，并进行了计算方法的适应性论证。
　　其次，编程实现了多参数场相关条件下的边坡土体参数的空间变异场，此算法同样能保证参数空间场的全域覆盖性，且能大大减少冗余计算。边坡几何参数敏感性分析表明相关长度对边坡稳定性基本无影响，同一几何条件下，边坡土体变异性越大，破坏概率也越大。强度参数的敏感性分析表明安全系数的大小并不能绝对反应路基边坡的安全性，需计入土体参数变异条件下的边坡破坏概率。土体抗剪强度参数负相关情况下的路基边坡破坏概率，比两参数相互独立情况下的破坏概率更小，正相关情况则比相互独立情况下的破坏概率更大。而计算安全系数均值则与破坏概率呈现出相反的规律。
　　然后，进行了不同降雨类型条件下的均值和非均值非饱和土路基边坡的稳定分析。均值土边坡计算结果表明:粗粒土易于遭受短时强降雨的影响，而细粒土更易于遭受长时弱降雨的影响。饱和渗透系数是影响边坡土体稳定性的关键因素，每种土质边坡都有其自身的临界降雨强度，并可以通过计算获取。计算认为，降雨和边坡渗透系数为影响降雨条件下边坡稳定的第一层次因素;边坡几何尺寸为第二层次影响因素;地下水位为第三层次。
　　非均值非饱和土边坡的降雨失稳研究表明:空间相关长度对边坡稳定性不产生影响;参数的变异性会直接导致边坡的安全系数和失稳概率的变化，在概率框架下讨论边坡的稳定性，需要考虑参数的变异性和他们之间的相关系数，以便于进行定量分析。
　　最后，提出了公路路基边坡预警监测的指标、阈值和评判标准，并在此基础上提出了基于概率计算的路基失稳预警系统框架。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 研究现状

1．2．1 土质边坡稳定评价方法

1．2．2 降雨条件下路基边坡稳定

1．2．3 公路边坡降雨失稳的预警研究

1．3 存在的问题及对策

1．3．1 土体参数空间变异场

1．3．2 边坡稳定的计算方法的选择

1．3．3 降雨条件下路基边坡稳定及预警

1．4 主要研究内容及技术路线

第二章 土体参数空间变异性与空间随机场理论

2．1 土体参数空间变异性

2．1．1 土体内在变异性

2．1．2 统计不确定性

2．1．3 计算模型不确定性

2．2 空间随机场理论

2．2．1 一维空间随机场

2．2．2 二维空间随机场

2．3 本章小结

第三章 土体参数空间变异下的路基边坡稳定计算方法

3．1 改进的Morgenstern-Price计算方法

3．2 空间参数变异场的生成办法

3．2．1 空间变异场协方差矩阵

3．2．2 Karhunen-Loève展开

3．2．3 空间场抽样简化

3．2．4 空间场生成及验证

3．3 多段折线滑面的搜索办法

3．3．1 初始滑面生成

3．3．2 滑面搜索办法

3．3．3 程序算法研究

3．4 计算方法验证

3．4．1 算法合理性验证

3．4．2 多段折线滑面与圆弧滑动面法的比较

3．5 概率表征边坡安全性的适应性论证

3．6 本章小结

第四章 土体参数空间变异下的路基边坡失稳概率研究

4．1 边坡可靠度分析的基本原理

4．2 多参数相关随机场的生成算法

4．2．1 单参数空间相关矩阵

4．2．2 多参数相关矩阵

4．2．3 多参数相关空间随机场分析

4．2．4 参数相关随机场样本矩阵

4．2．5 独立高斯随机变量矩阵的求解

4．2．6 多变量全空间随机变量的生成

4．2．7 多参数空间相关随机场的验算

4．3 边坡几何参数影响

4．3．1 相关长度影响

4．3．2 边坡坡度影响

4．3．3 边坡高度影响

4．4 边坡强度参数影响

4．4．1 单参数随机场边坡稳定性分析

4．4．2 两参数随机场边坡稳定性分析

4．5 本章小结

第五章 降雨条件下的路基边坡稳定研究

5．1 非饱和土边坡降雨渗流稳定分析原理

5．1．1 土水特征曲线

5．1．2 渗透系数方程

5．1．3 渗流控制方程

5．1．4 降雨渗流边界条件

5．2 非饱和土强度特性

5．2．1 非饱和土强度理论

5．2．2 沿滑面线的土体空间变异性表征

5．3 均值非饱和土边坡的降雨入渗分析

5．3．1 降雨对边坡影响分析

5．3．2 边坡几何尺寸影响分析

5．3．3 地下水位影响分析

5．4 非均质非饱和土边坡的降雨稳定性分析

5．4．1 空间相关长度影响

5．4．2 参数变异性影响

5．4．3 抗剪参数相关系数影响

5．5 本章小结

第六章 高速公路路基边坡失稳的预警研究

6．1 预警研究的现实必要性

6．2 预警研究理论与意义

6．3 预警监测指标与阈值

6．3．1 监测指标

6．3．2 监测阈值

6．3．3 评判标准

6．4 预警系统结构组成

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究成果

7．2 主要创新点

7．3 一步研究问题

致谢

参考文献

博士期间的研究及成果