考虑参数变异水平的铁路路堤边坡极限状态设计研究

摘要

为弥补传统安全系数法对土工参数变异性考虑不足，基于概率统计的可靠性设计法被引入岩土工程领域并成为边坡稳定分析未来发展方向，但是目前边坡稳定设计研究主要集中于Monte Carlo法等可靠性直接设计法，这些方法虽然可得到工程结构可靠度，但计算过程较为复杂繁琐，不利于实际工程应用。基于可靠度理论的分项系数极限状态法保留了容许应力法设计表达式的形式，通过分项系数将检算结果与可靠度联系起来，准确反映结构的安全程度，且计算简单方便，已在结构工程被广泛应用，然而由于天然土工材料具有较大的变异性，导致工程实际可靠指标离散性高，仅使用一组分项系数无法保证土工结构可靠性达到目标可靠度，因此有必要对适用于土工参数变异性不同的边坡工程的极限状态设计方法进行研究，推动分项系数极限状态法在边坡工程的应用与发展。论文的主要研究工作及成果如下： （1）针对土工材料变异性较大的问题，综合国内外学者研究成果，对土体抗剪强度参数变异系数δc、δφδc、δφ分布区间进行统计分析，将c、φ变异性细分为小、中、大三个等级，以便于进行与实际工况相适应的可靠性设计；对比分析了g=Fs-1与g=R-S两种边坡极限状态方程形式，后者相较于前者简化了检算过程，更有利于实际工程应用，考虑计算模型为简单边坡，选取以瑞典条分法理论为基础的g=R-S形式边坡极限状态方程。 （2）分项系数的统计分析需要尽量多的考虑各种可能的边坡工况，工况模拟通过边坡基本参数组合来实现。开展了边坡稳定可靠度敏感性分析，讨论了多种土工参数和几何参数对边坡稳定可靠度的影响特性，选取显著影响因素作为工况模拟的基本参数；为基本参数赋值并进行工况模拟，以现有规范规定的路基边坡断面和安全系数为控制指标，建立了多种强度参数与几何参数组合的边坡模型，开展了可靠度计算，对铁路路堤边坡目标可靠度进行了校准。研究表明：土体强度参数均值是边坡稳定可靠度最重要影响因素，土体强度参数变异系数、边坡坡高和坡率均为显著影响因素，土体容重对边坡稳定可靠度无明显影响，因此选取土体强度参数均值和变异系数、边坡坡高、边坡坡率作为基本参数；统计分析各工况下计算所得可靠指标，确定铁路路堤边坡目标可靠指标为2.3。 （3）采用验算点法确定变量设计值，取变量均值作为标准值，计算边坡基本参数多种组合工况下的分项系数，分析了土体强度参数和边坡几何参数对分项系数的影响特性，研究表明：土体强度参数变异性是分项系数的主导影响因素，其次为土体强度参数均值和边坡坡高，边坡坡率对分项系数影响微弱。 （4）为使土体强度参数变异性不同的边坡达到一致的可靠度，提出了分项系数应与参数变异水平相适应的取值原则，对各工况下计算所得分项系数进行统计分析及标定，给出了土体强度参数处于小、中、大变异水平对应的抗力项和荷载项分项系数(γR1,γR2;γS)推荐值分别为(0.75，0.95; 1.02)、(0.55，0.90; 1.06)、(0.40,0.80; 1.10)；与现行规范取值进行了对比分析，当土体强度参数为中变异和大变异水平时，规范推荐值对黏聚力项R1变异性考虑严重不足，基本仅适用于土体强度参数小变异的边坡设计。

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