巖質(zhì)邊坡可靠性的研究方法發(fā)展現(xiàn)狀

蔣博聞

摘 要：文章針對(duì)求解難題和工程實(shí)際、引入新思想、地震荷載作用對(duì)巖質(zhì)邊坡可靠性分析的方法進(jìn)行了綜述。總結(jié)出，結(jié)合蒙特卡羅法和一次二階矩法的的方法的優(yōu)點(diǎn)是求解方便、精度高；引入新思路可避開對(duì)滑坡過程機(jī)制的完全認(rèn)識(shí)與顯式極限方程式的剪力，最后對(duì)巖質(zhì)邊坡可靠性研究方法提出展望。

關(guān)鍵詞：巖質(zhì)邊坡；穩(wěn)定性；可靠度

1 概述

邊坡是人類工程活動(dòng)最基本的的地質(zhì)環(huán)境之一，也是工程建設(shè)中最常見的工程形式。由于巖質(zhì)邊坡巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，斷面、節(jié)理、裂隙互相切割，塊體極不規(guī)則，因此巖坡穩(wěn)定具有其獨(dú)特的性質(zhì)[1]。在巖土工程領(lǐng)域，很多專家學(xué)者都對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

由于巖土的復(fù)雜性，在邊坡穩(wěn)定性分析中所涉及的因素都是隨機(jī)的，即使采用了大于一的穩(wěn)定系數(shù)也不能認(rèn)為邊坡的穩(wěn)定性是十分可靠的，還需進(jìn)行概率分析。而巖質(zhì)邊坡一般較土質(zhì)邊坡高陡，失穩(wěn)后產(chǎn)生的破壞力也更大。劉漢東結(jié)合國內(nèi)外邊坡和壩工方面的研究，通過工程類比法，給出巖質(zhì)高邊坡安全度（可靠度指標(biāo)）標(biāo)準(zhǔn)建議值。祝玉學(xué)[2]出版了關(guān)于邊坡工程可靠度研究的專著，為邊坡可靠性研究提供了參考。將結(jié)構(gòu)可靠度的概念引入邊坡的穩(wěn)定性研究，以概率統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，從極限狀態(tài)的角度，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，是一種更為精確的研究方法。文章基于結(jié)構(gòu)可靠度理論的一些概念，對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定研究方法進(jìn)行總結(jié)。

2 可靠性研究方法

2.1 針對(duì)求解難題和工程實(shí)際可靠性研究方法

實(shí)際工程中，邊坡的破壞具有漸進(jìn)性[3]，同一時(shí)間滑動(dòng)面上各點(diǎn)往往不是一起達(dá)到極限狀態(tài)的。譚曉慧[4]分析了極限狀態(tài)函數(shù)非線性和非連續(xù)性對(duì)邊坡可靠度計(jì)算的影響，采用二階可靠性方法對(duì)其進(jìn)行分析，通過在驗(yàn)算點(diǎn)處用一個(gè)二次曲面來代替原極限狀態(tài)曲面來求解，這在計(jì)算精度上比一次二階矩法用一次曲面代替原極限狀態(tài)曲面有很大提高。但這種方法在誤差上還需要用蒙特卡羅法進(jìn)行驗(yàn)證。

此外，傳統(tǒng)的最危險(xiǎn)滑移路徑的搜索方法僅僅基于幾何最短距離或以總抗滑儲(chǔ)備（總抗滑力與總下滑力之差）最小為判據(jù)，幾何距離最短或滑移路徑總抗滑儲(chǔ)備最小并不一定意味著該路徑邊坡安全系數(shù)最小，因此有必要對(duì)危險(xiǎn)滑移路徑的搜索算法進(jìn)行改進(jìn)。[5]李鋒，孟廣偉，周立明等[6]利用一次二階矩法和隨機(jī)有限元法計(jì)算出隨機(jī)動(dòng)載和靜載單獨(dú)作用下結(jié)構(gòu)的可靠度，并求出其共同作用時(shí)的可靠度，為工程中復(fù)雜荷載作用的情況提出了估算方法。宋新龍，王宇，汪燦[7]就巖質(zhì)邊坡隨機(jī)楔體滑動(dòng)，運(yùn)用蒙特卡羅法進(jìn)行了可靠性分析，從巖質(zhì)邊坡的失效模式角度出發(fā)，為巖質(zhì)邊坡隨機(jī)楔體穩(wěn)定提供了一條新的思路。

2.2 引入新思想的可靠性研究方法

下面介紹兩種為解決對(duì)巖體受力變形的認(rèn)知不夠完善這一缺點(diǎn)而引入巖質(zhì)邊坡可靠度研究的樣本學(xué)習(xí)方法。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的人工智能的一個(gè)分支，現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（BP網(wǎng)），其輸入輸出成高度非線性映射?；⑿窳郑盒?，任克亮[8]采用BP網(wǎng)絡(luò)，對(duì)巖質(zhì)邊坡可靠性進(jìn)行了預(yù)測(cè)。在取得較高預(yù)測(cè)精度的同時(shí)避開了巖體變形破壞機(jī)制和最為重要的參數(shù)與滑坡過程的關(guān)系。賀子光，張玉嬌，孟強(qiáng)[9]引入支持向量機(jī)和基因表達(dá)式編程，解決了由于巖體本身的節(jié)理，裂隙和不連續(xù)面導(dǎo)致的無法建立顯式的極限狀態(tài)方程的問題。和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，支持向量機(jī)是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的小樣本學(xué)習(xí)方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于大樣本的學(xué)習(xí)方法，采用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則。

在建立巖質(zhì)邊坡概率模型時(shí)，由于隨機(jī)變量服從的分布方式與實(shí)際存在誤差，計(jì)算結(jié)果在一定程度上存在精度不夠的問題。從這一方面入手，研究者們引入了一些新的思想。曾晟，孫冰，楊仕教[10]利用ANFIS分析得到的參數(shù)，基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)建立了巖體力學(xué)參數(shù)與邊坡抗滑力和下滑力的映射模型，最終依靠MATLAB程序得出了精確的求解。于生飛，陳征宙，蔣鑫[11]等引入?yún)^(qū)間分析方法和非概率可靠性思想，建立了巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的非概率可靠性模型，克服了概率模型在缺乏數(shù)據(jù)的情況下結(jié)果偏差較大的缺點(diǎn)。王宇，魏忠獻(xiàn)，黎明[12]等運(yùn)用統(tǒng)計(jì)矩估計(jì)法和模糊隨機(jī)理論，利用模糊點(diǎn)估計(jì)法對(duì)可靠度指標(biāo)進(jìn)行求解，算例分析的結(jié)果更為精確可靠。

3 結(jié)論與展望

目前，可靠性理論在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。蒙特卡羅法與一次二階矩法（包括中心點(diǎn)法和驗(yàn)算點(diǎn)法）可以通過分步分析，計(jì)算后驗(yàn)證等方法有機(jī)地結(jié)合起來，在避開復(fù)雜邊界條件求解的基礎(chǔ)上保重運(yùn)算的精度和收斂性。在失效模式方面，使危險(xiǎn)滑移路徑的搜索和滑動(dòng)面極限狀態(tài)滿足實(shí)際巖質(zhì)邊坡的破壞機(jī)制使可靠度的計(jì)算結(jié)果更有參考意義。引入新思想是可靠性研究的一大趨勢(shì)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)成功地將生物遺傳學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)運(yùn)用到了可靠性研究領(lǐng)域，在求解中避開了對(duì)滑坡過程機(jī)制的完全認(rèn)知和顯式極限狀態(tài)方程的建立等難點(diǎn)，采用的樣本學(xué)習(xí)方法為相關(guān)研究提供了新的思路。

引入新方法時(shí)，可以考慮不同思路的結(jié)合，和與傳統(tǒng)方法相結(jié)合；其中動(dòng)荷載作用下的可靠性研究一直是難點(diǎn)，有待數(shù)學(xué)上對(duì)這一問題的更精確刻畫和物理學(xué)上對(duì)之破壞過程機(jī)理的更精確解釋。研究方法應(yīng)將理論推導(dǎo)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬、工程實(shí)測(cè)相結(jié)合，其中工程實(shí)測(cè)有待更進(jìn)一步的發(fā)展。

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