基于证据理论的支挡型黄土高陡边坡稳定性评价.pdf

第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.基于证据理论的支挡型黄土高陡边坡稳定性评价李 哲刘 彤刘路路韩 猛官宸慧张庭顺(长安大学公路学院 西安)(东南大学交通学院 南京)(中国矿业大学深部岩土力学于地下工程国家重点实验室 徐州)(大连理工大学土木工程学院 大连)(武汉大学土木工程学院 武汉)摘要:为准确评价高陡边坡的稳定性以黄延高速公路高陡边坡为依托工程采用 证据理论建立支挡型黄土高陡边坡安全评价指标框架体系进一步提出了考虑支挡结构的高陡边坡稳定性评价方法.采用 编程软件对监测的抗滑桩与高陡边坡水平位移历史数据进行迭代和反演计算得到边坡变化过程中各参数随时间变化的动态变化规律实现对边坡的安全预警.根据安全评价结果目标边坡处于安全状态的概率为.处于基本安全的状态的概率为.结果表明:证据理论可对高陡边坡各指标间的一致性和冲突性进行定量衡量并使各指标能够真实反映高陡边坡的特征基于证据理论的评价模型所得结果与工程实际相吻合.该研究为同类边坡的安全评价提供了新的途径.关键词:黄土边坡稳定性评价 证据理论安全评价中图分类号:.文献标志码:文章编号:()()()()()():.:收稿日期:.作者简介:李哲()男博士副教授.基金项目:陕西省交通运输厅 年度交通科研资助项目()、特殊地区公路工程教育部重点实验室开放基金资助项目().引用本文:李哲刘彤刘路路等.基于证据理论的支挡型黄土高陡边坡稳定性评价.东南大学学报(自然科学版)():.:./.:/.随着国家“一带一路”和“交通强国”发展规划的提出我国高速公路、铁路建设正向地势复杂地形多以山谷、高原和丘陵为主的西北黄土高原地区快速发展而更为复杂的地质环境则为边坡设计带来了挑战并进一步对高陡边坡稳定性的研究提出了更高的要求.现有的研究常集中于低边坡坡面的稳定性忽略了支挡结构的稳定性而高陡边坡的稳定性由边坡坡体和支挡结构两者共同决定 因此将二者有机结合并建立完善的评价体系是亟待解决的问题.近年来国内外不少学者对边坡的安全评价问题进行了大量研究提出了一些边坡稳定性评价方法.人工神经网络具有自组织、自学习的特点能较好地处理边坡的非线性映射但推理过程不透明部分影响因素采用人为赋值的方法计算.等建立了一个人工神经网格对条状地基的极限承载力进行了评价并按其重要程度进行了分类李蕾利用 人工神经网络对某特定自然降水环境下的边坡进行了稳定性分析.灰关联法是信息较少时系统的有效方法但在进行聚类分析时主观判断对功效函数的确定影响很大.等提出了一个基于区域划分的灰色体系模型来研究人为因素对流域的作用冯忠居等基于灰色系统原理提出用于混凝土动态弹性模量的动态响应模型.模糊综合评价法采用隶属函数评价边坡稳定性该方法具有系统性强、结果清晰的特点但各指标权重的分配人为主观因素多.等、等建立了模糊评价模型研究岩石跳动距离计算方法和典型滑坡前期预报孙欣用模糊综合评判法和 技术评价边坡稳定性评价结果与数值模拟结果吻合.还有学者用可靠度分析边坡的稳定性如罗强等采用可接受部分单元边坡失稳的/()系统模型对长区段路基边坡系统安全性进行概率评价朱聪聪将可靠度理论引入到高边坡工程的稳定性分析中得到了高边坡失稳的可靠性指数和发生失稳的概率.有时仅用一种方法并不能很好地评价边坡稳定性可将 种或多种方法相结合进行研究.如张学喜提出了一种将 神经网络与各因子的非线性关系相结合的快速遗传算法用以评价边坡稳定性夏炜洋基于灰色关联度分析影响边坡稳定性因素的关联性结合 神经网络对边坡的发展趋势进行了预测.由于支挡型黄土高陡边坡稳定性评价具有模糊性和不确定性与上述方法相比 证据理论的推理程序更为严密且对信息的整合更为完备并且评价精度较高但目前在边坡稳定性评估中引入证据推理方法的研究尚少.本文应用边坡稳定性评价体系建立评价模型对包茂高速典型支挡型高陡边坡进行安全评价并得出边坡变化过程中各参数随时间变化的动态变化规律从而为类似工程稳定性评价提供新思路.证据理论及基于证据理论的评价方法.基本函数证据理论是由 于 年提出的一种不精确推理理论也称为 证据理论在解决受多因素、多指标影响下的不确定性问题方面应用广泛尤其是其计算公式被广泛地用于数据融合.将在模式识别中判定的问题所有可能的答案都包含在一个非空有限集合 中.定义 设 为辨识框架 为幂集 中一个集类 为 的子集若函数:满足()()()函数 为辨识框架上的基本概率分配函数对任意的命题()称为命题 的基本概率分配.定义 设 为辨识框架 为幂集 中一个集类 为 的子集 为 上的 函数:满足()()()称为辨识框架 上的置信函数对任意的命题()称为命题 的可信度表示给予命题 的全部的可信程度.基于证据理论的不确定性多指标评价方法提出了考虑权重的不确定性多指标评价改进算法:假设待解决问题的辨识框架 .其中表示辨识框架的第 个子集.设 表示 个评价方法中的第 个方法表示 个指标中的第 个指标 前 个指标构成的集合用()表示即()为第 个指标的权重因此 且 ()为第 个指标在辨识框架上的置信度且()()为第 个指标的 函数为基本概率指派函数反映基本指标 支持上层指标为评价等级 的置信度第 期李哲等:基于证据理论的支挡型黄土高陡边坡稳定性评价:/.()为未分配概率.设()表示考虑权重总的置信度()表示考虑权重总的不确定度()的计算过程如下:()()()()()()()式中()()表示()前 个指标支持假设 被评为 等级的置信度()表示未分配给前 个指标的置信度.()()():()()()()()()安全评价模型.识别框架建立根据岩土边坡稳定性评价常采用的稳定级别将稳定性分为 个等级(见表):安全状态、基本安全状态、临界状态、破坏状态.这 种评价结果完整地描述了某一边坡安全状态且相互排斥即 .表 支挡型黄土高陡边坡稳定性等级评价标准稳定性等级接受准则安全状态边坡稳定基本安全状态边坡基本稳定临界状态边坡欠稳定需采取防护措施破坏状态边坡不稳定需采取防护措施.基本概率分配函数的确定目前广泛使用的是康兵义等提出的基于区间的基本概率分配函数生成方法下面简单介绍区间的定义.定义 设 和 为 个区间则它们距离的二次方 为()()()()定义 设 和 为 个区间数则区间、的相似度()为()()()式中 为支持系数()为区间数 和 之间的距离可以调节相似性数值的离散度.采用区间求解基本概率分配的具体步骤如下:将确定的基本指标的区间划分结果作为区间数模型.将各指标的试验数据、监测数据取值构成的区间作为识别区间.根据式()计算 个区间之间的距离.根据式()计算 个区间之间的相似度.对相似度进行归一化处理即可得到基本概率赋值.置信度公式在得到基础概率数值后再计算权重的基础概率赋值.指标基础概率分布的计算过程如式()()所示.根据 的观点在边坡安全评价时所选择的基本指标中既有定量指标如日降雨量、孔隙水压力等也有定性指标如边坡形态、坡体裂隙等.定性指标是指需要将评价指标在各自辨识框架上的置信度转到总的辨识框架上转移后置信度和不确定度的计算过程如下:()()():()()()():()()()式中 为传统冲突系数能够反映不同证据间的矛盾程度 ()()().根据式()最终得到在识别框架下和各指标联合作用下边坡的可信度.支挡型黄土边坡指标选择支挡型黄土边坡安全性评价指标分为边坡坡体和支挡结构 个方面.边坡坡体稳定性的影响因素众多内部因素主要包括土的性质、结构、地应力以及土体中水的作用等外部条件主要包括气象特征、地震、边坡形态的改变等.因此在进行边坡坡体体系构建时需要全面考虑影响坡体稳定的内外因素.对于自身不稳定的边坡采用支挡结构是目前比较常用的手段之一.本文支挡结构以抗滑桩为例当边坡失稳时滑坡产生的滑坡推力作用在抗滑桩上抗滑桩将滑坡推力传递到下部稳定的土层中依靠土体自身的抗力抵抗滑坡推力.支挡型边坡安全评价指标体系如表 所示.工程实例分析.工程背景包茂高速 陕西境黄陵至延安高速公路东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.表 支挡型黄土高陡边坡安全评价指标体系一级指标二级指标三级指标边坡坡体土体物理力学特性黏聚力内摩擦角土体重度粉粒含量压缩模量泊松比降雨特性日降雨量孔隙水压力径排条件边坡形态特征边坡高度边坡坡度边坡形态坡顶裂隙边坡土体位移累计位移位移速率支挡结构抗滑桩位移累计位移位移速率抗滑桩内力抗滑桩弯矩抗滑桩剪力所处地区由于其地形属黄土高山峻岭塬面坡度较陡容易发生滑坡等灾害且多处黄土塬已经成为黄土岭两侧滑坡现象很严重此处高陡边坡综合坡率在 .之间 以上的边坡有 个.本文选取最大高度的万花边坡采用提出的证据推理方法进行安全评价标段为 属于旧滑坡边坡级数为 级抗滑桩长度 其余参数如表 所示.万花边坡及其地质剖面图如图 所示.()万花边坡()地质剖面图(单位:)图 万花边坡及地质剖面图表 目标边坡参数级数高度/支挡结构形式岩性.抗滑桩离石黄土 红土 强风化砂岩 中风化砂岩 本文通过室内试验、现场试验以及现场监测等方法获得基本指标的取值建立支挡型黄土高陡边坡安全评价指标框架体系结果如表 和表 所示.位移采用固定式测斜仪进行监测利用自动采集系统进行数据采集本文取最大位移作为区间划分依据.表 目标边坡土体物理力学参数表评价指标数值含水率/剪切速率/().粉粒质量分数/内摩擦角/().泊松比.压缩模量/土体重度/()黏聚力/.表 目标边坡指标实测值评价指标数值边坡高度/边坡角()土体深部水平位移最大深度/测点.测点.测点.土体深部水平累计位移/测点.测点.测点.抗滑桩深部水平位移/测点.测点.测点.安全评价指标区间划分以降雨量为例确定降雨量指标区间划分过程.利用野外设置的降雨测量仪对降雨情况进行监测利用在边坡上设置的孔隙水压力传感器对边坡土壤进行检测.水平位移与累计降雨量关系如图 所示由图可知黄土斜坡土体内部位移随降雨量的增加逐渐增大.土体位移与入渗深度的关系如图 所示.深度处土体的位移较大并呈现出明显的阶段性特点且试验过程中该部分土体发生了明显的滑移现象.因此以.深度处土体位移的变化趋势确定累计降雨量的区间限值.在./的降雨强度作用下.深度处土体发生滑移土体位移随降雨量的变化明显分为 个阶段:第 阶段累计降雨量从 增加至.土体位移基本保持不变.第 阶段累计降雨量从.增加至.第 期李哲等:基于证据理论的支挡型黄土高陡边坡稳定性评价:/.土体累计水平位移从.增加到.边坡土体位移缓慢增加但变化量不大.第 阶段累计降雨量从.增加至.当累计降雨量为 时土体位移由.迅速增加至.且随着降雨的持续继续保持缓慢增长此时该部分土体已经处于不稳定状态.第 阶段累计降雨量超过.当累计降雨量为.时边坡土体位移由.迅速增加至.且随降雨的持续基本保持不变此时该部分土体已经发生明显的滑移现象.基于以上降雨作用下土体位移随累计降雨量的增加呈现出明显的阶段性的特点以累计降雨量为指标将降雨对边坡位移的影响分为 个阶段得到黄土边坡安全评价等级的标准如表 所示.图 水平位移与累计降雨量关系曲线图图 水平位移与入渗深度关系曲线表 边坡安全评价基本指标区间划分辨识框架日降雨量/.基于数值模拟以及抗滑桩缩尺模型试验的结果对土体位移、抗滑桩内力及抗滑桩位移等基本评价指标进行区间划分.土体物理力学特性指标基于室内反复直剪试验和压缩试验的结果进行划分孔隙水压力和日降雨量根据黄土斜坡人工降雨试验进行划分.具体划分结果如表 所示.表 边坡安全评价基本指标区间划分评价指标辨识框架抗滑桩位移速率/().抗 滑 桩 桩 顶位移/抗滑桩剪力/抗滑桩弯矩/()边 坡 土 体 位移速率/().边 坡 土 体 位移/.孔隙水压力/日 降 雨 量/泊松比.土 体 重 度/()抗 剪 强 度/压 缩 模 量/边坡高度/边 坡 坡 角/().各指标基本概率分配根据图 利用式()、()得出各指标各个等级的基本概率分配.由于指标过多此处以日降雨量为例展示基本概率分配计算过程.确定区间模型.根据表 评价指标日降雨量区间数为、.确定识别区间.通过现场监测得到万花边坡某一日的降雨量为.则日降雨量构成的识别区间为.