基于模糊理论和随机场模型的边坡可靠度分析

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边坡可靠度分析是边坡工程防灾减灾的重要理论依据。边坡工程中的不确定性主要可以归纳为随机性和模糊性两种。现有的边坡可靠度分析方法大多只考虑了其中一种不确定性。少数边坡可靠度分析方法虽然能够同时考虑两种不确定性,但却忽略了土性参数空间变异性这一随机性的重要特征,因而得到的结果并不全面。随机场模型能够较为合理地描述土性参数的空间变异性。本文在随机场模型和模糊数学相关方法的基础上,对考虑随机和模糊不确定因素的边坡可靠度分析方法进行研究,提出能同时考虑随机性和模糊性的边坡可靠度分析方法,对边坡可靠度分析的理论研究及应用具有重要意义。论文的主要工作如下:  (1)利用拉丁超立方抽样法、人工神经网络和随机有限元法构造了边坡随机可靠度的响应面函数,得到了黏聚力、内摩擦角、黏聚力和内摩擦角的相关系数、波动范围、坡角等边坡参数与失效概率之间映射关系的显式表达式。  (2)针对传统模糊点估计法计算工作量大的问题,基于人工神经网络,提出了边坡可靠度分析的改进模糊点估计法。实例分析表明:改进方法能减少计算工作量,并且可以通过增加截集水平个数的方式来提高计算精度;梯形模糊数、三角形模糊数和正态模糊数中,视基本变量为正态模糊数得到的计算结果相对合理。  (3)将随机有限元法和模糊截集理论相结合,提出了一种考虑土性参数空间变异性和基本变量模糊性的边坡可靠度分析方法,研究了各因素对边坡失效概率的影响。结果表明:内摩擦角和黏聚力变异性的影响程度最大,垂直波动范围和内摩擦角与黏聚力之间相关性的影响程度居其次,隶属函数形状参数和水平波动范围的影响程度较小;在内摩擦角和黏聚力变异性较大时,忽略土性参数的空间变异性,可能会高估边坡的模糊随机可靠度指标。  (4)在极限平衡法、方差折减法和模糊隶属函数的基础之上,提出了一种考虑土性参数空间变异性和失稳破坏状态模糊性的边坡可靠度分析方法,研究了各因素对边坡失效概率的影响。结果表明:内摩擦角和黏聚力变异性的影响程度最大,等效各向同性波动范围和内摩擦角与黏聚力之间相关性的影响程度居其次,失稳破坏状态模糊隶属函数分布类型的影响程度较小;该方法得到的概率临界滑动面位置并不总是固定的,当参数取值发生改变时,概率临界滑动面的位置有可能发生变化。  (5)基于极限平衡法、方差折减法、模糊截集理论和模糊隶属函数,提出了一种随机场模型下同时考虑基本变量和失稳破坏状态模糊性的边坡可靠度分析方法,比较了土性参数空间变异性、基本变量模糊性和失稳破坏状态模糊性对边坡可靠度的相对影响程度。结果表明:采用该方法进行分析时,土性参数空间变异性对结果的影响最大;基本变量模糊性对结果的影响最小,从简化计算的角度考虑可以忽略。  本文运用对随机性和模糊性的多种处理方法,研究了考虑各种不确定因素影响下的边坡模糊随机可靠度分析方法,可为边坡工程的安全分析、评价提供新的思路和方法,为边坡工程的防灾、减灾提供理论参考。
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