蔣博聞

摘 要：文章針對求解難題和工程實際、引入新思想、地震荷載作用對巖質(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)點是求解方便、精度高；引入新思路可避開對滑坡過程機(jī)制的完全認(rèn)識與顯式極限方程式的剪力，最后對巖質(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)定具有其獨特的性質(zhì)[1]。在巖土工程領(lǐng)域，很多專家學(xué)者都對巖質(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)計理論為基礎(chǔ)，從極限狀態(tài)的角度，對邊坡穩(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 針對求解難題和工程實際可靠性研究方法

實際工程中，邊坡的破壞具有漸進(jìn)性[3]，同一時間滑動面上各點往往不是一起達(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)性對邊坡可靠度計算的影響，采用二階可靠性方法對其進(jìn)行分析，通過在驗算點處用一個二次曲面來代替原極限狀態(tài)曲面來求解，這在計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)行驗證。

此外，傳統(tǒng)的最危險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，因此有必要對危險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)有限元法計算出隨機(jī)動載和靜載單獨作用下結(jié)構(gòu)的可靠度，并求出其共同作用時的可靠度，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，運用蒙特卡羅法進(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巖體受力變形的認(rèn)知不夠完善這一缺點而引入巖質(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。虎旭林，魏星，任克亮[8]采用BP網(wǎng)絡(luò)，對巖質(zhì)邊坡可靠性進(jìn)行了預(yù)測。在取得較高預(yù)測精度的同時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)驗風(fēng)險最小化原則。

在建立巖質(zhì)邊坡概率模型時，由于隨機(jī)變量服從的分布方式與實際存在誤差，計算結(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。王宇，魏忠獻(xiàn)，黎明[12]等運用統(tǒng)計矩估計法和模糊隨機(jī)理論，利用模糊點估計法對可靠度指標(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（包括中心點法和驗算點法）可以通過分步分析，計算后驗證等方法有機(jī)地結(jié)合起來，在避開復(fù)雜邊界條件求解的基礎(chǔ)上保重運算的精度和收斂性。在失效模式方面，使危險滑移路徑的搜索和滑動面極限狀態(tài)滿足實際巖質(zhì)邊坡的破壞機(jī)制使可靠度的計算結(jié)果更有參考意義。引入新思想是可靠性研究的一大趨勢。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)域的知識運用到了可靠性研究領(lǐng)域，在求解中避開了對滑坡過程機(jī)制的完全認(rèn)知和顯式極限狀態(tài)方程的建立等難點，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，可以考慮不同思路的結(jié)合，和與傳統(tǒng)方法相結(jié)合；其中動荷載作用下的可靠性研究一直是難點，有待數(shù)學(xué)上對這一問題的更精確刻畫和物理學(xué)上對之破壞過程機(jī)理的更精確解釋。研究方法應(yīng)將理論推導(dǎo)、模型試驗、數(shù)值模擬、工程實測相結(jié)合，其中工程實測有待更進(jìn)一步的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]趙明階.巖石力學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]劉漢東.水電工程巖質(zhì)高邊坡安全度標(biāo)準(zhǔn)研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報，1999，19（1）：40-44.

[3]譚文輝，蔡美峰.邊坡工程廣義可靠性理論與實踐[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4]譚曉慧.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的可靠性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20（增1）：1042-1045.

[5]段建.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及其危險滑移路徑搜索研究[D].湖南：中南林學(xué)院，2005.

[6]李鋒，孟廣偉，周立明，等.復(fù)雜荷載作用下的結(jié)構(gòu)可靠性研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，43（增1）：295-298.

[7]宋新龍，王宇，汪燦.巖質(zhì)邊坡隨機(jī)楔體穩(wěn)定性分析的Monte-Carlo模擬[J].安全與環(huán)境工程，2012，19（1）：112-116.

[8]虎旭林，魏星，任克亮.巖質(zhì)邊坡可靠性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計[J].寧夏大學(xué)學(xué)報，2001，23（3）：290-292.

[9]賀子光，張玉嬌，孟強(qiáng).基于SVM-GEP巖質(zhì)邊坡可靠性分析[J].洛陽理工學(xué)院學(xué)報，2013，23（2）：24-29.

[10]曾晟，孫冰，楊仕教.基于ABAQUS-ANFIS-MCS的巖質(zhì)邊坡可靠性分析[J].巖土力學(xué)，2007，28（12）：2661-2665.

[11]于生飛，陳征宙，蔣鑫.基于區(qū)間方法的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性非概率可靠性分析[J].防震減災(zāi)工程學(xué)報，2012，32（2）：170-175.

[12]王宇，魏忠獻(xiàn)，黎明.巖質(zhì)邊坡楔形體穩(wěn)定模糊隨機(jī)可靠性研究[J].地質(zhì)科技情報，2012，31（4）：111-116.