标题

考虑节理空间分布不确定性的岩质边坡可靠度分析

Reliability analysis of rock slopes considering the uncertainty of joint spatial distributions

期刊

Computers and Geotechnics

链接

https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2023.105566

作者

张化进，吴顺川*，张中信，黄世贵

论文介绍

岩质边坡的稳定性受岩体强度参数变异性、节理几何参数不确定性和空间分布随机性等多重因素的共同影响，呈现出强烈的不确定性。目前节理岩质边坡的可靠度分析中，大多数研究都聚焦于岩体结构强度参数的不确定性，通常将黏聚力和摩擦角看作岩质边坡可靠度分析的重要参数，而将节理的几何参数视为确定性参数，将节理的空间分布假设为平行节理模型，明显忽视了节理几何参数的变异性。然而，基于类似简单假定生成的节理网络模型与实际情况显然不符，这可能导致岩质边坡失稳概率的偏差估计，致使节理岩质边坡可靠度问题至今仍未得到较好解决。

对节理岩质边坡进行稳定性分析时，正确处理岩体结构面是关键性问题。但由于岩质边坡稳定性依赖于地下节理的精确描述，目前无论采取何种测量手段，均无法对地层中节理进行全面、准确地观测。近年来，随机节理网络模拟技术日益被边坡工程领域所接受。然而，根据现场露头实测数据统计拟合获得的裂隙网络模型，尽管大体上能反映岩体节理的空间分布规律，但所建立的岩体结构面与实际结构面并不是一一对应的，边坡稳定性评价结果必然存在一定失真性。由此可见，在节理岩质边坡可靠度分析中，存在一个重要的不确定性来源——节理位置分布随机性。从某种意义上说，这种节理位置随机性应获得更多的关注，因为在同一概率分布情况下，节理网络模型的节理位置存在较大区别，坡面附近的节理数量越多、连通性越好的岩质边坡安全系数越小。因此，探讨节理位置分布随机性对岩质边坡可靠度性的影响具有重要的实际工程价值。

为真实准确地评价节理岩质边坡稳定性，本文提出一种考虑节理空间分布不确定性的岩质边坡可靠度分析方法。首先，运用DFN构建节理网络模型以表征节理几何参数的变异性，假定节理位置分布随机变量为随机数库中服从均匀分布的随机整数。然后，利用拉丁超立方法对岩体结构强度参数与节理位置随机变量进行抽样，产生符合随机变量概率分布的随机数。最后，将抽样结果与有限元强度折减法相结合计算边坡安全系数分布，确定节理岩质边坡的失稳概率和可靠度。研究结果表明：本文方法同时考虑了边坡内的岩体结构强度参数不确定性、节理几何参数变异性和位置随机性，可真实表征节理岩质边坡稳定性的主要影响因素，有效弥补了现阶段研究的不足，使节理岩质边坡可靠度评价结果更加准确可靠。

主要创新点和结论如下：

(1) 针对岩质边坡中的节理空间不确定性问题，提出采用DFN节理网络模型表征节理空间分布规律，真实模拟节理非贯通、随机发育的特征。同时探索了节理位置对岩体强度和破坏模型的影响，在可靠度分析中引入随机变量反映节理位置分布随机性。

(2) 为真实表征节理岩质边坡稳定性，融合了DFN节理网络模型、节理位置分布随机变量、拉丁超立方法和有限元强度折减法，提出一种节理岩质边坡可靠度分析方法，充分考虑了岩体结构强度不确定性、节理几何参数变异性和位置随机性，使节理岩质边坡可靠度评价结果更加准确合理。

(3) 根据案例数值分析结果，节理岩质边坡的稳定性与坡面附近节理数量及切割组合关系密切相关。可靠度计算过程中若不考虑节理产状变异性和位置分布随机性，岩质边坡的值稳定性将被严重高估或低估，不利于后续边坡方案设计与施工，甚至酿成滑坡灾害或增加不必要支护成本。

图1 节理位置分布随机性示意图(a) DFN模型1; (b) DFN模型2; (c) DFN模型3

图2 节理岩质边坡可靠度分析流程