邊坡可靠度分析是根據已知的隨機變數統計參數和機率分布模型以及給定的邊坡穩定功能函式，估計邊坡在規定條件下和規定時間內完成預定功能的機率方法。該法以機率統計理論為基礎，充分考慮了計算參數的不確定性，概念簡單，思路清晰，是一種比較成熟的不確定性分析方法，在邊坡穩定分析中得到了廣泛的套用。
基本介紹
- 中文名：邊坡可靠度分析
- 外文名：Reliability analysis of slope
- 流程1：選擇隨機變數
- 流程2：建立極限狀態方程
- 流程3：求解邊坡的可靠度
- 學科：地質科學
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邊坡可靠度分析原理
可靠度分析法是根據已知的隨機變數統計參數和機率分布模型以及給定的邊坡穩定功能函式，估計邊坡在規定條件下和規定時間內完成預定功能的機率。該法以機率統計理論為基礎，充分考慮了計算參數的不確定性，概念簡單，思路清晰，是一種比較成熟的不確定性分析方法，在邊坡穩定分析中得到了廣泛的套用。根據結構可靠度的定義和機率論的基本原理：
設X=(X1，X2，…，Xn)為結構的基本隨機變數，Xi(i=1，2，…，n)為第i個基本隨機變數，以Z=g(X)表示結構的功能函式，則有：
Z=g(X)=0（1）
Z=g(X)=0稱為結構的極限狀態方程，它是結構進行可靠性分析的主要依據。在邊坡穩定計算中，常用的極限狀態函式和可靠指標計算公式如下：
Z=F(X)-1（2）
β=μZ/σZ=（μF-1）/σF（3）
式中：F(X)為安全係數；β為可靠指標；μF為安全係數的均值；σF為安全係數的標準差。
邊坡可靠度分析現狀
根據邊坡可靠度分析的基本原理，邊坡可靠度分析的一般流程為：①分析影響邊坡穩定的因素，選擇隨機變數；②選擇邊坡穩定分析方法，建立極限狀態方程；③根據可靠度求解方法求解邊坡的可靠度。
隨機變數
無論人工邊坡還是天然邊坡，在外界作用下，邊坡會改變原有應力狀態，並產生不同程度的變形與破壞。影響邊坡穩定的因素有很多，主要有土體類型、結構特性、地質構造、邊坡形態、地下水位、降雨、地震力以及人類活動等，受地質作用影響，這些因素在空間上具有變異性和不確定性，但通過統計分析能夠得到它們落在某個範圍中的機率，故稱它們為隨機變數。在諸多不確定因素中，較多學者將研究重點放在了岩土體的物理力學參數上，如葉遇春研究了土體粘聚力和內摩擦角的隨機變異性對土質邊坡可靠度的影響；熊啟東，況龍川研究了粘聚力和內摩擦角的分布類型、變異係數和互相關性對堆積層邊坡可靠度的影響；趙凱研究了土體重度、粘聚力、內摩擦角的變異性和相關性對均質土坡可靠度的影響。由於影響邊坡穩定的不確定因素較多，僅僅考慮岩土體物理力學參數的不確定性還不能真正地反映邊坡實際穩定狀態，因此，在以後的研究中，地下水位、降雨、地震力等因素對邊坡可靠度的影回響予以考慮。
極限狀態函式
由式（2）可知：極限狀態函式的求解實質上是在考慮邊坡不確定因素的基礎上求解邊坡的安全係數。目前常採用的邊坡安全係數求解方法主要是極限平衡法和強度折減法。極限平衡法原理簡單，物理意義明確，計算結果能夠滿足工程的一般要求，故在岩土工程中得到了廣泛的套用。然而，該法主要存在以下幾個問題：①滑裂面需要事先人為指定，由於實際邊坡的地質情況極其複雜，人們難以準確地給出滑裂面的具體形狀和位置；②假定滑裂面以上的土體為剛塑性體，這與土體的實際情況不符；③滑裂面以上的土體屬於超靜定結構，需要假定部分未知力的大小及作用點才能求解。該法往往不能真實地反映實際邊坡的穩定狀態，而且計算量較大，故常用於簡單均質邊坡的穩定計算中。
可靠度求解方法
結構可靠與否常用可靠指標來度量，故對邊坡進行可靠度分析的最終目的是求出不確定因素影響下的邊坡可靠指標，從而給出邊坡是否穩定的結論。在實際工程中，結構的極限狀態函式常是非線性的，隨機變數未必都服從常態分配或對數常態分配，同時也未必相互獨立，因此，不能直接運用數學積分方法求出結構的可靠指標。鑒於如此，許多學者提出了一些近似求解可靠指標的方法，如中心點法、JC法和蒙特卡洛法等。上述各種方法具有一定的適用性，例如：中心點法雖計算簡單，但不能考慮隨機變數的實際分布類型，計算結果較粗糙；JC法彌補了中心點法的不足，計算結果比較精確，但需要對極限狀態函式進行求導計算，容易導致計算不收斂；蒙特卡洛法迴避了可靠指標求解中的數學求導問題，不考慮極限狀態曲面的複雜性，計算結果相對精確；但計算量較大，非常費時，在實際運用中具有一定的局限性。
邊坡可靠度分析發展方向
目前，邊坡可靠度分析理論尚不完善，可靠度求解尚局限於僅考慮部分影響因素的作用，故為了更能客觀真實地反映實際邊坡穩定情況，應加強以下幾個方面的理論研究，並與工程實踐相結合。
三維可靠度分析
在實際工程中，邊坡的可靠度分析還主要局限於二維問題，通常是將岩土材料視為各向同性的隨機介質，選取一個典型橫斷面對邊坡進行可靠度分析。雖然求解二維問題能夠滿足一般工程的精度要求，但是實際邊坡屬於三維邊坡，土體參數具有空間變異性和相關性，故用二維問題的求解結果來描述三維邊坡的穩定狀態勢必會造成所得結果的不精確。目前，國內外有些學者已經展開了對簡單邊坡三維可靠度分析的研究，但對實際邊坡的三維可靠度分析研究較少。因此，基於實際邊坡的三維可靠度分析是邊坡可靠度分析的一個研究方向。
動力可靠度分析
我國是一個地震多發的國家，每年因地震造成的滑坡災害極其嚴重，因此，地震作用下的邊坡穩定問題是岩土工程的重要研究課題。地震在瞬間發生，作用時間很短，其振動頻率、振動次數以及持續時間因地而異，而且地震慣性力的數值和方向均隨時間而變。由於地震作用的不確定性和未知性，故很有必要對地震作用下的邊坡進行可靠度分析。目前，地震作用下的邊坡可靠度分析尚處於探索階段，如何準確地計算地震作用並將其加入到邊坡的可靠度分析中仍需進一步的研究和探討。
流固耦合可靠度分析
滲流作用是邊坡穩定與否的主要影響因素之一。對土質邊坡而言，地下水的滲流是形成滑坡的主要原因；對水庫邊坡和防洪堤而言，水位升降和降雨產生的非穩定滲流是誘發滑坡的關鍵因素。在實際邊坡中，凡是有水流動的部位，滲流場和應力場之間就會相互作用、相互影響，是一種複雜的動態變化過程。非穩定滲流的入滲過程因時空變化而異，使岩土體的基質吸力也跟著發生變化，從而使岩土體的抗剪強度具有空間變異性和時間變異性。由於這些不確定性因素的影響，故很有必要對滲流作用下的邊坡進行可靠度分析。目前，儘管國內外許多學者對滲流作用對邊坡穩定的影響做了大量的研究，但由於問題的複雜性，如何合理地考慮滲流作用的影響仍是邊坡可靠度分析的一個重要問題。
