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期刊: Computers and Geotechnics

作者: Xuegang Pan; Jinqing Jia.

工作單位: 大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點實驗室

      本研究提出了一種基于代理模型的錨固邊坡系統(tǒng)（ARSS）時變可靠性計算方法。通過納入復(fù)合失效模式、巖土材料的變異性以及腐蝕影響作為不確定性因素，該方法克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)可靠性分析方法的局限性。系統(tǒng)失效概率被定義為局部錨桿失效的組合概率與相應(yīng)條件下邊坡失效的條件概率乘積之和。還計算了由于腐蝕影響而隨時間退化的錨固邊坡承載能力的時變系統(tǒng)可靠性。結(jié)果表明，錨固邊坡系統(tǒng)具有一定的冗余度。然而，由于應(yīng)力重分布效應(yīng)，局部錨桿失效顯著增加了剩余錨桿和邊坡失效的概率。相鄰錨桿以及位于斜坡下部中間位置的錨桿失效會產(chǎn)生更為顯著的影響。雖然系統(tǒng)失效的概率主要由非錨桿失效事件決定，但忽略局部錨桿失效可能會導(dǎo)致結(jié)果不保守。錨桿最初具有很強的抗腐蝕性。然而，隨著時間的推移，腐蝕作用會顯著降低其承載能力，導(dǎo)致斜坡失效的概率幾乎增加四倍。本研究強調(diào)了在錨桿支護系統(tǒng)的長期可靠性評估中考慮局部錨桿失效、巖土材料的變異性以及腐蝕效應(yīng)的重要性。這些考慮有助于提高巖土工程實踐的安全性和可持續(xù)性。

圖1 錨固土坡的幾何結(jié)構(gòu)與配筋布置

圖2 無錨固加固邊坡位移等高線

圖3 單層錨桿失效時（φ = 20, c = 20 kPa）的ARSS位移輪廓：(a)錨桿全部工作；(b) A1層失效；(c) A2層失效；(d) A3層失效；(e) A4層失效；(f) A5層失效

圖4 錨桿在各種工況下的軸力和安全系數(shù)的均方根誤差

圖5 各錨桿工況下RSM預(yù)測值與數(shù)值結(jié)果的比較：(a) F2*和(b) Fs

圖6 MCS與FORM計算的無錨破壞條件概率的比較

圖7 錨的穩(wěn)定力隨使用時間的變化

圖8 隨時間變化的ARSS系統(tǒng)失效概率

      本研究提出了一種評估錨固巖質(zhì)邊坡系統(tǒng)（ARSS）隨時間變化的系統(tǒng)可靠性的方法，并考慮了局部土體或錨桿失效對邊坡穩(wěn)定性的影響。該方法著重分析諸如腐蝕效應(yīng)、巖土工程變異性以及不同失效機制等不確定性因素。最后，該方法被應(yīng)用于一個實際工程案例，并與其它評估方法的計算結(jié)果進行了比較。

（1）將 ARSS 的失穩(wěn)情況歸類為相互獨立的事件，這些事件由不同組合的錨桿失效構(gòu)成?；谌怕识ɡ恚到y(tǒng)失效的概率表示為局部錨桿失效概率與這些事件的邊坡條件概率乘積之和。通過考慮腐蝕導(dǎo)致的錨桿支護能力隨時間的降低，可以計算出邊坡隨時間變化的系統(tǒng)可靠性。這種方法在考慮復(fù)合失效模式和腐蝕退化對錨固邊坡失效概率的影響的同時，無需計算多種失效模式之間的相關(guān)系數(shù)。

（2）作為復(fù)雜復(fù)合系統(tǒng)的錨固巖質(zhì)邊坡支護系統(tǒng)（ARSS）表現(xiàn)出多樣且相互依存的破壞模式。錨桿或巖土的局部破壞會導(dǎo)致邊坡內(nèi)部應(yīng)力重新分布。相鄰層的破壞更有可能導(dǎo)致受影響區(qū)域支護能力同時下降，形成更大的不穩(wěn)定區(qū)域，從而危及邊坡的整體穩(wěn)定性。位于邊坡中下部的關(guān)鍵層（如 A1、A2 和 A3）對整體穩(wěn)定性貢獻顯著，而上部和下部的層（如 A4 和 A5）影響相對較小。

（3）ARSS 具有一定的冗余度，但多層破壞會顯著增加不穩(wěn)定概率，相鄰層破壞的累積效應(yīng)最為明顯。在沒有層破壞的情況下，邊坡整體破壞的概率僅為 1.241%。當(dāng)一個、兩個或所有關(guān)鍵層破壞時，邊坡失穩(wěn)的概率分別增加到 16.924%、51.107% 和 95.943%。

（4）ARSS 系統(tǒng)破壞的概率取決于局部錨桿破壞的概率以及條件概率。在這些事件發(fā)生的情況下，評估邊坡失穩(wěn)的可能性。當(dāng)多層失穩(wěn)事件的概率較低時，它們對邊坡失穩(wěn)的總體概率貢獻極小。因此，在特定條件下邊坡失穩(wěn)的條件概率高，并不一定意味著系統(tǒng)失穩(wěn)的總體概率高。系統(tǒng)失穩(wěn)的概率主要由沒有層失穩(wěn)的情況所決定。然而，忽略局部層失穩(wěn)可能會導(dǎo)致計算結(jié)果不保守。

（5）腐蝕不僅降低了錨桿的承載能力，還增加了邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險。雖然錨桿在早期具有很強的抗腐蝕性，但隨著時間的推移，腐蝕的累積效應(yīng)會顯著削弱其承載能力，使邊坡失穩(wěn)的概率幾乎增加四倍。因此，長期邊坡穩(wěn)定性評估應(yīng)納入腐蝕建模和預(yù)測。應(yīng)采取有效的防腐措施以延長錨桿的使用壽命，更準(zhǔn)確地預(yù)測未來的失穩(wěn)風(fēng)險，并提高邊坡的整體穩(wěn)定性?？傊?，本研究采用系統(tǒng)可靠性分析方法全面探究了錨索支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為工程實踐和學(xué)術(shù)研究提供了寶貴的見解和指導(dǎo)。未來的研究可以進一步拓展這些成果，為提高邊坡加固工程的安全性和可靠性提供更有力的支持。

Xuegang Pan, Jinqing Jia. Time-dependent system reliability analysis of anchor-reinforced slopes based on surrogate models. Computers and Geotechnics 184 (2025) 107257