基于貝葉斯理論加固危巖邊坡優(yōu)化方案研究★

劉 宇 蔣凌云 唐玉婷 李燕清 周 強(qiáng) 劉 濤

(吉首大學(xué)張家界學(xué)院，湖南 張家界 427000)

1 概述

吉首大學(xué)張家界學(xué)院和張家界航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園多數(shù)建筑物臨無事溪而建，與此溪相連的山和邊坡坡度均較陡，越往后開挖邊坡越陡峭，無事溪邊坡距學(xué)院建筑群最近處僅為2 m。根據(jù)現(xiàn)場勘測情況可知邊坡土質(zhì)以殘積土及全風(fēng)化粉砂巖為主，巖層裂隙較發(fā)育，遇水極易軟化。由下至上的土層依次為：①強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖;②全風(fēng)化粉砂巖;③殘積土。因邊坡較陡，巖土穩(wěn)定性較差[1]，且距離學(xué)院建筑群太近，若不及時(shí)采取合適的支護(hù)措施，將對兩所院校學(xué)生的安全構(gòu)成威脅，見圖1。為避免不必要的危害，本文就以上問題，針對無事溪采用了四種邊坡加固方法進(jìn)行分析，分別為預(yù)應(yīng)力錨索法、樹根樁+化學(xué)灌漿法、微型鋼管樁法和土釘支護(hù)法。分析已有支護(hù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并基于貝葉斯理論進(jìn)行先驗(yàn)概率分析，確定出合適的無事溪邊坡加固方法。

2 四種邊坡支護(hù)方法的原理及特點(diǎn)

2.1 預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡

預(yù)應(yīng)力錨索包括錨頭、索體和錨固體。其中錨頭的作用是提供錨固力，并將其承受的錨固力分散傳遞給周圍的巖土邊坡。但預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡技術(shù)，主要還是通過索體將土體承受的壓力分散，并均勻傳遞給地層，減輕土體負(fù)擔(dān)，不僅可提高周圍地層抗剪強(qiáng)度，還可使地層開挖面保持自穩(wěn)。同時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨索還具有外形美觀、易綠化、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，是一種強(qiáng)有力的主動支護(hù)結(jié)構(gòu)[2-4]。常年松軟的無事溪路邊坡土體易受雨水侵蝕，鉆孔極易導(dǎo)致土層破壞。如若采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，只有在保證錨固端有效工作的前提下，錨索的強(qiáng)度達(dá)到一定程度，且預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，預(yù)應(yīng)力錨索才得以發(fā)揮加固作用，此外還應(yīng)考慮錨索銹蝕對其作用力的影響。

2.2 樹根樁+化學(xué)灌漿加固邊坡

“樹根樁+化學(xué)灌漿”為一種改良后的新型邊坡加固技術(shù)，把樹根樁與化學(xué)灌漿兩種邊坡加固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，增加其適用范圍。兩種方法結(jié)合可計(jì)算出“樹根樁+化學(xué)灌漿”加固邊坡的安全性，判斷此方法是否可行，與當(dāng)?shù)氐臄?shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)一步計(jì)算出實(shí)施的安全系數(shù)。無事溪邊坡坡度較為陡峭，面對強(qiáng)降雨等自然災(zāi)害易出現(xiàn)滑坡等現(xiàn)象，一方面通過采用樹根樁技術(shù)，空間上根據(jù)當(dāng)?shù)匚r邊坡的地形情況布設(shè)，增加樁的摩阻力，使邊坡土體有抗滑和錨固的能力；另一方面通過化學(xué)灌漿技術(shù)可以減少土體固結(jié)的時(shí)間，漿液滲透到巖土中，固結(jié)漿液后的漿液與地層形成整體，提高邊坡土體的抗剪強(qiáng)度。樹根樁和化學(xué)灌漿相輔相成，從而實(shí)現(xiàn)邊坡加固目的。但樹根樁+化學(xué)灌漿技術(shù)的應(yīng)用暫未普及，實(shí)際操作程序較困難。

2.3 微型鋼管樁加固邊坡

微型鋼管樁是一種口徑小強(qiáng)度高的新型抗滑樁，由微型樁技術(shù)與鋼管樁組成，同時(shí)其具有對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)、材料安全度高、施工周期短且方便等優(yōu)點(diǎn)。微型鋼管樁以其獨(dú)特的優(yōu)勢，備受關(guān)注。故本文將微型鋼管樁應(yīng)用于土質(zhì)比較疏松遇水易引起滑坡的無事溪邊坡，既發(fā)揮了微型鋼管樁安全度高，又體現(xiàn)了施工速度快，避免長時(shí)間影響學(xué)生正常作息等問題。但由于微型鋼管樁加固邊坡研究時(shí)間尚短，并未形成較為完整且成熟的制作、使用和維護(hù)體系。

2.4 土釘支護(hù)加固邊坡

土釘支護(hù)是以土釘為受力構(gòu)件的新型支護(hù)方式。土釘支護(hù)發(fā)展如此之快，其主要原因?yàn)椴牧系男枨罅可佟⒐こ塘啃　⑹┕すて诙獭⑹┕r(shí)所需場地較小、設(shè)備輕便簡單、施工噪聲小。因此適合于居民多、人口聚集的城市地區(qū)施工。

將土釘支護(hù)用于無事溪邊坡支護(hù)，既充分發(fā)揮其優(yōu)越性，同時(shí)土釘支護(hù)還具有較高的安全性，某處受損并不會影響整體支護(hù)體系。但土釘支護(hù)也存在局限性，如在有松散砂土或流塑粘性土以及藏有豐富地下水源的環(huán)境下，需將土釘支護(hù)與其他支護(hù)方式結(jié)合[5-7]，同時(shí)土釘還應(yīng)做防銹處理。

3 貝葉斯理論

貝葉斯理論是一種可以通過觀察結(jié)果來了解假設(shè)的方法，換言之，當(dāng)對某事件了解的相關(guān)信息特別少時(shí)，通過使用貝葉斯理論概率分析可幫助表示所有形式的不確定性。而本文基于貝葉斯理論，對四種邊坡支護(hù)的方法進(jìn)行比對分析，為無事溪的邊坡支護(hù)提出部分參考建議。

3.1 貝葉斯理論概述

貝葉斯理論是采用已發(fā)生事件概率推算未知事件發(fā)生概率，即總結(jié)過去，預(yù)見未來。20世紀(jì)50年代，貝葉斯理論得以發(fā)展，隨后一系列關(guān)于貝葉斯方法文章蜂擁而至，貝葉斯理論的本質(zhì)為：已知先驗(yàn)概率和數(shù)據(jù)參數(shù)，通過利用貝葉斯定理得到后驗(yàn)概率，再進(jìn)行決策分類(見圖2)。

貝葉斯公式[8]的定義可以表達(dá)為：設(shè)隨機(jī)實(shí)驗(yàn)E的樣本空間為Ω，Bi(i=1，2，…)為Ω的一個(gè)有限劃分且P(Bi)>0,對任意A?Ω,當(dāng)P(A)>0,有：

式中：P(Bi/A)——事件A發(fā)生的前提下，事件Bi發(fā)生的概率；

P(A/Bi)——事件Bi發(fā)生的前提下，事件A發(fā)生的概率；

P(Bi)——事件Bi發(fā)生的先驗(yàn)概率。

3.2 基于貝葉斯理論的分析

對于危巖邊坡工程，當(dāng)山體剪切滑動面的下滑力遠(yuǎn)大于抗滑力時(shí)，長時(shí)間將導(dǎo)致剪切面坡面破壞。為維持邊坡穩(wěn)定性，通常可削坡，抑或建立支擋結(jié)構(gòu)。通常單一削坡或擋墻，既不經(jīng)濟(jì)又不環(huán)保，此時(shí)可采用幾種邊坡支護(hù)方法相結(jié)合。多種支護(hù)方式的結(jié)合，使結(jié)構(gòu)與地層連接形成一種共同加固邊坡連接復(fù)合體，不僅能最大限度地承受外部剪力和拉力，還可提高潛在滑移面的抗剪強(qiáng)度，最大程度的阻止山體滑動。但此方法很難完全了解各支護(hù)方法施工數(shù)據(jù)，因而增加了邊坡加固最優(yōu)方法選取難度。為了解決這一困難，通過對預(yù)應(yīng)力錨索、土釘支護(hù)等四種方法進(jìn)行概率分析，利用概率形式去取代四種支護(hù)方法數(shù)據(jù)，描述四種支護(hù)方法的不確定性，通過貝葉斯先驗(yàn)概率進(jìn)行方案比選，從而選出較合適的邊坡支護(hù)方法。

3.3 基于貝葉斯理論的加固危巖邊坡優(yōu)化方案研究結(jié)論

當(dāng)危巖邊坡出現(xiàn)意料之外的問題時(shí)，通過采取適當(dāng)?shù)姆椒▽ふ覇栴}根源，并尋求最合適的解決對策。后期維護(hù)應(yīng)采用合理的順序方案進(jìn)行邊坡維護(hù)更新，如此既科學(xué)又經(jīng)濟(jì)。加固危巖邊坡優(yōu)化方案研究已在全球范圍內(nèi)引起很大關(guān)注，現(xiàn)加固危巖邊坡優(yōu)化方案研究的方法、實(shí)例介紹多不勝數(shù)。采用貝葉斯理論對危巖邊坡加固方法進(jìn)行篩選已迫在眉睫。通過對貝葉斯理論深入研究，將前人研究的經(jīng)典結(jié)論應(yīng)用于評價(jià)中，并結(jié)合實(shí)際邊坡概況，找出新型支護(hù)模型，得出最優(yōu)加固方案，見圖3。

4 結(jié)論與展望

本文基于貝葉斯理論，針對張家界市永定區(qū)熱水坑無事溪張家界學(xué)院段的危巖邊坡，通過對土釘支護(hù)法、預(yù)應(yīng)力錨索法、微型鋼管樁法、樹根樁+化學(xué)灌漿法四種加固方法體系進(jìn)行理論加固先驗(yàn)概率分析，最終確定選用預(yù)應(yīng)力錨索法進(jìn)行對無事溪邊坡的支護(hù)與加固最為合適。當(dāng)前加固危巖邊坡優(yōu)化方案研究已經(jīng)得到世界廣泛關(guān)注，但貝葉斯理論在此領(lǐng)域的應(yīng)用尚處初級階段，日后可利用此方法對加固邊坡的其他方法進(jìn)行研究與討論。