建筑工程中巖土邊坡抗剪強度勘察技術研究

摘 要：由于傳統巖土邊坡抗剪強度勘察技術直接對巖土邊坡抗剪強度勘察模型進行構建，未對巖土邊坡應力分布狀況進行解析，造成傳統方法勘測效果較差，因此本文提出建筑工程中巖土邊坡抗剪強度勘察技術研究。對巖土邊坡應力分布狀況進行解析，結合施工地區現有的巖土邊坡調研結果，構建巖土邊坡抗剪強度勘察模型，設計抗剪強度勘察流程，并對巖土邊坡抗剪強度勘察值進行輸出，設計對比試驗。試驗結果表明，該研究方法的勘測結果更接近真實巖土邊坡抗剪強度，勘測結果更準確。

關鍵詞：建筑工程；巖土邊坡；抗剪強度；勘察技術

中圖分類號：TU 45 " " 文獻標志碼：A

巖土邊坡抗剪強度在建筑工程中具有重要意義，它直接關系到土體的穩定性和工程的安全性。巖土邊坡是指土體與巖石相交處形成的斜坡，其穩定性對道路、鐵路、水利工程等基礎設施的設計和施工，乃至整個社會的發展都起著至關重要的作用[1]。巖土邊坡的各種災害事件時有發生，如滑坡、崩塌、泥石流等，給人民群眾的生命財產帶來了嚴重的損失。因此，加強巖土邊坡抗剪強度的研究具有緊迫的現實意義。本文旨在對巖土邊坡抗剪強度勘察技術研究進行深入探討，分析巖土邊坡的特性和力學行為，以期為工程師和決策者提供科學、準確的參考信息。

1 建筑工程中巖土邊坡抗剪強度勘察方法設計

1.1 巖土邊坡應力分布狀況解析

為了分析土壤應力分布情況，可以通過分析小的單位應力分布來解析巖土邊坡應力分布狀況[2]。對土體中任一點進行選擇，設定該點為1個小單元體，如圖1所示。

根據圖1可知，此時小單元中的應力分布可由公式（1）、公式（2）表示。

τ=1/2（σ1-σ3）sin2a " " " " " " " " " "（1）

σ=1/2（σ1+σ3）+1/2（σ1-σ3）cos2a " " " " （2）

此外，如圖2所示，莫爾應力圓可以直觀地表示任意小單位體上應力分布狀態。

通過圖2可以看出，該圖以點（1/2（σ1+σ3），0）為圓心，在σ-τ坐標系中，以1/2（σ1-σ3）為半徑畫圓。當小單元體或者土體中2a等于90°時，剛好處于剪應力最大值的形態，此時τmax=1/2（σ1-σ3）。如果要添加新變量，可以使用與默認變量相同的變量。

由于土體可以在不同的應力狀態下達到破壞，因此可以繪制很多不用應力狀態下的莫爾應力圓[3]。組成達到極限平衡狀態時的曲線，繪出多個莫爾應力圓的公共切線（稱為土體抗剪強度包線）。恰好滿足極限平衡條件的土體抗剪強度包線正好切于莫爾應力圓圓周的點位。此時，通過達到邊界平衡狀態來全面描述應力分布，如公式（3）～公式（5）所示。

1/2（σ1-σ3）=Ccosφ+1/2（σ1+σ3）sinφ （3）

σ1=σ3tan2（45+φ/2）+2Ctan（45+φ/2） （4）

σ3=σ1tan2（45-φ/2）-2Ctan（45-φ/2） （5）

式中：C為莫爾應力圓圓周；φ為主應力施加方向與公共切線的角度。

如果土體中的小單位應力分布滿足邊界平衡條件，那么主應力施加的最大方向為90°。在剪應力破壞表面的方向與主應力作用的最小方向之間建立角度，如公式（6）所示。

acr=1/2（90°+φ）=45°+φ/2 " " " （6）

1.2 構建巖土邊坡抗剪強度勘察模型

在巖土邊坡應力分布狀況解析后，可結合施工地區現有的巖土邊坡調研結果，建立巖土邊坡抗剪強度勘察模型。其中，抗剪強度后驗概率分布與現場試驗數據之間的關系如公式（7）所示。

（7）

式中：u為場地數據樣本；μ和σ分別是未加工強度參數的平均值和標準差；f和S分別是偏離未加工強度參數分布的平均值和標準差。

將貝葉斯理論引入巖土工程參數的可變性并進行研究。其基本思想是整合傳統未開發抗剪強度的經驗范圍和當地研究數據，并通過未開發的抗剪強度和變量經驗公式來評估未開發的抗剪強度參數及其可變性?？紤]開發的抗剪強度為服從對數正態分布的連續變量，引入貝葉斯的理論框架來求解抗剪強度變異性的過程?；谙惹靶畔ⅲ纯辜魪姸戎档慕涷灧秶龋┖鸵盒灾笖祦砉浪憧辜魪姸鹊母怕史植紖担淳岛蜆藴什?。

該解決方案的思路是基于液性指數和抗剪強度的經驗公式，確定由抗剪強度重新分配的可能密度函數的形式[4]，即P（LI，Prior），其中，LI為液性指數，Prior為對數值。根據先前關于該區域內抗剪強度的信息和液性指數測試指標，使用馬爾可夫鏈蒙特卡羅的抽樣方法，在先前概率密度函數的基礎上產生與抗剪強度具有相同概率的等效樣本。計算等效樣本和貝葉斯分析的平均值和標準差。基于抗剪強度參數的先驗信息和液性指數的現有現場調查數據，應用貝葉斯分析，抗剪強度的后部分布密度函數如公式（8）所示。

P（Su|μ，σ）=P（μ，σ|LI，Prior）dμdσ " " " "（8）

式中：P（μ，σ|LI，Prior）為抗剪強度Su平均值u和標準差σ的總體概率密度函數。

P（μ，σ|LI，Prior）可以結合貝葉斯公式計算先前信息數據，如公式（9）所示。

P（μ，σ|LI，Prior）=K·P（LI|μ，σ）P（μ，σ） （9）

式中：P（μ，σ）為先驗分布；P（LI|μ，σ）為概率函數；K為歸一化常數。

由此，利用密度函數重新分配抗剪強度產生的等效樣本，不會影響分配的計算結果?？辜魪姸鹊南惹靶畔⒔涍^傳播后，抗剪強度的平均值和標準偏差范圍描述如公式（10）所示。

（10）

式中：μmax為平均抗剪強度的最大值；μmin為平均抗剪強度的最小值；σmax為抗剪強度標準差的最大值；σmin為抗剪強度標準偏差的最小值。

以可能性函數描述抗剪強度和液性指數之間的聯系，計算過程如公式（11）所示。

LI=aln（Su）+b " " " " " " " " " " " " "（11）

其中，a=-0.452，b=2.336。

假設抗剪強度Su是一個連續變量，呈對數正態分布。設標準正態分布變量z為抗剪強度的對數值，進一步延展抗剪強度的分布變換如公式（12）、公式（13）所示。

ln（Su）=μN，Su+σN，Suz " （12）

（13）

假設液性指數偶然不相關，那么多組液性指數數據的獨立多元正態概率密度函數如公式（14）所示。

（14）

式中：N為測量的液性指數值的個數。

巖土邊坡抗剪強度勘察模型如公式（15）所示。

P（Su|LI，Prior）=K·∫P（Su|μ，σ）P（LI|μ，σ）P（μ，σ）dμdσ " " " " " " " " （15）

式中：K為多元正態分布的斜方差矩陣。

1.3 巖土邊坡抗剪強度勘察值輸出

直接求解抗剪強度的模型相關的概率密度函數較為困難。蒙特卡羅是一種采樣解決方案。使用蒙特卡羅方法來求解上文設計的巖土邊坡抗剪強度勘察模型，從一個目標分布中生成隨機樣本序列作為目標分布點，也稱為對應于目標的上述散布點樣本。使用上述構建模型，生成巖土邊坡抗剪強度勘察值，詳細情況如下。

首先，對馬爾科夫狀態鏈進行初始化，令Su，0=（μmax+μmin）/2最終結果不受初始狀態影響。

其次，設u=1重復以下步驟，假設Su，0為u=0時刻狀態的抗剪強度；進行抽樣，隨機得到下一個狀態Su，i；隨機生成一個均勻分布的隨機數u，如果，

那么接受轉移，此時Su，i相等，再進行迭代計算。

最后，在貝葉斯分析的背景下，結合液性指數作為觀測值，樣本的等效平均值和標準差被用作“等效”變量?；谏鲜鼋⒛Ｐ?，以等效樣本的均值和標準差作為抗剪強度“等效的”變異性，輸出巖土邊坡抗剪強度勘察值。抗剪強度勘察流程如圖3所示。

抗剪強度勘察值計算流程如下。1） 從巖土邊坡土體測試中獲得液性指標值。2） 獲得該地區范圍內抗剪強度參數值，包括平均值和標準差范圍。3） 計算模型中似然函數的后驗分布概率密度函數，考慮先驗信息和概率函數。4） 計算馬爾可夫鏈的初始位置。5） 計算等效樣本的平均值和標準差，即等效的抗剪強度均值和標準化，使用30000當量的抗剪強度等效樣本取均值，輸出巖土邊坡抗剪強度勘察數據。

2 試驗論證

2.1 試驗準備

以本建設項目為例，在實際施工過程中，具體包括3個巖土工程邊坡抗剪強度勘測，即2個一級邊坡和1個三級邊坡。此外，還有一些基坑周邊為土質邊坡，集中在周圍地區。石質和土質的最高高度為39m，屬于斜坡類型。此外，勘探區兩側還有一些開挖方邊坡，均為高度4m～8m的石頭和土壤邊坡。為了保證工程的順利進行，對巖土邊坡抗剪強度進行勘測研究。根據以往的施工經驗，巖土邊坡表面的垂直強度可能會影響邊坡下滑力。確定巖土邊坡抗剪強度是保證其穩定性的重要依據。該項目使用地質計算軟件和Bishop切片法來探索施工邊坡地質的穩定性。巖土物理力學指標參數見表1。

邊坡穩定性計算結果分析見表2。

2.2 對比試驗

對表1和表2的數據結果進行分析可知，該項目存在重大安全風險，必須進行充分的支護工作，以避免出現邊坡不穩定的問題。本文對巖土邊坡的縱向抗剪強度進行勘測。在巖土邊坡下方2cm和8cm處采集了6個圓刀形樣本，用于垂直荷載勘測，使用傳統方法一、傳統方法二和本文提出的方法分別對其進行縱向抗剪強度勘測，利用函數對不同方法勘測結果進行擬合計算，并將計算結果進行輸出，3種方法試驗結果對比見表3。

從表3中可以看出，本文提出的建筑工程中巖土邊坡抗剪強度勘察技術與實際結果之間具有較高的擬合度。試驗結果表明，本文提出的方法最大擬合和最小擬合值均在0.986以上，遠遠高于傳統方法一和傳統方法二的擬合度（0.903和0.918），表明本文提出的方法的勘測結果更接近真實巖土邊坡抗剪強度，勘測結果更準確，結果更可靠。

3 結語

本文的研究對于深入探討建筑工程中巖土邊坡抗剪強度勘察技術具有重要的理論意義和實踐價值，本文構建1個全面的巖土邊坡抗剪強度勘察模型并對模型進行計算和分析，獲取準確的巖土邊坡抗剪強度勘察值。將勘察結果與工程實際相結合，提出相應的建議和措施，為建筑工程的安全穩定提供有力支持，可以為相關領域的工作提供參考。同時，還可以為保障建筑工程的安全性。

參考文獻

[1]顧春生，唐鑫，朱常坤，等.基于主成分分析法優化神經網絡的滆湖組黏性土抗剪強度預測[J].科學技術與工程，2023，23（28）：11980-11989.

[2]范亞坤，鄭明新，吳珺華，等.干濕循環下煤系土抗剪強度與微觀結構參數關聯度研究[J].南昌航空大學學報（自然科學版），2023，37（2）：52-62.

[3]劉建平，周花玉，何天奎，等.含根量對根–土石復合體的抗剪強度影響試驗初探——以垂絲海棠為例[J].巖石力學與工程學報，2023，42（增刊1）：3618-3628.

[4]張澤，白子玉，賀玉瑩，等.基于流變學方法的瀝青中高溫性能及膠漿抗剪強度研究[J].河北工程大學學報（自然科學版），2022，39（4）：56-61，85.