武汉理工采矿工程本科生毕业设计(论文)开题报告

武汉理工大学毕业设计本科生毕业设计（论文）开题报告学生姓名：梁何导师姓名、职称：章光教授所属学院：资源与环境工程学院专业班级：采矿1102班设计（论文）题目：模糊数学方法在冻土边坡稳定性评价中的应用2015年03月31日武汉理工大学毕业设计武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）背景：当今世界，有三大并称的地质灾害源:边坡失稳、地震和火山。我国是一个地质灾害频发且损失极为严重的国家。据统计，地质灾害在我国每年所造成的损失均超过200亿。2008年全国累计报告发生各类突发性地质灾害26580起，造成656人死亡，101人失踪，直接经济损失32.7亿元，其中，仅汉川512大地震就引发了多达12000多处的次生地质灾害，造成近8700处的潜在隐患点，直接经济损失2000多亿，占地震损失总数8451亿的近三分之一。2009年，全国共发生各类地质灾害10840起，造成331人死亡，155人失踪，315人受伤，直接经济损失17.6亿元。去年全国共发生地质灾害30670起，造成2246人死亡，699人失踪，534人受伤，直接经济损失63.9亿元。可见，在制约我国经济和社会可持续发展的一系列问题中，地质灾害是一个非常重大的问题。在我国现今国民经济高速发展的情况下，基础设施建设及资源、能源开发工程得到迅猛发展，我国因此成为了当今世界上工程建设规模最大的国家。为了缩小东西部经济社会等一系列差距，国家进行了西部大开发战略，西部山岭重丘区的基础建设得到极大的发展，新建了许多的铁路及高等级公路。我国西部地区基本属于高原，地形、地貌、地质条件不同于东部平原，有其独特的特点，并且广泛分布着许多的不良地质现象。因此，在西部地区修建铁路及高等级公路将不可避免的面临着更为复杂的地质灾害问题，而新建的铁路及高等级公路由于对平面、纵面等技术指标有较高的要求，必然有很多的深挖与高填，并且我国每年在高层建筑、矿山、港口、水利等工程中也形成了许多的高边坡。这些边坡是否稳定制约着整个工程的可行性、安全性及经济性，关乎整个工程建设的成败和安全，工程建设的投资及使用效益在很大程度上也受其影响。这些边坡一旦处理不妥，滑坡和崩塌等边坡失稳问题极容易发生。因此，对滑坡等边坡失稳问题加以广泛的关注和重视有着重要的意义。统计资料表明l2]，我国仅在20多条铁路干线，12000多公里线路，60多个车站中就分布有1000多处大中型滑坡，崩塌则多达万处，严重塌陷也有375处，这些边坡失稳问题严重威胁着铁路的运营安全。建国以来，上述边坡失稳地质灾害仅淤埋车站就达41次之多，共造成了250武汉理工大学毕业设计多起重大铁路交通事故，中断行车累计5万多小时。我国的两大母亲河长江和黄河中，崩塌和滑坡体的发育密度在上游河段达0.4}-1.0处/km，这些边坡失稳问题极大地威胁着长江和黄河的航运及沿河水利工程建设。位于三峡工程坝址上游的新滩在1985年6月12日发生了大规模山体滑坡，滑体将新滩小镇完全掩埋并冲入长江，长江航道因此受阻。昭通市1991年9月23日发生了头寨沟滑坡，1800X1少m3的滑体摧毁了202间房屋，300亩农田被掩埋，事故共造成216人死亡，损失300头牲畜。1995年1月30日发生的甘肃黄茨滑坡，虽然因为提前预报而避免了人员伤亡，但600X104m，的滑体也造成了71间民房被毁的严重后果。兰挑高速公路K58+820处2003年发生崩塌，7人在此事故中丧生，另有1人受伤。在人类的记忆中，边坡失稳总是伴随着惨痛的灾难，对人民的生命财产安全构成了极大威胁。因此，对于边坡稳定这个古老而又重要的问题我们不得不认真对待。岩土体具有高度的复杂性，这是因为赋存于一定地质环境之中的岩土体在一定的历史作用下形成、变形及破坏，在这个过程中，形成了自身特定的物质组成、结构和构造，并在这一定的地质环境中继续新的变形与破坏，因此形成了自身特有的几何及物理力学特性。岩土材料的非均质性和地质条件的复杂性决定了岩土工程肯定具有不确定性，因此边坡稳定性评价必然具有不确定性。不确定性分为两类:随机不确定性和模糊不确定性。随机性是由于事件发生的条件无法严格控制，以致一些偶然因素使结果具有不确定性;模糊性则是由于不可能给某些事件以明确的定义和评定标准而形成的不确定性。随机不确定性是由因果律的缺陷造成的，事件本身具有明确含义;模糊不确定性则具有事件已知，归属不明确的特点。边坡的稳定状态由有限个参数确定，这些参数由许多因素决定:一方面，由于试验样品不足及其他各种影响因素的影响，试验结果表现出很大的随机性;另一方面，由于岩土体处于一个复杂的地质环境中，且受到岩土体的空间变异性及个人经验的影响，工程中，岩土的分组难以确定，这就造成了岩土体类属的模糊性，同一岩土类组中不同位置的岩土体是否属于该岩土组是不确定的，是一个模糊概念，而岩土类属的模糊性必然会因为取样传递给岩土样本，从而使岩土体力学参数具有模糊不确定性;此外，在分析过程中进行的一些简化、假设以及用有限样本来替代无限样本也会产生模糊性。由于边坡工程中的不确定性，人们对采用安全系数表示安全程度的传统的确定性方法来分析边坡稳定产生了疑问。由于边坡安全系数是岩土体许多具有不确定性参数的函数，因此采用确定的安全系数值来判断边坡工程的安全程度显然是值得商榷的。人们试图通过提高岩体测试及计算技术的精度以最大限度地消除岩土工程中的不确定性，这样做虽然取得了一定的效果。然而，武汉理工大学毕业设计在宏观判断岩土性状的过程中产生的随机性和模糊性单纯依靠提高局部试验的精确性是不能被消除的，将单项试验的精度、规模无限度提高并对数值计算方法进行完善是不可能消除这些不确定性的。MIJiierL就指出大多数的研究者，绞尽脑汁地追求精致和高级复杂的数学解答，但却经常以不恰当的宽容把更重要的基本原理搁置一边。因此，在充分理解边坡工程不确定性本质的基础上，应用和发展软科学方法，用不确定性的方法解决不确定性的问题，是当前和今后解决边坡稳定问题的发展趋势，必定可以得到满意的结果，而模糊数学在解决不确定性问题中是不可或缺的意义：自然界中存在的不确定性，既可能是随机的，也可能是模糊的。随机性是指事件的发生与否是不确定的，但事件本身具有确切的含义。而模糊性则是事件本身的含义在概念上是不清楚的。近十多年来，人们把概率统计方法引用到边坡稳定性分析中来，提出了“破坏概率”的概念。事实上，人们在探求“破坏概率”时，人为地划定一个界限，把模糊不确定性的问题，当作随机不确定性问题来处理。在边坡稳定性分析中存在着许许多多典型的模糊性的例子，如说“稳定的”、“较稳定的”、“不稳定的”;“节理发育”、“较发育”、“不发育”等等。它们的名称含义有的是明确的，有的是不分明的。对这类问题，在经典数学中，找不到恰当的方法来解决。因此，为了描述并分析这些模糊的事物，探索能表现事物的模糊性的新的数学工具就将是很有意义的。国外研究:1965年，美国自动控制专家查德(Zadeh)首先对经典数学的集合概念进行了修改和推广，他提出用“糊模集合”表示模糊事物中所有元素的集合，给出“隶属程度”表示“模糊集合”中元素在集合中的值，即元素在该集合中的地位，这就是他创造性地奠定了模糊数学的基础，从而建立适合“隶属程度”的“隶属函数”。模糊数学是用数学方法研究和处理具有“模糊性”的现象的科学。所谓“模糊性”，主要是指客观事物差异的中间过渡中的“不分明性”。事实上，经验丰富的工程技术人员，常常可以根据实测到的不明确信息，不需要十分精确的数据，就可以比较准确地判断滑坡的类型。人们的经验系基于历史资料的总结与概括。糊模数学方法正是可以对复杂的或不完善的系统的分析与决策过程建立一种语言分析的数学模型，使数学方法得以吸收人的思维方式中的某些优点。模糊数学出现后，过去经典数学、统计数学描述客观世界感到的不足之处，就能得到弥补，这样，它们之间相互联系、相互补充，可更正确地描述现实世界的数量关系。武汉理工大学毕业设计2、基本内容和技术方案2.1基于参数模糊性分析的边坡稳定性分析岩土工程参数中的各种信息都存在模糊不确定性。在以往边坡稳定性评价中，无论是极限平衡法还是有限元法，计算前都通过统计的方法将各种参数处理为确定性参数后加以分析的。这种基于随机统计思想的方法只注意到试验样本值的随机不确定性，没有注意到样本本身具有的模糊不确定性，且试验样本又是小了样，因此不能全面反映样本的真实情况。基于参数模糊化的边坡稳定性分析方法就全面考虑了岩土样本参数的随机不确定性和模糊不确定性对边坡稳定性的影响，因而能够更为客观地反映边坡稳定的实际情况。国外最早开始这方面研究的是Kacewicz，将土性参数视为模糊数，经过模糊运算，得到安全系数的模糊区问。近年来国内一些学者较系统地研究了边坡岩土参数模糊性特点及其对边坡稳定性影响，并初步建立了基于参数模糊化的边坡稳定性分析方法。徐卫亚推导了岩土样本力学参数模糊统计特征值的计算公式。蒋中明[将岩土力学参数的模糊统计特征值代入基于极限平衡的安全系数计算公式中，求得边坡稳定安全系数。徐卫亚，蒋中明又基于模糊集理论，将边坡岩土体的重度、k聚力及内摩擦角视为模糊数，因此以模糊数为基本变量的安全系数必然也是模糊数，经过模糊运算处理，将安全系数的模糊计算转化为常规运算，从而建立了基于模糊集理论的边坡稳定极限平衡分析方法。蒋中明将模糊集理论应用到有限元分析中，建立了边坡稳定分析的模糊有限元模型和求解方法，求得糊有限元的模糊位移、模糊应力及模糊点安全系数。这类方法的关键在于参数的模糊化处理。既然参数是模糊的，以模糊数为基本变量的安全系数必然也是模糊的。从这点出发，基于模糊集理论的分析方法应该是更合理的符合实际的方法，但这其中又涉及到安全系数隶属函数的构造问题。2.2模糊随机可靠度由于岩土力学特性同时包含着随机性和模糊性，随机性和模糊性相互渗透、相互影响，因而使边坡工程系统的状态、输入和输出都具有随机模糊性。传统的随机可靠性的观念和方法不能客观地反映这种系统的可靠性，将随机一模糊变量人为地用随机变量代替必然引起计算结果的人为歪曲，而模糊随机可靠度理论则避免了这一点。对边坡来说，不仅破坏(边坡失稳事件)是模糊的，而且，主要变量和参数也具有模糊性，也就是说不仅参数是模糊随机变量，事件也是模糊随机事件。现有的研究可以分为两大类:一类仅考虑失稳这一事件的模糊性，参数依然是随机变量，可称之为模糊破坏随机可靠度;一类同时考虑边坡稳定的模糊性和基本变量的模糊性，称为随机模糊可靠度，又称广义可靠度。2.3模糊破坏随机可靠度对于模糊事件的概率问题，基本变量的概率分布性质不变，武汉理工大学毕业设计仅考虑边坡稳定这一事件的模糊性，可将边坡的可靠度称为模糊破坏随机可靠度。设边坡发生失稳破坏这一事件为模糊事件A，引入模糊数学中模糊概率的计算公式，从而得到边坡失稳的模糊概率。这方面国内最早开始研究的是贺少辉、李中林，通过建立边坡工程性能指标“安全时效性及适用性”的隶属函数，将模糊概率测度理论用于边度数学模型。谭晓慧在可靠性分析的基础上提出了用模糊概率的方法来计算边坡的稳定性，得出了边坡失稳的模糊概率，并探讨了隶属函数的形式及有关参数对模糊概率的影响。土亚军，土广月等在常规的概率极限状态理论基础上，分析了边坡安全状态的模糊性，提出了边坡失稳的模糊概率和边坡稳定性模糊可靠度的计算方法。以往的这些研究都是在可靠度分析的基础上，把边坡失稳看作模糊事件，建立失稳的模糊概率计算公式，从而得到边坡失稳的模糊概率。各种方法的不同之处在于，一是可靠度分析方法的不同;二是不同的功能函数的概率密度；三是选取了不同的稳定性隶属函数形式。其关键就在于根据工程实际确定结构功能函数的概率密度函数f(均及表征边坡稳定性的隶属函数）上述分析方法对此也作了具体的研究。关于功能函数的概率密度，目前多是参考可靠性分析的经验，假设其服从正态分布。土亚军将w的极值工型分布与正态分布的结果予以对比，两者的结果还是有很大的差异。关于稳定性隶属函数的选取，谭晓慧、土亚军分别在FROM和MCS的基础上，