边坡失稳是黄土高原地区的主要地质灾害之一，这极大制约了黄土高原地区的经济与社会发展。为了满足黄土高原地区的边坡工程精细化建设和高质量发展，黄土高原地区的边坡工程设计施工应采用充分考虑关键设计因素不确定性的可靠度方法。黄土沉积过程受时间和环境的影响，土体参数存在明显的空间变异性。但目前黄土边坡可靠度研究鲜有考虑其物理力学参数的空间变化特征。同时，由于土体参数统计的困难性和参数信息的不完整性，缺少在样本缺失条件下的信息补全方法。目前研究在参数空间变异性与边坡可靠度分析中尚未系统考虑黄土天然存在的空间变异性，从而无法客观准确地评估边坡工程的失效风险。 本文以研究区砂质、粉质和黏质黄土多元参数与随机有限元边坡为研究对象，基于文献调研、勘察数据、土工试验数据等方法建立研究区黄土物性、力学和变形参数数据库，综合应用岩土工程原理、统计学理论、机器学习方法、GIS分析技术、编程语言及有限元仿真，系统构建考虑数据更新的机器学习算法插补研究框架，分析了研究区砂质、粉质和黏质黄土空间变异性的演化规律，揭示了黄土力学参数空间变异性对二维随机有限元边坡稳定性和可靠度分析的控制因素。主要研究内容和成果如下所述： （1）揭示了黄土多元参数的空间分布规律特征，为参数不确定表征和随机有限元边坡可靠度分析提供了数据基础。 针对研究区黄土多元统计数据的信度和效度问题，建立了一套适用于黄土高原地区的多元物性-力学-变形参数数据库。介绍了研究区地质环境条件与土体物理力学特性，分析了砂质、粉质和黏质黄土的粒度成分、矿物化学、盐分含量、微观结构及比表面积的内在差异，阐述了研究区砂质、粉质和黏质黄土的数据分布与数据特征，并基于相关系数矩阵对研究区砂质、粉质和黏质黄土的各类特征之间相关性进行了统计分析，进而揭示了研究区砂质、粉质和黏质黄土物性、力学和变形参数之间的内在联系，为研究区黄土多元参数插补、黄土多元参数不确定表征和黄土边坡可靠度建模提供了本底数据。 （2）搭建了基于数据更新策略下的机器学习插补算法研究框架，提升了在较大缺失比例下定量插补黄土缺失数据的精度。 针对研究区黄土物性参数数据的缺失问题，搭建了一套基于数据更新的机器学习插补算法研究框架。利用Python编程语言建立了基于数据更新迭代下的插补策略研究框架，以SX-LS/10/4805数据库实测数据对比了基于数据更新的四种机器学习插补模型的插补结果，解决了不同缺失比例下的黄土多元物性参数缺失问题，验证了插补策略研究框架的可行性和有效性，探讨了基于数据更新的四种机器学习插补模型进行黄土物性参数缺失数据插补结果的准确性，发展了基于黄土多元参数的机器学习插补方法，揭示了不同插补模型对黄土多元物性参数的插补规律，为较大缺失比例下的黄土缺失数据插补提供了理论和技术支撑。 （3）提出了基于Bayesian-MCMC的多元参数不确定性表征方法，为考虑空间变异性的边坡可靠度分析提供了先验信息。 针对黄土空间变异性的不确定性表征问题，提出了基于贝叶斯方法和MCMC算法的随机场模型高效计算方法。介绍了空间变异理论，概述了随机场模拟方法，分析了多种随机场模拟方法的优劣，阐述了贝叶斯原理及MCMC算法，阐明了砂质、粉质和黏质黄土物性、力学和变形参数的典型统计范围、最适概率分布和波动范围的变化规律，揭示了砂质、粉质和黏质黄土内在空间变异性的变化规律。结果表明：砂质、粉质和黏质黄土物性、力学和变形参数均具有明显空间变异性，同时砂质、粉质和黏质黄土物性和力学参数可以用正态或对数正态概率分布进行拟合，为考虑空间变异性的边坡可靠度分析提供了先验信息。 （4）建立了考虑不同黄土空间变异性的随机有限元边坡模型，阐明了空间变异性对黄土边坡可靠度分析的影响机制。 针对空间变异性黄土边坡的稳定性和可靠度问题，建立了考虑力学参数空间变异性的砂质、粉质和黏质黄土边坡表征方法。总结了强度折减理论、边坡失稳判据与失效概率的计算方法，并提出了随机场模型下的边坡可靠度分析实施步骤，解决了砂质、粉质和黏质黄土力学参数随机场模拟问题，实现了黄土多元参数随机场模拟和边坡可靠度分析，提出了基于黄土力学参数随机有限元边坡可靠度分析方法，分析了黄土空间变异性对边坡可靠度的影响规律，揭示了不同黄土类型、开挖方式、相关系数、变异系数和自相关长度等因素对随机有限元黄土原始和开挖边坡可靠度影响规律，为黄土高原地区的空间变异性边坡可靠度高效分析探索了一种有效途径。 |
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