随着经济水平的不断提升,基础设施建设进入了高速发展的时期。为了满足发展需求常需要大量开挖边坡,若不能准确地评估边坡在开挖过程中的稳定性并合理地选取支护方案,发生工程安全事故的可能性将显著增大。传统的边坡开挖稳定性评价和支护方案设计常采用确定性分析方法,但该方法没有充分考量工程中无处不在的不确定性因素,因而可靠性分析方法被引入到边坡开挖的稳定性分析和支护方案设计领域。然而目前的研究中均基于随机变量模型分析,忽略了土性参数的空间变异性。本文针对该问题做了相应改进,在研究中引入随机场模型,考虑到随机参数的分布特点,将内摩擦角和粘聚力分别模拟为平稳随机场和非平稳随机场。主要的研究内容和结论概括如下:1.基于随机场模型计算了二维土质边坡各开挖时步的失效概率,并结合基于确定性分析方法得到的边坡各响应量值分析了边坡在开挖过程中的稳定性变化。通过水平位移和切应变增量云图计算结果发现,边坡在开挖过程中滑移形式由最初的沿原边坡坡面失稳转变为了沿新开挖坡面失稳,分析认为开挖后期失效概率的逐渐增大与该变化有关。在研究中对比了基于随机场模型和随机变量模型得到的失效概率计算结果,分析发现,若不考虑土性参数的空间变异性会高估边坡开挖各阶段的失稳可能性,造成对开挖过程中工程安全性的保守判断。2.基于随机场模型和许可失效概率法设计了预应力锚杆参数。在研究中计算了边坡在不同支护参数条件下的稳定失效概率,利用失效概率与锚杆倾角的关系曲线确定了最优倾角,并基于许可失效概率法通过比选优化得到了三组满足可靠性要求的锚杆长度和预紧力组合设计值。研究表明:与基于随机变量模型的可靠性设计方法相比,采用本文提出的基于随机场模型的支护设计方法在满足可靠性要求的前提下可以节省材料,因而能有效控制工程成本。3.考虑到三维土质边坡“端部效应”的影响,本文将基于随机场理论的分析方法推广至三维,对比了基于二维和三维模型得到的边坡失效概率,并优化了锚杆的空间布置间距。研究表明,三维边坡的稳定性与端截面约束有关,自由约束条件下与二维模型的分析结果基本一致;而在半约束和完全约束条件下,边坡稳定性有所提升,因而得到的边坡失效概率更小;通过对比不同位置的锚杆支护效果发现,边坡中上部锚杆起到的作用相对较小,在工程中可以适当减小该部分的锚杆用量。