苏中腹地湖相沉积土层相关距离的统计分析

相关距离是用随机场理论建模土层剖面的一个非常重要的参数,也是利用随机场理论进行岩土工程可靠性分析的关键所在。基于苏中地区某建筑工程原位静力触探测试数据中的锥尖阻力指标,针对粉质黏土层,利用不同取样间距对相关距离进行了统计计算,分析了取样间距对相关距离计算结果的影响及原因,提出了实际应用中基于尺度匹配原则的取样间距确定方法;随后,基于江苏中部某高速公路工程地质勘察所提供的大量原位静力触探测试数据,结合相关距离计算的平均零跨距法、递推空间法和相关函数法,对该区湖相沉积土层土性参数的竖直向和水平向相关距离进行了系统地统计分析。研究成果不仅提供了土性参数相关距离计算过程中取样间距的确定原则,而且获得了相关距离的区域性代表值,为区域性土性参数随机场模型的建立打下坚实的基础,能对苏中地区岩土工程可靠性分析提供参考。     

天津软土土性指标概率分布统计分析

软土土性指标作为软基处理设计的基本参数,其变化具有很强的地域特征和显著的不确定性。目前,对软土土性指标统计分析集中在软土物理力学指标的相互关系和分布规律等方面,采用的样本为室内试验和原位测试数据,没有考虑不同试验方法对土性指标不确定性分析的影响。将天津软土作为一个独立的统计单元体,研究了该地区软土物理力学指标的变化范围、变异性、指标间的相互关系和各指标的概率分布模型,得到了天津软土物理指标与压缩指标、强度指标间的统计关系经验公式以及土性指标的概率分布模型;并分析了直剪试验、三轴试验、十字板剪切试验3种不同方法抗剪强度试验结果的相互关系,提出了利用随机因子分析法对试验方法不确定性进行概率评定。研究成果为软土地区工程土工参数的取值提供了依据和参考。     

岩土参数的不确定性及其统计方法

通过诠释土性参数不确定性统计工作的重要性,着手分析、对比了各种统计方法的理论基础和优越性,随后基于近年来国内外相关文献的回顾与整理,系统地总结了有关土性参数变异性方面的研究成果,具体包括试验室指标参数、变形参数、强度参数、固结参数以及原位测试中的静力触探测试值、十字板剪切强度和标准贯入击数。结果表明：传统方法和三 法都是基于随机变量理论,无论如何改进也无法克服模型本身所固有的缺陷;基于随机场理论的方法用更加优越的模型建模土层剖面,显示了强大的生命力,随着原位测试手段的日渐成熟,这一方法必将取代传统方法;图形三 法集理论先进性和适用性于一体,是一种值得推荐的方法。参数变异性的总结显示,试验室指标参数变异性普遍较小、固结参数较大、变形和强度参数以及原位测试各指标位于其中,具体结果还对实际工程中参数的选取、优化以及部分重要工程的可靠性分析具有重要的指导意义。     

天津港土性相关距离的计算研究和统计分析

相关距离是随机场理论应用于实际工程可靠度分析的一个重要参数。根据随机场理论,对土性参数相关距离的计算方法进行了研究和改进,提出求解相关距离的波动函数法和加权拟合相关函数法,使相关距离的计算更加简便易行,且精度有所提高。结合大量工程地质勘察资料,对天津港地区典型土层的垂直向相关距离及水平向相关距离进行了计算和统计,获得相关距离的地区性代表值,可作为此地区实际工程的参考。同时,对取样间距及土性指标对相关距离的影响进行了分析,提出了当取样间距变化时相关距离的确定原则,并指出相关距离是反映土的空间固有变异性的基本属性,由不同土性指标求得的相关距离值基本相同。     

约束随机场下的边坡可靠度随机有限元分析方法

目前边坡可靠度中常用的简化分析方法,不考虑边坡土体的空间变异性,每次计算整个边坡都取用相同的强度参数,由离散点试样试验得到的土体参数统计特性只能反映点特性,而边坡的稳定性受滑面上平均抗剪强度特性控制,因此,需要考虑空间范围内的平均特性。描述空间变异性的随机场理论对变异性较高的土体,实际上高估了其空间变异性。把随机场理论和地质统计中的区域化变量理论结合起来,建立约束随机场,并在此基础上进行Monte-Carlo随机有限元分析。计算实例表明,在高变异性条件下约束随机场能有效降低完全随机场的模拟方差,得到更低的破坏概率。对比了随机有限元和简化法的计算结果表明,简化法在土体强度变异性很高时其结果并非偏于保守。另外也指出了可靠度分析中存在的边坡尺度效应和简化法的适用条件。     

天津港地区土层剖面随机场特征参数的估计

天然地基或人工地基在形成过程中,不同位置的土由于成因相似,其物理力学特性指标具有空间自相关性,这种空间自相关性可以用随机场理论进行研究。为估计天津港地区土体物理力学性质的空间随机场特性,采用了现场钻孔取样、静力触探等方法获取了大量的描述土体物理力学性质的参数。由于静力触探试验能够连续取样以获得足够多的数据来进行随机场分析,文章主要应用静探数据检验了该地区土性指标的平稳性和各态历经性,指出应用Vanmarcke的随机场模型对土性指标进行分析具有可行性。本文的创新点在于探讨了天津港地区随机场模型的建立方法并应用改进的完全不相关距离方法估计了天津港地区典型土层剖面的随机场特征参数。为随机场理论应用于天津港地区岩土工程可靠度分析打下了坚实的基础。相同的方法可用于其他地区土层随机场特征参数的估计。     

不排水抗剪强度非平稳随机场模拟及边坡可靠度分析

边坡可靠度分析中通常假定采用平稳或准平稳随机场表征土体参数的空间变异性,然而大量现场试验数据表明,土体参数如不排水抗剪强度沿土体埋深常呈现明显的非平稳分布特征,即其均值和标准差均随埋深发生变化,因此亟需发展土体参数非平稳随机场模型及其模拟方法。针对目前不能有效单独模拟土体参数趋势分量和随机波动分量的不确定性,提出了一种有效的不排水抗剪强度参数非平稳随机场模型,并给出了土体参数二维非平稳随机场模拟方法计算流程,同时将新提出的模型与现有非平稳随机场模型及平稳随机场模型进行了系统比较。最后通过不排水饱和黏土边坡算例验证了提出模型的有效性,并揭示了不排水抗剪强度非平稳分布特征对边坡可靠度的影响规律。结果表明：提出模型能够有效地单独模拟土体参数趋势分量和随机波动分量的不确定性,考虑土体参数均值和标准差随埋深增加而增大的特性,可为表征土体参数非平稳分布特征提供了一条有效的途径。此外,与采用非平稳随机场模拟土体参数空间变异性相比,采用常用的平稳随机场模型会低估边坡失效概率,从而造成偏危险的边坡工程设计方案。     

浅基础沉降可靠性的Neumann随机有限元分析

将随机土性分布参数模拟为随机场，用矩形和任意四边形局部平均随机场单元来离散随机场，对随机场离散技术和自协方差矩阵的组集方法进行了研究，提出了多维相关正态分布随机数的计算机模拟方法，同摄动随机有限元和直接Monte-Carlo随机有限元相比，Neumann随机有限元具有较好的计算精度和计算效率，研制了Neumann随机有限元的程度，考虑荷载变异性和土性分布参数的变异性，用Neumann随机有限元法进行地基沉降和非均沉降的概率分析。     

边坡稳定可靠性的随机有限元分析

随机有限元法可以处理土性参数的变异性和空间相关性。对二阶摄动随机有限元法的摄动理论和程序进行了研究，提出了偏导矩阵的组集方法，采用正态分布随机变量的正交变换法来提高计算效率。考虑土性参数随机场作用和土性指标之间的互相关性，建立边坡局部抗剪和总体稳定性可靠度的随机有限元分析模型，对某实际土坡进行了可靠度计算，计算结果较为符合实际。     

岩土参数相关性的地基承载力模糊可靠性分析

地基的失效可视为模糊事件。影响地基承载力因素表现出空间变异性。根据随机场理论描述土性参数的空间变异性,考虑土性参数的自相关性及其互相关性,得出参数间的相关性在可靠性分析中不可忽视的结论。     

Consolidation in spatially random unsaturated soils based on coupled flow‐deformation simulation

This paper integrates random field simulation of soil spatial variability with numerical modeling of coupled flow and deformation to investigate consolidation in spatially random unsaturated soil. The spatial variability of soil properties is simulated using the covariance matrix decomposition method. The random soil properties are imported into an interactive multiphysics software COMSOL to solve the governing partial differential equations. The effects of the spatial variability of Young's modulus and saturated permeability together with unsaturated hydraulic parameters on the dissipation of excess pore water pressure and settlement are investigated using an example of consolidation in a saturated‐unsaturated soil column because of loading. It is found that the surface settlement and the pore water pressure profile during the process of consolidation are significantly affected by the spatially varying Young's modulus. The mean value of the settlement of the spatially random soil is more than 100% greater than that of the deterministic case, and the surface settlement is subject to large uncertainty, which implies that consolidation settlement is difficult to predict accurately based on the conventional deterministic approach. The uncertainty of the settlement increases with the scale of fluctuation because of the averaging effect of spatial variability. The effects of spatial variability of saturated permeability k_sat and air entry parameters are much less significant than that of elastic modulus. The spatial variability of air entry value parameters affects the uncertainties of settlement and excess pore pressure mostly in the unsaturated zone. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

高速铁路软土地基处理方法对比试验

为探索高速铁路较薄软土地基的加固处理方法,在中国江苏省某铁路试验段进行了针对淤泥质黏土厚度为2～5 m的软土地基现场填筑试验,包括袋装砂井加爆炸、塑料排水板加等载预压、两种间距粉喷桩及砂垫层处理共5个区段。通过为期14个月的原位测试,得到较薄软土地基的沉降变形特性;并通过加固方案效果对比,研究了工后沉降控制效果和工程经济性,其成果对高速铁路软土地基加固处理方案、设计参数的选有一定的参考价值。     

地基承载力经验公式的变异性分析

应用随机场理论,研究了地基承载力表、CPT等地基承载力经验公式的变异性分析方法,提出经验公式确定地基承载力的变异性是由经验公式本身的不确定性和土性参数的不确定性组成,提出了考虑土性参数自相关性的地基承载力经验公式的变异性分析方法,通过对编制CPT确定地基承载力经验公式资料的计算分析,得出CPT确定地基承载力的变异系数在0.1~0.135之间。     

Probabilistical distribution statistical analysis of Tianjin soft soil indices

In the design of soft ground treatment, the soft soil indices are the basic design parameter, and their changes have a strong geographical feature and significant uncertainty. Today, the soft soil indices statistical analysis content is mainly in the correlation and distribution regularity of physico-mechanical indices, which lack systematic study in different regions for different types of soft soils, and the statistical samples are from indoor tests and in-situ tests, without considering the impact of different test methods. In this paper, taking the soft soil in Tianjin as an independent statistical unit body, based on studying the change confines, variability, correlation, probabilistical distribution model of soil indices, some statistical relationship empirical formulas and probabilistical distribution models for physical indices, compression index, strength index were obtained; moreover, the correlation of shear strength results by straight shear test, triaxial test, vane shear test are analyzed; and a method for using random factor to evaluate the uncertainty involved in different test methods of soft soil parameters is proposed. The study results provide a basis and reference for defining the values of geotechnical parameters for soft soil.     

Three-dimensional reliability analysis of earth slopes

Reliability of cohesive soil slopes is assessed using a three-dimensional (3D) probabilistic stability analysis algorithm. Spatial variability of soil properties is represented by an anisotropic random field. Parametric studies are performed for a typical earth structure. The influence of the model parameters, including expected value, variance and correlation distance of soil shear strength, on the reliability associated to particular failure mechanisms is evaluated. The effect on reliability of the dimensions and shape of potential slip surfaces for a given random field is also assessed. It is shown that the mechanisms that contribute most significantly to global probability of failure of the slope may be quite different from those identified as critical by standard deterministic evaluations assuming soil homogeneity. Some practical implications of this fact are discussed.     

库水升降条件下考虑饱和渗透系数空间变异性的白水河滑坡渗流变形分析

堆积层滑坡的岩土体渗透系数具有一定的不确定性,且渗透系数是饱和-非饱和渗流分析的重要参数,开展考虑其空间变异性的库岸堆积层滑坡渗流变形分析具有重要意义。以三峡库区中的白水河滑坡为研究对象,基于地面核磁共振技术获取的岩土体渗透系数,分析滑坡体渗透系数的空间变异特征,采用半变异函数方法求得滑坡体渗透系数的竖直波动范围,在此基础上建立渗透系数的非平稳随机场模型。以非侵入式随机有限元的方式开展库水升降两种工况下不确定模型与确定模型的流固耦合模拟,分析两种模型的渗流场、位移变形特征及其差异。结果表明：相比于确定模型,不确定模型孔压改变的滞后性更为明显,且库水下降工况下整体的变形更大,若忽略滑体渗透系数的非平稳空间变异特征将会低估滑坡的实际变形。     

Three-dimensional finite element analysis of spatially variable PVD improved ground

A stochastic approach that investigates the effects of soil spatial variability on stabilisation of soft clay via prefabricated vertical drains (PVDs) is presented and discussed. The approach integrates the local average subdivision of random field theory with the Monte Carlo finite element (FE) technique. A special feature of the current study is the investigation of impact of spatial variability of soil permeability and volume compressibility in the smear zone as compared to that of the undisturbed zone, in conjunction with uncoupled three-dimensional FE analysis. A sensitivity analysis is also performed to identify the random variable that has the major contribution to the uncertainty of the degree of consolidation achieved via PVDs. The results of this study indicate that the spatial variability of soil properties has a significant impact on soil consolidation by PVDs; however, the spatial variability of soil properties in the smear zone has a dominating impact on soil consolidation by PVDs over that of the undisturbed zone. It is also found that soil volume compressibility has insignificant contribution to the degree of consolidation estimated by uncoupled stochastic analysis.