重力式基坑支护系统的可靠性分析

本文分析了重力式基坑支护系统可能包含的多重破坏模式后,在考虑土性参数不确定性的情况下,运用系统可靠度理论对基坑支护系统的失效概率进行分析和计算。结果表明该方法能对基坑系统的稳定性作出较全面的评价。     

多失效模式下基于区间非概率的岩质隧道稳定可靠度分析

对于岩质隧道工程的稳定可靠度分析,一方面由于岩体参数的统计数据获取困难使得概率可靠度方法难以适用,另一方面其工程稳定与多种失效模式密切相关,须考虑隧道结构体系的可靠度问题。首先,基于区间理论,通过区间变量形式表征不确定性参数;然后,针对岩质隧道工程中多种失效模式并存的情况,引入结构体系可靠度理念,建立基于区间非概率的岩质隧道结构体系可靠度指标计算及其稳定性评价方法;在此基础上,通过工程实例验证了该方法的合理性;最后,定义不确定性参数的波动幅度,进一步分析各失效模式中不同参数对相应可靠度指标以及结构体系可靠度指标的影响。分析结果表明,各失效模式相应的非概率可靠度指标均随区间变量范围的增大而降低,且同一参数在不同失效模式中表现出不同的影响;另外,不确定性参数的变化还将导致影响岩质隧道结构体系稳定的主要失效模式发生相应的变化。     

锚杆挡土墙可靠度分析与计算方法

提出了锚杆挡墙中肋柱锚杆体系的串-并联模型。将肋柱视为连续梁,锚杆视为弹性支座,引入锚杆与锚固段周围岩土体的复合刚度系数,用位移法导出了各根锚杆所受荷载的统一计算公式。考虑各功能函数之间的相关性,运用系统可靠性理论,提出了单根锚杆3种破坏模式的串联系统与多根锚杆并联系统的体系可靠度计算方法,并编制了计算程序。对一工程实例进行计算,并对计算结果进行了分析,发现单根锚杆的3种失效模式并非相互独立,每种失效模式对锚杆可靠度的影响也不一样,而3根锚杆并联系统的失效概率近似等于在其他锚杆均未破坏的条件下每根锚杆单独失效概率之和。     

考虑参数空间变异性多层土坡系统可靠度分析

多层土坡在岩土工程实际中十分常见,不仅土体参数存在一定的空间变异性,而且土体框架呈现明显的层状分布特征,然而目前对考虑土体参数空间变异性的多层土坡稳定可靠度研究的远远不够。提出了基于多重响应面边坡系统可靠度分析的蒙特卡洛模拟（MCS）方法,给出了计算流程图,系统地研究了考虑土体参数空间变异性的多层土坡系统可靠度问题。结果表明,提出方法能够有效地分析考虑参数空间变异性低失效概率水平的多层土坡系统可靠度问题,并且具有较高的参数敏感性分析计算效率。     

节理岩体关键块体稳定的概率分析

基于地下岩体受节理面的控制,节理面的几何和力学参数随机分布,从而导致岩体系统具有高度不确定性,提出以关键块体理论为基础,考虑节理几何和力学参数随机性的岩体开挖可靠度分析方法,并给出了块体稳定的总失效概率评价模型。以澳大利亚阿德莱德地区一铜矿地质条件为例,以节理面倾角、倾向、摩擦系数和黏聚力为随机变量,通过Monte Carlo模拟和概率图方法,进行了岩体可靠度和失效概率的计算。最后,采用条件概率的分析方法,计算了单面滑动块体的总失效概率。计算结果表明,块体沿单面滑动并且出现的概率为11.0%,总的失效概率为3.85%,超过一般岩体工程可允许的风险水平,认为该方法可以作为评价块体可靠性的依据。     

重力坝层间抗滑稳定体系的动力可靠度分析方法

受明显的层状结构影响,加之材料参数和动荷载的双重随机性,动力条件下碾压混凝土重力坝的层间抗滑稳定可靠度问题值得关注。考虑地震波频谱特性、峰值加速度、坝体材料参数的随机性,统计概化出地震作用下坝体的潜在滑动失效路径;在特定地震动作用下,基于随机有限元分析结果,采用刚体极限状态判断准则和响应面法构建失效路径的动力抗滑稳定功能函数,进而求得其抗滑稳定可靠指标;接着考虑不同失效路径的相关性,用Ditlevsen窄界限公式估算体系的可靠度;最后,考虑地震动荷载的随机性,采用基于全概率公式的数值拟合积分方法求解大坝抗滑稳定体系的动力可靠度。研究结果表明,动力条件下,当水平地震系数大于0.2时,重力坝层间抗滑体系可靠度不再由建基面失效路径决定,而是由下游折坡处层面的失效路径决定。该方法数学意义明确,实用性强。     

基于广义子集模拟的土坡系统可靠度分析

如何有效地评价边坡的系统可靠度并识别出对边坡稳定性具有重要影响的关键滑面一直是边坡稳定性分析的关键问题。提出了基于广义子集模拟的边坡系统可靠度分析方法及代表性滑面识别方法,并推导了基于广义子集模拟的边坡系统可靠度计算公式及边坡中滑面对边坡系统失效的相对贡献量化公式。基于广义子集模拟计算结果,采用概率网络评价方法识别边坡代表性滑面。以一个双层黏性土坡和芝加哥国会切坡算例验证了所提方法的有效性。结果表明：提出的基于广义子集模拟的边坡系统可靠度分析方法可有效地估计边坡系统及其单一滑面的失效概率,对于具有低失效概率水平边坡可靠度的求解,其计算效率明显优于传统蒙特卡洛模拟方法。此外,对于单个失效模式而言,广义子集模拟与子集模拟计算效率相当。对于多个失效模式的失效概率计算问题,广义子集模拟不需要重复对每个失效模式失效概率进行计算,计算效率明显优于子集模拟。提出的代表性滑面选择方法是在系统失效概率及单滑面失效概率的高效计算基础上实现的,代表性滑动面能够较好地代表边坡系统失效,从而有效地降低了边坡系统失效概率对代表性滑面数目及代表性滑面失效概率估计准确性的依赖性。     

土体参数空间变异性对边坡失效模式间相关性及系统可靠度的影响

常用的计算失效模式间近似相关系数存在一定的误差,采用Pearson相关系数准确地表征边坡失效模式间相关性。基于近似相关系数和Pearson相关系数,研究了土体参数空间变异性对边坡失效模式间相关性、代表性失效模式数目、边坡系统失效概率上、下限3方面的影响。简要介绍了选取边坡代表性滑动面的风险聚类法以及系统失效概率上、下限的Ditlevsen双模界限公式。以单层和两层边坡为例研究了近似相关系数的适用性。结果表明:常用的近似相关系数不能考虑土体参数空间变异性对边坡失效模式间相关性的影响,而Pearson相关系数能够有效地反映土体参数空间变异性对边坡失效模式间相关性的影响。当土体参数空间变异性较弱时,近似相关系数与Pearson相关系数间差别明显,基于近似相关系数会选取过多的代表性滑动面,不能有效地反映边坡代表性破坏模式。此外,基于近似相关系数计算的边坡系统失效概率上限会超过1,系统失效概率上、下限范围很宽,使得系统失效概率上、下限失去了意义。相比之下,基于Pearson相关系数计算的边坡系统失效概率上、下限范围较窄,能够有效地反映系统失效概率变化情况。     

考虑参数空间变异结构的结构化交叉约束随机场模拟方法研究

斜坡岩土体抗剪强度参数的空间变异性具有一定的结构性。为研究岩土体参数空间变异结构对边坡失效概率的影响,依据变异函数的内涵推导出变程与相关距离的数学变换关系,并在此基础上提出了结构化交叉约束随机场模拟方法,用以模拟具有互相关性的参数随机场。建立了结构化交叉约束随机场计算模型,研究不同空间变异结构的抗剪强度参数对边坡失效概率的影响。研究结果表明:结构化交叉约束随机场可用于生成模拟具有复杂各向异性空间变异结构的参数随机场,由于考虑了随机偏差、条件数据和空间变异结构,能较为真实地反映地层实际参数,数据波动较条件参数插值场小。可靠性分析结果表明:不考虑抗剪强度参数空间结构分析易高估边坡的失效概率;考虑c′和φ′互相关性时,失效概率随着相关系数的增加而增加,当参数间呈负相关性时更容易高估边坡的失效概率。     

基于可靠度理论的滑坡稳定性分析

基于可靠度理论,利用可靠度理论中的概率矩点估计法对延安市宝塔区卧虎山滑坡的稳定系数、可靠度和破坏概率进行了计算、分析。计算结果表明,基于可靠度理论滑坡稳定性计算能克服客观存在的土性参数的空间离散性、时间变异性,并把计算结果与传统稳定性计算结果进行了分析比较,证明了基于可靠度理论的滑坡稳定性计算方法的可靠性和可行性。     

Probabilistic analysis of retaining walls

A methodology for the probabilistic analysis of reinforced concrete cantilever walls is developed and described in this paper. The wall’s external stability under static conditions is addressed and modeled as a series system with correlated failure modes. Computations of reliability are performed using Monte Carlo simulations for assumed probability distributions of the backfill and foundation material engineering properties. A case example is analyzed based on the described methodology. The results indicated that risk, measured by the system probability of failure, is not a linear function of safety ratios. All three safety ratios in question were positively correlated, with bearing capacity being subjected to higher degree of uncertainty. The degree of correlation was found to have an important effect on the system probability of failure. Considering the width of the base as varying design parameter, the study also showed that first-order reliability bounds, which are often applied in practice, may lead to a noteworthy over- or under-estimation of the design.     

双滑块边坡锚固系统时变可靠性分析

考虑锚杆锚固段从岩体中拔出、拉杆拉断、拉杆从注浆体中拔出等失效模式,利用系统可靠性原理和极限平衡分析方法,并基于Monte-Carlo抽样原理提出双滑块岩质边坡锚固系统破坏概率的直接求解方法。同时考虑锚杆钢筋的腐蚀与软弱滑动面抗剪强度c、? 的时变性,建立了考虑锚杆多失效模式双滑块岩质边坡锚固系统的时变可靠性模型。算例计算结果表明：软弱滑动面上的强度参数c、? 的时变性和注浆体与围岩之间的抗力时变性对锚固系统的破坏概率的影响较大,而锚杆的腐蚀对锚固系统破坏概率的影响不明显。     

深基坑稳定性的模糊随机分析

基坑稳定性分析中的不确定性主要表现为随机性和模糊性,随机性体现为将各种设计参数作为随机变量, 而模糊性主要体现在其失稳的判断标准上,这与深基坑失稳破坏的模糊特征相吻合。重点阐述了深基坑稳定性分析中的模糊性, 并采用模糊随机方法,推导出基坑稳定性的广义模糊随机计算模型, 该模型可以考虑分析中所涉及到的计算力学参数的随机性和失稳判断标准的模糊性。同时还对基坑失稳概率的标准进行了讨论。最后实例分析了坑底隆起失稳的模糊概率。计算结果说明,模糊随机方法能够更全面、合理地反映基坑的实际稳定性。     

柱下独立基础稳健性设计与分析

岩土工程随机参数统计特征的不确定性,使得岩土工程可靠度设计存在一定风险。岩土工程稳健性设计能够充分考虑随机参数的不确定性结合结构安全性、稳健性和经济性实现最优设计。针对随机参数统计特征的不确定性对柱下独立基础设计的影响,基于可靠度理论和岩土工程稳健性设计方法,考虑岩土参数、混凝土和钢筋材料力学参数统计特征不确定性的影响,以独立基础几何尺寸作为可控设计参数进行设计分析。将独立基础地基承载力、地基变形、基础结构冲切破坏和基础弯曲破坏4种失效模式视为串联系统,进行多失效模式下的结构体系稳健性设计,分析了多失效模式下结构几何参数与结构体系可靠度的关系。结合稳健性和经济性,进行了独立基础多目标优化设计,确定柱下独立基础设计的最优解。     

框架式预应力锚固系统分阶段可靠性分析

将框架梁在张拉阶段或工作阶段时纵梁与横梁的破坏、梁的正截面与斜截面的破坏以及锚杆的破坏等主要失效模式视为串联系统,提出了框架预应力锚索的分阶段系统可靠性计算模型。在张拉阶段,将锚索力按照位移协调和静力平衡的原则分配在纵、横梁上,然后按Winkler弹性地基梁模型分别计算单片梁的内力;在工作阶段,将侧向土压力系数视为随机变量,框架梁视为土压力作用下的简支梁来计算其内力。基于各失效模式功能函数之间的相关系数矩阵,导出了预应力锚索框架的系统可靠性计算方法并编制了计算程序。对某工程实例的计算结果表明,预应力锚索框架的失效概率主要由纵梁在工作阶段和张拉阶段的正截面失效概率及锚杆的失效概率三者共同决定,而假设此3种失效模式相互独立的系统失效概率与考虑失效模式相关性的系统失效概率误差为8.1%。     

隧道结构系统可靠度研究

在结构系统可靠度研究的基础上,根据隧道结构的特点,应用概率理论及工程结构系统可靠度分析方法,对整个隧道结构系统可靠度进行了探讨。隧道结构系统可靠度研究包括衬砌断面可靠度、在各种不同围岩压力作用下衬砌断面可靠度、同种围岩地段衬砌可靠度以及整座隧道可靠度的研究。整座隧道可看作由两端洞门和洞内不同围岩地段隧道衬砌所组成的串联系统,任一围岩地段衬砌和任一洞门结构的破损,都认为该隧道破损,则运用“概率网络估算技术”（又称PNET法）可求得整座隧道系统的失效概率与可靠指标。通过实例计算得到,整座隧道系统的总体可靠指标比所有单段结构的可靠指标都要低。     

以破坏概率为目标的岩质边坡平面滑动破坏反分析

把可靠性理论和反分析方法相结合,对岩质边坡平面滑动破坏进行了反分析,讨论了分别以稳定系数和破坏概率为目标的反算方法,阐述了平面滑动破坏反分析的计算过程,根据无后缘张裂缝的岩质边坡平面滑动极限状态函数,运用Monte Carlo方法对某核电工程基坑边坡平面滑动破坏进行了反分析。指出了基于稳定系数的常规定值反分析中的不足,讨论了变异系数、截尾位置、相关系数对计算结果的影响。认为抗剪强度指标的变异系数和相关系数对反算结果影响不大,截尾位置按照“3σ”原则兼顾变异系数经验范围的设置方法可以满足要求。     

基于距离判别分析方法的深基坑支护方案优选研究

基于马氏距离判别分析理论,分析了影响深基坑支护方案的因素,从安全性、经济性、可行性3个方面选取了10个实测指标作为影响深基坑支护方案选型的判别指标,利用国内大量的深基坑支护实例作为学习样本进行训练,建立距离判别分析模型,对深基坑支护方案进行优选,并利用回代估计法对距离判别分析模型进行检验。研究结果表明,经过训练后的支护方案优选模型误判率很低,判别优选能力很高。预测样本与工程实例的检验表明,距离判别分析模型优选性能良好,验证了该模型的高效性和实用性。说明距离判别分析理论是解决深基坑支护方案优选问题的有效方法之一,可以在实际工程中进行推广。